DE1264595B - Einrichtung zur Steuerung der mittleren Leistung von Gleichstromverbrauchern - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Steuerung der mittleren Leistung von Gleichstromverbrauchern Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung der mittleren Leistung von Gleichstromverbrauchern, vorzugsweise von Fahrmotoren auf Mehrsystem-Triebfahrzeugen, die über eine steuerbare Einphasenbrückenschaltung mit im Impulsbetrieb arbeitenden Thyristoren in einem Brückenpfad und ungesteuerten Halbleiterventilen im anderen Brückenpfad an ein Wechselspannungsnetz anschließbar sind.
• Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art werden die Thyristoren von einem Impulsgeber gesteuert, der die Zeitdauer der Spannungsimpulse und damit den Mittelwert der an den Motor gelegten Spannung kontinuierlich zu verändern gestattet.
• Ferner ist es zur Regelung der Anfahr- und Bremszugkraft von Fahrmotoren bekannt, in Reihe mit der Feldwicklung und dem Anker einen Thyristor mit parallelgeschalteter Löscheinrichtung anzuordnen und die Reihenschaltung aus Anker- und Feldwicklung durch eine Freilaufdiode zu überbrücken. Der Thyristor schaltet die dem Motor zugeführte Gleichspannung periodisch ein und aus. In einem Regler wird der Motorstrom mit einem einstellbaren Stromsollwert verglichen. Solange der Istwert des Stromes kleiner als der Sollwert ist, bleibt der Thyristor im leitenden Zustand, und der Strom steigt nach einer Exponentialfunktion an. Erreicht der Motorstrom den eingestellten Sollwert, so wird der Thyristor gelöscht, und der Strom klingt ab, bis er den vorgegebenen Mindestwert wieder erreicht. Dieser Vorgang widerholt sich, wobei sich die Impulsfrequenz entsprechend den vorgegebenen Schwankungen des Stromes und der Induktivität des Motorkreises einstellt.
• In verschiedenen Bereichen besteht in zunehmendem Maße die Notwendigkeit, Verbraucher sowohl aus Wechselspannungsnetzen wie auch aus Gleichspannungsnetzen mit einheitlicher Spannung zu versorgen, um die Leistung der Verbraucher in einfacher Weise steuern zu können. Dieser Fall tritt z. B. bei elektrischen Mehrsystem-Triebfahrzeugen ein, deren Motoren sowohl aus der Wechselspannungsfahrleitung als auch aus der Gleichspannungsfahrleitung bzw. aus mitgeführten Akkumulatorenbatterien zu betreiben sind. Für die Lösung dieser Aufgabe wurde bisher ein relativ großer Aufwand an Schalt- und Steuereinrichtungen benötigt, da für jedes Stromsystem meist eine eigene Steuereinrichtung vorgesehen wurde. Sofern man mit nur einer einzigen Steuereinrichtung für das Gleich- und Wechselspannungssystem auskommen wollte, waren zumindest Gleichrichter in den Fahrmotorkreisen erforderlich.
• Ziel der Erfindung ist eine Verbesserung und Vereinfachung einer Einrichtung zur Steuerung der mittleren Leistung von Gleichstromverbrauchern. Die Lösung besteht darin, daß zum Umschalten der Verbraucher auf ein Gleichspannungsnetz die Thyristoren und die ungesteuerten Halbleiterventile durch einen Umschalter über eine Löscheinrichtung an das Gleichspannungsnetz so anschließbar sind, daß die Thyristoren mit dem Verbraucher und Drosselspulen der Löscheinrichtung in Reihe am Gleichspannungsnetz liegen und jedes ungesteuerte Halbleiterventil parallel zur Reihenschaltung aus Verbraucher, Thyristor und Drosselspule angeordnet ist.
• In der Zeichnung ist die Erfindung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, F i g. 2 die Leitungsverbindungen der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung bei Wechselstromspeisung und F i g. 3 die Leitungsverbindungen der Schaltungsanordnung gemäß der F i g. 1 bei Gleichstromspeisung.
• Wie in F i g. 1 dargestellt ist, wird der Verbraucher 1 über die Halbleiterventile 2, 3, 4 und 5 wahlweise mit Wechselspannung über die Klemmen 6, 7 oder mit Gleichspannung über die Klemmen 8, 9 gespeist. Die Ventile 2 und 3 sind als Thyristoren ausgeführt, während für die Ventile 4 und 5 übliche Trockengleichrichter verwendet sind. Für den übergang von Gleichspannungs- auf Wechselspannungsbetrieb dient der Umschalter 10. Bei Wechselspannungsbetrieb liegt der Umschalter 10 in der in F i g. 1, dargestellten Stellung W; die Halbleiterventile bilden mit den Verbindungsleitungen 11 und 12 eine bekannte steuerbare Einphasenbrückenschaltung, in der die Thyristoren 2 und 3 in zwei. verschiedenen Halbwellen zugeordneten Brückenzweigen liegen. In der F i g. 2 ist die Brückenschaltung gesondert dargestellt, bei welcher jedoch cler Umschalter 10 und die nur beim Gleichspannungsbetrieb benötigte Löscheinrichtung 13 weggelassen wurden. In bekannter Weise verschiebt ein Steuergerät 22 die Zündsignale in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung. Die Frequenz der Zündimpulse ist durch die Netzfrequenz gegeben. Die Thyristoren erlöschen ohne Anwendung zusätzlicher Elemente jeweils im Nulldurchgang des Stromes.
• Während des Gleichspannungsbetriebes ist in der Stellung G des Umschalters 10 die Einphasenbrückenschaltung gemäß F i g. 2 aufgetrennt,- und es wird die in F i g. 3 dargestellte Schaltung gebildet, in der beide Thyristoren 2 und 3 untereinander und mit dem Verbraucher 1 in Serie geschaltet sind. Zwischen den Thyristoren 2 und 3 und den Klemmen 8 und 9 für den Anschluß der Gleichspannung liegen Drosselspulen 14 und 15. Der Ausgleich der magnetischen Energie nach dem Löschen der Thyristoren 2 bzw. 3 erfolgt über sogenannte Nullanoden 4 und 5, von denen die Nullanode 5 den Verbraucher 1, den Thyristor 2 und die Drosselspule 14 überbrückt, während die Nullanode 4 dem Verbraucher 1, dem steuerbaren Ventil 3 und der Drosselspule 15 parallel geschaltet ist. Das die Taktfolge und Länge der einzelnen Impulse bestimmende Steuergerät 22 hat während des Gleichspannungsbetriebes nicht nur das Zünden, sondern auch das Löschen der Thyristoren 2 und 3 auszulösen. Zur Löschung der Thyristoren 2 und 3 dient die Löscheinrichtung 13, die neben den Drosselspulen 14 und 15 Löschthyristoren 16 und 17 sowie einen Löschkondensator 18 enthält, der einpolig an den Mittelpunkt 19 der speisenden Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Für den Fall, daß der Mittelpunkt der speisenden Gleichspannungsquelle nicht zugänglich ist, kann dieser Mittelpunkt durch zwei strichliert eingezeichnete Kondensatoren 20 und 21 nachgebildet werden. Die Kapazität der Kondensatoren 20 und 21 muß größer als die Kapazität des Kondensators 18 sein.
• Zur Wirkungsweise der Einrichtung während des Wechselspannungsbetriebes bedarf es keiner besonderen Erläuterung. Es wird daher nachstehend lediglich auf die Wirkungsweise der in F i g. 3 dargestellten Schaltung mit Gleichspannungsbetrieb näher eingegangen.
• Der Verbraucher 1 ist bei Gleichspannungsbetrieb zwischen den in Reihe geschalteten Thyristoren 2 und 3 angeordnet, die zur Unterbrechung des Stromflusses abwechselnd gelöscht werden. Hierzu erhält die Löscheinrichtung 13 aus dem Steuergerät 22 entsprechende Signale. In vorteilhafter Weise ist für das abwechselnde Löschen der beiden Thyristoren 2 und 3 nur ein einziger Löschkondensator 18 verwendet, der mit seinem einen Belag mit dem Mittelpunkt 19 der Gleichspannungsquelle verbunden ist und dessen anderer Belag über jeweils einen von zwei in Reihe geschalteten, abwechselnd gezündeten Löschthyristoren an die lastabgewandte Seite der Thyristoren angeschlossen ist. Unter der Annahme, daß am Ende eines Impulses der Thyristor 2 gelöscht werden soll, wird Löschthyristor 16 gezündet. Dieser wird damit leitend und verbindet den Punkt a der Schaltung mit dem Löschkondensator 18, der mit seinem den Löschthyristoren 16 und 17 zugewandten Belag bereits auf negatives Potential aufgeladen war. Infolge der Potentialdifferenz zwischen Punkt a der Schaltung und dem Löschkondensator entzieht dieser dem Verbraucherkreis im Punkt a die für das Umladen des Kondensators erforderliche Ladungsmenge und senkt dadurch kurzzeitig die Spannung im Punkt a ab, da wegen der Induktivität der Drosselspule 14 der Strom in der Drosselspule nicht so schnell zunehmen kann, daß die durch die Umladung verursachte Spannungsabsenkung ausgeglichen wird. Am Ende des Umladevorganges hat der Kondensator auf seinem den Löschthyristoren zugewendeten Belag positives Potential, der Thyristor 2 ist auf Grund der Spannungsabsenkung im Punkt a gelöscht, und der Löschthyristor 16 hat seine Leitfähigkeit mit dem Verschwinden einer Potentialdifferenz an seinen Anschlüssen verloren. Zur Beendigung des nächsten Impulses, der durch das Zünden des Thyristors 2 eingeleitet wurde, wird der Thyristor 3 gelöscht, und der Thyristor 2 bleibt leitend. Dieser Löschvorgang setzt mit dem Zünden des Löschthyristors 17 ein, das den während des vorhergehenden Löschvorganges auf positives Potential aufgeladenen Kondensatorbelag mit dem Punkt b der Schaltung verbindet, wodurch die Kathode des Thyristors 3 auf positives Potential gehoben wird, so daß dieser Thyristor verlischt In dem darauf folgenden Löschvorgang, der wieder den Thyristor 2 betrifft, hat der Kondensator 18 an seinem den Löschthyristoren zugewendeten Belag negatives Potential, so daß die bereits beschriebene Spannungsabsenkung im Punkt a zum Löschen des Thyristors 2 führt. Jeder Löschvorgang bewirkt nicht nur eine Umladung, sondern zugleich eine Erhöhung der Kondensatorspannung, weil die magnetische Trägheit der Drosselspulen den Lade- bzw. Entladestrom des Kondensators auch über den Potentialausgleich hinaus noch weiterfließen läßt. Die für das Umladen wirksame Spannung, die sich aus dem Potential des den Löschthyristor zugewandten Kondensatorbelages und dem Potential der Klemme 8 bzw. 9 gegenüber dem Mittelpunkt 19 zusammensetzt, erzeugt infolge der magnetischen Trägheit des Ladekreises eine Kondensatorspannung in Höhe des doppelten Wertes der vor der Umladung am Löschthyristor anliegenden Potentialdifferenz, wobei das Bezugspotential für das Umladen jeweils durch die Höhe der Spannung an der Klemme 8 bzw. 9 gegenüber dem Mittelpunkt 19 der speisenden Gleichspannungsquelle bestimmt ist.
• Durch diese Art der Löschung wird gegenüber der eingangs erwähnten bekannten Thyristorschaltung für Gleichspannungsspeisung jeder der Thyristoren 2 und 3 lediglich mit der halben Taktfrequenz beansprucht. Außerdem kann der Verbraucherstrom ohne weiteres auf Null herabgesteuert werden, da der Löschkondensator unabhängig vom Laststromkreis stets an Spannung liegt.
• Vor dem Beginn des Gleichspannungsbetriebes ist es vorteilhaft, den Löschkondensator durch mehrmaliges, abwechselndes Zünden der Löschthyristoren so weit aufzuladen, daß die im Kondensator gespeicherte Energie mit Sicherheit die Thyristoren 2 bzw. 3 zum Verlöschen bringt. Zur Verhinderung eines tlberladens wird dem Löschkondensator 18 eine bekannte Anordnung zur Spannungsbegrenzung parallel geschaltet.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Einrichtung zur Steuerung der mittleren Leistung von Gleichstromverbrauchern, vorzugsweise von Fahrmotoren auf Mehrsystem-Triebfahrzeugen, die über eine steuerbare Einphasenbrückenschaltung mit im Impulsbetrieb arbeitenden Thyristoren in einem Brückenpfad und ungesteuerten Halbleiterventilen im anderen Brückenpfad an ein Wechselspannungsnetz anschließbar sind, d a -durch gekennzeichnet, daß zum Umschalten der Verbraucher (1) auf ein Gleichspannungsnetz (8, 9) die Thyristoren (2, 3) und die ungesteuerten Halbleiterventile (4, 5) durch einen Umschalter (10) über eine Löscheinrichtung (13) an das Gleichspannungsnetz so anschließbar sind, daß die Thyristoren mit dem Verbraucher und Drosselspulen (14,15) der Löscheinrichtung in Reihe am Gleichspannungsnetz liegen und jedes ungesteuerte Halbleiterventil parallel zur Reihenschaltung aus Verbraucher, Thyristor und Drosselspule angeordnet ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung des Stromflusses bei Gleichspannungsbetrieb durch abwechselndes Löschen der Thyristoren (2, 3) erfolgt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das abwechselnde Löschen der beiden Thyristoren (2, 3) nur ein einziger Löschkondensator (18) vorgesehen ist, der mit seinem einen Belag mit dem Mittelpunkt (19) der Gleichspannungsquelle (8, 9) verbunden ist und dessen anderer Belag über jeweils einen von zwei in Reihe geschalteten, abwechselnd gezündeten Löschthyristoren (16,17) an die der Last abgewandte Seite der Thyristoren angeschlossen ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt (19) der Gleichspannungsquelle (8, 9) durch einen kapazitiven Spannungsteiler gebildet ist, dessen Teilkapazitäten (20, 21) groß gegenüber der Kapazität des Löschkondensators (18) sind.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Löschkondensator (18) eine Anordnung zur Spannungsbegrenzung parallel geschaltet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Zeitschrift »Elektrische Bahnen«, 33 (1962), S.135 bis 137; Zeitschrift »Elektronorm«, 18 (1964), S. 433 bis 438.