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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Schutz eines elektrischen
Antriebssystems, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit einem Gleichstrommotor
mit steuerbarer Drehzahl, dem über einen ersten Thyristor Strom aus einer Gleichspannungsquelle,
insbesondere einer Batterie, zugeführt wird, und mit einem Steuerteil zum vorzugsweise
impulsförmi"en Steuern der Einschaltdauer des ersten Thyristors,@wobei zum Löschen
dieses Thyristors ein zweiter Thyristor und ein Energiespeicher, insbesondere ein
Kondensator, verwendet ist.
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Antriebsvorrichtungen dieser Art arbeiten gewöhnlich mit elektrochemischen
Gleichspannungsquellen, beispielsweise Brennstoffzellen, Silberzinkakkumulatoren
oder Bleiakkumulatoren. Diese Spannungsquellen haben die Eigenschaft, daß bei Belastung
und besonders nach längerer Energieabgabe ihre Ausgangsspannung absinkt. Fällt dabei
diese Spannung unter einen bestimmten Mittelwert ab, so wird der Energiespeicher,
der mit dem zweiten Thyristor zusammenarbeitet, nicht mehr genügend geladen. Es
kann dann vorkommen, daß die Energie dieses Energiespeichers nicht mehr ausreicht,
den Thyristor zu löschen. In diesem Fall kann die Antriebsvorrichtung nicht mehr
stillgesetzt werden. Zusätzlich besteht die Gefahr, daß die Spannungsquelle dann
stark entladen wird und dadurch Schäden erleidet, die nicht wieder rückgängig gemacht
werden können.
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Zur Entladebegrenzung, insbesondere für Stromversorgungseinrichtungen
in Schienenfahrzeugen, ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die beim Unterschreiten
einer bestimmten Mindestspannung der Gleichstromquelle den nachgeschalteten Motor
abschaltet und somit eine überlastung der Gleichspannungsquelle verhindert. Dabei
handelt es sich jedoch um einen einfachen Spannungswächter; eine Drehzahlregelung
des Motor ist damit nicht möglich.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, die ein
elektrisches Antriebssystem der eingangs erwähnten Art vor Folgen von Spannungsabsenkungen,
Überströmen und Schaltspannungsspitzen schützt.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs erwähnten elektrischen
Antriebssystems dadurch erreicht, daß eine Schaltvorrichtung zum selbsttätigen Abschalten
des Steuerteils und damit des Motorstroms beim Absinken der Spannung der Gleichstromquelle
unter einen vorgegebenen Wert vorgesehen ist.
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Um zu verhindern, daß der Thyristor durch hohe Ströme überlastet wird,
hat es sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, die Antriebsvorrichtung
so auszubilden. daß mit dem Thyristor ein temperaturempfindlicher Widerstand
wärmeleitend verbunden ist und daß dieser Widerstand so im spannungsabhängigen Schalter
angeordnet ist, daß dieser bei überschreiten einer bestimmten Temperatur des Thyristors
die Antriebsvorrichtung stillsetzt.
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Um zu verhindern, daß der Thyristor durch beim Reversieren entstehende
Spannungsspitzen zerstört wird, hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, daß
zur Steuerung der Drehrichtung ein Reversierschalter vorgesehen ist und daß der
Spannungsschalter über je eine Diode mit den beiden Polen des Reversierschalters
verbunden ist, so daß in der Nullstellung des Reversierschalters die Antriebsvorrichtung
stillgesetzt wird. Da der Reversierschalter beim Reversieren über seine Nullstellung
geführt werden muß, wird der Thyristor beim Reversieren auf jeden Fall auf Null
zurückaeschaltet. Durch eine geeignete Verzögerungseinrichtung kann man erreichen,
daß in der umgekehrten Drehrichtung erst nach einer gewissen Verzögerung eingeschaltet
werden kann.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen. Es zeigt F i g. 1 die Schaltung einer Antriebsvorrichtung
nach der Erfindung, teilweise nur in schematischer Darstellung, F i g. 2 ein zweites
Ausführungsbeispiel eines spannungsabhängigen Schalters, F i g. 3 und 4 Schaubilder
zum Erläutern der vorhergehenden Figuren und F i g. 5 eine Darstellung eines Thyristors
mit ein-gebautem temperatiirabh'#inL#,i@=en Widc!-stand, teilweise im Schnitt.
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F i g. 1 zeigt einen Gleichstrommotor mit einem Anker 10 und
einer Feldwicklung 11, die mit dem Anker 10 in Serie geschaltet ist,
wobei je nach gewünschter Drehrichtung mit Hilfe von zwei Schaltschützen
12, 13 die Stromdurchflußrichtung durch die Feldwicklung 11 eingestellt werden
kann. Zu diesem Zweck hat das Schaltschütz 12 zwei Kontakte 14, 15 und das
Schaltschütz 13 zwei Kontakte 16, 17, die im stromlosen Zustand - wie dargestellt
- unterbrochen sind. Von den Kontakten 14 und 16 sind jeweils die
einen Pole miteinander und mit dem einen Anschluß der Feldwicklung 11 verbunden.
Ebenso sind von den Kontakten 15 und 17 jeweils die einen Pole miteinander
und mit dem anderen Anschluß der Feldwicklung 11 verbunden.
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Die anderen Pole der Kontakte 15 und 16 sind miteinander
und mit einem Anschluß 18 des Ankers 10
verbunden. Ebenso sind die
anderen Pole der Kontakte 14 und 17 miteinander und mit einem Verbindungspunkt
20 verbunden.
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Der zweite Anschluß 22 des Ankers 10 ist über einen Meßwiderstand
23 und eine im folgenden als Minusleitung bezeichnete Leitung 24 mit dem
Minuspol einer Batterie 25 verbunden, deren Pluspol über einen Hauptschalter 26
an eine Leitung 27 angeschlossen ist, die im folgenden als Plusleitung bezeichnet
wird.
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Die Anode einer Diode 28 ist mit der Minusleitung 24, ihre Kathode
mit dem Verbindungspunkt 20 verbunden. Diese Diode dient dazu, nach Abschalten der
Stromzufuhr zum Motor 10, 11 die an diesem entstehende induktive Spannung
kurzzuschließen und weiterhin einen Strom durch den Motor 10, 11 fließen
zu lassen.
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Zur Steuerung des Stromes durch den Motor 10, 11
dient ein Leistungsthyristor
31, dessen Anode über eine Sicherung 32 an die Plusleitung 27 angeschlossen
ist und dessen Kathode über die eine Wicklungshälfte eines mit einer Mittelanzapfung
versehenen Transformators 33 an den Verbindungspunkt 20 angeschlossen ist. Parallel
zum Thyristor 31 liegt die Serienschaltung eines Widerstandes 34 und
eines Kondensators 35, die zur Verbesserung der Kommutierung dient.
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Der Thyristor 31 hat eine thyratronartige Charakteristik, d.
h., er kann, wenn er einmal leitend ist, nur dadurch gesperrt werden, daß seine
Kathode kurzzeitig positiver wird als seine Anode. Um dies zu erreichen, ist ein
Kondensator 36 vorgesehen, dessen eine
Elektrode mit derAnode des
Thyristors 31 und dessen andere Elektrode mit der Anode eines zweiten Thyristors
37 und der Kathode einer Diode 38 verbunden ist, deren Anode an die andere Wicklungshälfte
des Transformators 33 angeschlossen ist. Die Kathoden der Thvristoren 31 und 37
sind miteinander verbunden. Parallel zum Th@,ristor37 liegt die Serienschalhmc eines
Widerstandes 39 und eines Kondensators 40.@ Zwischen dem Verbindungspunkt 20 und
der Plusleitung 27 ist außerdem ein Kontakt 42 eines t7bcrbriickun#-ysschützes43
angeschlossen, welches mit einem Anschluß mit der Plusleitung 27 verbunden ist.
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Zur Steuerung der Thyristoren 31 und 37 dienen zwei Impulseber 44
und 45, die Impulse von etwa 50 osec Zeitdauer und etwa 4 V Spannung erzeugen, wenn
an ihren Eingang eine entsprechende Steuerspannung gelegt wird. Diese Steuerspannung
wird von einem Steuerteil 46 geliefert, das entweder den einen oder den anderen
Impulsgeber 44 oder 45 einschaltet, niemals jedoch beide Impulsgeber gleichzeitig.
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Der Steuerteil 46 wird mit einem Potentiometer 47 auf einen bestimmten
Strom eingestellt, wobei er je nach Einstellung den Thyristor 31 periodisch verschieden
lang ein- und ausschaltet, wie das in den F i g. 3 und 4 für den Fall eines niederen
und eines hohen Stroms i durch den Motor 10, 11 dargestellt ist. Bei einem
niederen Strom ist der Thyristor kurz eingeschaltet und lange ausgeschaltet (F i
g. 3). Bei einem hohen Strom verhält es sich umgekehrt (F i g. 4). Zur Messung des
Stromes i dient der Meßwiderstand 23. Die Spannung an ihm wird ebenfalls dem Steuerteil
46 zugeführt und dient zur Begrenzung des Stromes i.
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An den Steuerteil 46 ist auch ein elektronischer Schalter 50 angeschlossen,
der das Überbrückungsschütz 43 steuert. Dieses wird erst eingeschaltet, wenn der
Thvristor 31 dauernd oder nahezu dauernd eingeschaltet ist.
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Der eine Anschluß des Potentiometers 47 ist ebenso wie der zweite
Anschluß 22 des Ankers 10 mit Masse verbunden. Sein anderer Anschluß ist
über einen von einem Relais 48 betätigten Kontakt 49 und einen Widerstand 53 mit
einer Leitung 54 verbunden, an die auch die Kathode einer Zenerdiode 55 angeschlossen
ist, deren Anode an Masse liegt. Parallel zur Zenerdiode 55 liegt ein Kondensator
56. Die Leitung 54 ist über einen Widerstand 57, einen Knotenpunkt 58, eine Sicherung
59 und einen Schalter 60 mit der Plusleitung 27 verbunden. Wenn die Schalter 26
und 60 Beschlossen sind, fließt ein Strom über den Widerstand 57 und die Zenerdiode
55, wobei in dieser in bekannter Weise eine konstante Spannung entsteht.
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Zum Überwachen der Spannung zwischen den Leitungen 24 und 27 ist ein
spannungsabhängiger Schalter 63 vorgesehen, der zwei npn-Transistoren 64 und 65
enthält. Der Kollektor des Transistors 65 ist mit dem Relais 48 verbunden, zu dem
eine Diode 66 parallelgeschaltet ist. Der andere Anschluß des Relais 48 ist, zusammen
mit der Kathode der Diode 66, mit dem Knotenpunkt 58 verbunden.
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Der Emitter des Transistors 65 ist an eine Leitung 67 angeschlossen,
die mit den Anoden zweier Dioden 68, 69 verbunden ist. Die Kathode der Diode 68
ist mit dem einen Anschluß des Schaltschützes 13 und einem Pol v eines Reversierschalters
72 verbunden, dessen Schaltarm an der Minusleitung 24 liegt. Ein Pol r des
Reversierschalters 72 ist mit dem einen Anschluß des Schaltschützes 12 und
der Kathode der Diode 69 verbunden. Die anderen Anschlüsse der Schaltschütze 12
und 13 stehen jeweils mit der Plusleitung 27 in Verbindung.
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Die Basis des Transistors 65 ist mit der Anode einer Zenerdiode 73
und, über einen Widerstand 74, mit der Leitung 67 verbunden. Die Kathode der Zenerdiode
73 ist mit dem Abgriff eines Potentiometers 75 verbunden, das mit seinem einen Anschluß
an die Leitung 67 und mit seinem anderen Anschluß an den Kollektor des Transistors
64 angeschlossen ist, der seinerseits über einen Widerstand 76 mit dem Knotenpunkt
58 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 64 ist über einen Gegenkopplungswiderstand
77 mit der Leitung 67 verbunden. Die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
64 liegt also in einem Parallelkreis zu einem Teilwiderstand 75 des an der
Gleichspannungsquelle 12 liegenden Spannungsteilers 75,76.
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Die Basis des Transistors 64 liegt am Verbindungspunkt 78 eines
temperaturstabilen Widerstands 79 und eines Kaltleiterwiderstands 82, welche
letzterer an die Leitung 67 angeschlossen ist, während der Widerstand
79 an die Leitung 54, also die konstante Spannung der Zenerdiode 55
angeschlossen ist.
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Der Kaltleiterwiderstand 82 ist, wie in F i g. 5 dargestellt, im Gehäuse
des Thyristors 31 angeordnet, so daß er mit diesem in unmittelbarer, wärmeleitender
Verbindung steht.
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Die beschriebene Antriebsvorrichtung arbeitet wie folgt: Nach Schließen
des Hauptschalters 26 und des Schalters 60 wird der Reversierschalter 72 entweder
auf v (Vorwärts) oder r (Rückwärts) gestellt, so daß entweder das Schaltschütz
12 oder das Schaltschütz 13 schließt. Dabei erhält der spannungsabhängige
Schalter entweder über die Diode 68 oder die Diode 69 Spannung. Der Abgriff des
Potentiometers 75 ist so eingestellt, daß bei normaler Betriebsspannung der Batterie
25 die Zenerdiode 73 leitend ist und damit auch der Transistor 65 in seinem
leitenden Zustand sich befindet und das Relais 48 den Kontakt 49
schließt.
Das Potentiometer 47 erhält also Strom.
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Am Potentiometer 47 wird nun der gewünschte Strom im Motor
10, 11 eingestellt, und der Steuerteil 46 schaltet zunächst den Impulsgeber
44 ein, wodurch der Thyristor 31 leitend wird und Strom im Motor
10, 11 fließt. Gleichzeitig wird - über den Transformator 33 - der Kondensator
36 in der durch die Zeichen + und - dargestellten Weise aufgeladen.
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Nach einer bestimmten Zeit wird durch den Steuerteil 46 der
Impulsgeber 44 aus- und der Impulsgeber 45 eingeschaltet, so daß der zweite
Thyristor 37
leitend wird. Dabei fließt ein Strom vom Kondensator 36 über
den zweiten Thyristor 37 und den Thyristor 31 und löscht den Thyristor 31.
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Nach einer Pause wiederholt sich dann das beschriebene Schaltspiel.
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Bei hohen Strömen und gleichzeitiger hoher Außentemperatur, z. B.
an heißen Sommertagen, kann es geschehen, daß der Thyristor 31 zu heiß wird, wodurch
die Gefahr seiner Zerstörung heraufbeschworen wird. In diesem Fall wird auch der
Kaltleiterwiderstand 82 (PTC-Widerstand) heiß, und dadurch erhöht sich sein Widerstandswert,
so daß die Spannung zwischen dem Verbindungspunkt 78 und der Leitung 67 größer
wird. Entsprechend wird der zuvor gesperrte Transistor 64 leitend und schaltet
den Widerstand 77 parallel zum Potentiometer 75. Dies
vermindert
die Spannung zwischen dem Abgriff des Potentiometers 75 und der Leitung 67, so daß
ab einer gewissen Temperatur die Zenerdiode 73 aufhört zu leiten, der Transistor
65 keinen Basisstrom mehr erhält und der Kontakt 49 durch das jetzt stromlose
Relais 48 geöffnet wird.
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Dadurch erhält der Steuerteil keine Eingangsspannung mehr und schaltet
den Impulsgeber 45 ein, wodurch der Thyristor 31 gesperrt wird. Diese Sperrung wird
erst dann automatisch wieder aufgehoben, wenn sich der Thyristor 31 genügend abgekühlt
hat.
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Auch wenn die Spannung an der Batterie 25 zu stark absinkt, wird die
Spanung an der Zenerdiode 73 so klein, daß sie sperrt und ebenfalls der Kontakt
49
geöffnet wird. Dadurch wird verhindert, daß bei weiterem Absinken der Spannung
die Batterie 25 beschädigt wird oder der Kondensator 36 nur noch auf eine derart
niedrige Spannung aufgeladen wird, daß er den Thyristor 31 nicht mehr zu sperren
vermag. Letzteres würde z. B. bei einem Fahrzeugantrieb bedeuten, daß das Fahrzeug
nicht mehr angehalten werden könnte. Durch die Erfindung wird dies verhindert.
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Auch beim Umschalten des Reversierschalters 72
von 1, auf r
oder umgekehrt wird beim Durchgang durch die Nullstellung die Verbindung zur Leitung
67 unterbrochen, wobei ebenfalls der Kontakt 49 geöffnet und der Strom durch
den Thyristor 31 unterbrochen wird. Dadurch wird erreicht, daß die Schaltschütze
12 oder 13 nicht unter Strom schalten.
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F i g. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des spannungsabhängigen
Schalters, der hier mit 63' bezeichnet ist. Er kann statt des Schalters 63 in F
i g. 1 verwendet werden. Sein Aufbau stimmt teilweise mit dem des Schalters 63 überein.
Für gleiche oder gleichwirkende Teile werden deshalb die gleichen Bezugszeichen
verwendet wie in F i g. 1. Diese Teile werden nicht nochmals beschrieben.
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Der Verbindungspunkt der Widerstände 75 und 76 ist hier mit der Anode
einer Diode 83 verbunden, deren Kathode über einen Widerstand 84 mit
der Leitung 67 und über die Serienschaltung des Kaltleiterwiderstands 82 und des
Widerstands 79 mit der Leitung 54 verbunden ist.
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Bei normalen Temperaturen und normalen Spannungen der Batterie
25 ist die Zenerdiode 73 leitend und das Relais 48 schließt
den Kontakt 49 (F i g. 1). Sinkt die Betriebsspannung unter einen bestimmten
Wert, der am Potentiometer 75 eingestellt werden kann, so sperrt die Zenerdiode
73, der Schalter 49 öffnet, und der Motor 10,11 wird stillgesetzt.
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Bei normaler Betriebsspannung und zu hohen Temperaturen am Thyristor
31 und damit am Kaltleiterwiderstand 82 sinkt die Spannung am Widerstand
84, da der Widerstand des Kaltleiterwiderstands 82 (PTC-Widerstand) stark angestiegen
ist. Dadurch wird die bisher gesperrte Diode 83 leitend und schaltet den
Widerstand 84 parallel zum Potentiometer 75,
so daß die Spannung am
letzteren absinkt und die Zenerdiode 73 sperrt. Hierdurch wird ebenfalls, wie oben
beschrieben, der Motor 10, 11 so lange stillgesetzt, bis die Temperatur am
Thyristor 31 wieder genügend gefallen ist.
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Die Erfindung bietet also in vorteilhafter Weise eine Kombination
eines Schutzes gegen Unterspannung und eines Schutzes gegen Übertemperatur am Thyristor
31. Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit der Antriebsvorrichtung beträchtlich
erhöht und sichergestellt, daß auch bei unvernünftiger Bedienung die Antriebsvorrichtung
geschützt ist.