DE1513609C - Anordnung zum Schutz eines elektn sehen Antnebssystems - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung ristor beim Reversieren auf jeden Fall auf Null zuzum Schutz eines elektrischen Antriebssystems, ins- rückgeschaltet. Durch eine geeignete Verzögerungsbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit einem Gleich- einrichtung kann man erreichen, daß in der umgestrommotor mit steuerbarer Drehzahl, dem über einen kehrten Drehrichtung erst nach einer gewissen Verersten Thyristor Strom aus einer Gleichspannungs- 5 zögerung eingeschaltet werden kann,
quelle, insbesondere einer Batterie, zugeführt wird, Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbil- und mit einem Steuerteil zum vorzugsweise impuls- düngen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenförmigen Steuern der Einschaltdauer des ersten Thyri- den beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten stors, wobei zum Löschen dieses Thyristors ein zwei- Ausführungsbeispielen. Es zeigt
ter Thyristor und ein Energiespeicher, insbesondere io Fig. 1 die Schaltung einer Antriebsvorrichtung ein Kondensator, venvendet ist. nach der Erfindung, teilweise nur in schematischer

Antriebsvorrichtungen dieser Art arbeiten gewöhn- Darstellung,

lieh mit elektrochemischen Gleichspannungsquellen, F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines span-

beispielsweise Brennstoffzellen, Silberzinkakkumula- nungsabhängigen Schalters,

toren oder Bleiakkumulatoren. Diese Spannungs- 15 F i g. 3 und 4 Schaubilder zum Erläutern der vorquellen haben die Eigenschaft, daß bei Belastung und hergehenden Figuren und

besonders nach längerer Energieabgabe ihre Aus- F i g. 5 eine Darstellung eines Thyristors mit eingangsspannung absinkt. Fällt dabei diese Spannung gebautem temperaturabhängigen Widerstand, teilunter einen bestimmten Mittelwert ab, so wird der weise im Schnitt.

Energiespeicher, der mit dem zweiten Thyristor zu- 20 F i g. 1 zeigt einen Gleichstrommotor mit einem sammenarbeitet, nicht mehr genügend geladen. Es Anker 10 und einer Feldwicklung 11, die mit dem kann dann vorkommen, daß die Energie dieses Ener- Anker 10 in Serie geschaltet ist, wobei je nach gegiespeichers nicht mehr ausreicht, den Thyristor zu wiinschter Drehrichtung mit Hilfe von zwei Schaltlöschen. In diesem Fall kann die Antriebsvorrichtung schützen 12,13 die Stromdurchflußrichtung durch nicht mehr stillgesetzt werden. Zusätzlich besteht die 25 die Feldwicklung 11 eingestellt werden kann. Zu die-Gefahr, daß die Spannungsquelle dann stark entladen sem Zweck hat das Schaltschütz 12 zwei Kontakte wird und dadurch Schäden erleidet, die nicht wieder 14,15 und das Schaltschütz 13 zwei Kontakte 16,17, rückgängig gemacht werden können. die im stromlosen Zustand — wie dargestellt -— un-

Zur Entladebegrcnzung, insbesondere für Strom- terbrochen sind. Von den Kontakten 14 und 16 sind Versorgungseinrichtungen in Schienenfahrzeugen, ist 3° jeweils die einen Pole miteinander und mit dem eine Schaltungsanordnung bekannt, die beim Unter- einen Anschluß der Feldwicklung 11 verbunden, schreiten einer bestimmten Mindestspannung der Ebenso sind von den Kontakten 15 und 17 jeweils Gleichstromquelle den nachgeschalteten Motor ab- die einen Pole miteinander und mit dem anderen Anschaltet und somit eine Überlastung der Gleichspan- schluß der Feldwicklung 11 verbunden,
nungsquelle verhindert. Dabei handelt es sich jedoch 35 Die anderen Pole der Kontakte 15 und 16 sind mitum einen einfachen Spannungswächter; eine Dreh- einander und mit einem Anschluß 18 des Ankers 10 zahlregelung des Motor ist damit nicht möglich. verbunden. Ebenso sind die anderen Pole der Kon-

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu takte 14 und 17 miteinander und mit einem Verbin-

schaffen, die ein elektrisches Antriebssystem der ein- dungspunkt 20 verbunden.

gangs erwähnten Art vor Folgen von Spannungsab- 40 Der zweite Anschluß 22 des Ankers 10 ist über Senkungen, Überströmen und Schaltspannungsspitzen einen Meßwiderstand 23 und eine im folgenden als schützt. Minusleitung bezeichnete Leitung 24 mit dem Minus-Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs er- pol einer Batterie 25 verbunden, deren Pluspol über wähnten elektrischen Antriebssystems dadurch er- einen Hauptschalter 26 an eine Leitung 27 angereicht, daß eine Schaltvorrichtung zum selbsttätigen 45 schlossen ist, die im folgenden als Plusleitung bezeich-Abschalten des Steuerteils und damit des Motor- net wird.

Stroms beim Absinken der Spannung der Gleich- Die Anode einer Diode 28 ist mit der Minusleitung Stromquelle unter einen vorgegebenen Wert vorge- 24, ihre Kathode mit dem Verbindungspunkt 20 versehen ist. bunden. Diese Diode dient dazu, nach Abschalten der

Um zu verhindern, daß der Thyristor durch hohe 5° Stromzufuhr zum Motor 10,11 die an diesem entste-

Ströme überlastet wird, hat es sich weiterhin als vor- hende induktive Spannung kurzzuschließen und wei-

teilhaft erwiesen, die Antriebsvorrichtung so auszu- terhin einen Strom durch den Motor 10,11 fließen zu

bilden, daß mit dem Thyristor ein temperaturempfind- lassen.

licher Widerstand wärmeleitend verbunden ist und Zur Steuerung des Stromes durch den Motor 10,11

daß dieser Widerstand so im spannungsabhängigen 55 dient ein Leistungsthyristor 31, dessen Anode über

Schalter angeordnet ist, daß dieser bei Überschreiten eine Sicherung 32 an die Plusleitung 27 angeschlossen

einer bestimmten Temperatur des Thyristors die An- ist und dessen Kathode über die eine Wicklungshälfte

triebsvorrichtung stillsetzt. eines mit einer Mittelanzapfung versehenen Trans-

Um zu verhindern, daß der Thyristor durch beim formators 33 an den Verbindungspunkt 20 ange-

Reversieren entstehende Spannungsspitzen zerstört ⁶° schlossen ist. Parallel zum Thyristor 31 liegt die

wird, hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, daß Serienschaltung eines Widerstandes 34 und eines

zur Steuerung der Drehrichtung ein Reversierschalter Kondensators 35, die zur Verbesserung der Kommu-

vorgesehen ist und daß der Spannungsschalter über je tierung dient.

eine Diode mit den beiden Polen des Reversierschal- Der Thyristor 31 hat eine thyratronartige Charakters verbunden ist, so daß in der Nullstellung des 65 teristik, d. h., er kann, wenn er einmal leitend ist, nur Reversierschalters die Antriebsvorrichtung stillgesetzt dadurch gesperrt werden, daß seine Kathode kurzwird. Da der Reversierschalter beim Reversieren über zeitig positiver wird als seine Anode. Um dies zu erreiseine Nullstellung geführt werden muß, wird der Thy- chen, ist ein Kondensator 36 vorgesehen, dessen eine

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Elektrode mit der Anode des Thyristors 31 und dessen Schluß des Schaltschützes 12 und der Kathode der andere Elektrode mit der Anode eines zweiten Thyri- Diode 69 verbunden. Die anderen Anschlüsse der stors 37 und der Kathode einer Diode 38 verbunden Schaltschütze 12 und 13 stehen jeweils mit der Plusist, deren Anode an die andere Wicklungshälfte des leitung 27 in Verbindung.

Transformators 33 angeschlossen ist. Die Kathoden 5 Die Basis des Transistors 65 ist mit der Anode einer

der Thyristoren 31 und 37 sind miteinander verbun- Zenerdiode 73 und, über einen Widerstand 74, mit

den. Parallel zum Thyristor 37 liegt die Serienschal- der Leitung 67 verbunden. Die Kathode der Zener-

tung eines Widerstandes 39 und eines Kondensators diode 73 ist mit dem Abgriff eines Potentiometers 75

40. Zwischen dem Verbindungspunkt 20 und der verbunden, das mit seinem einen Anschluß an die

Plusleitung 27 ist außerdem ein Kontakt 42 eines io Leitung 67 und mit seinem anderen Anschluß an den

Überbrückungsschützes 43 angeschlossen, welches mit Kollektor des Transistors 64 angeschlossen ist, der

einem Anschluß mit der Plusleitung 27 verbunden ist. seinerseits über einen Widerstand 76 mit dem Knoten-

Zur Steuerung der Thyristoren 31 und 37 dienen punkt 58 verbunden ist. Der Emitter des Transistors zwei Impulsgeber 44 und 45, die Impulse von etwa 64 ist über einen Gegenkopplungswiderstand 77 mit 50 ,«see Zeitdauer und etwa 4 V Spannung erzeugen, 15 der Leitung 67 verbunden. Die Emitter-Kollektorwenn an ihren Eingang eine entsprechende Steuer- Strecke des Transistors 64 liegt also in einem Parspannung gelegt wird. Diese Steuerspannung wird von allelkreis zu einem Teilwiderstand 75 des an der einem Steuerteil 46 geliefert, das entweder den einen Gleichspannungsquelle 12 liegenden Spannungsteilers oder den anderen Impulsgeber 44 oder 45 einschaltet, 75, 76.
niemals jedoch beide Impulsgeber gleichzeitig. 20 Die Basis des Transistors 64 liegt am Verbindungs-

Der Steuerteil 46 wird mit einem Potentiometer 47 punkt 78 eines temperaturstabilen Widerstands 79 auf einen bestimmten Strom eingestellt, wobei er je und eines Kaltleiterwiderstands 82, welche letzterer nach Einstellung den Thyristor 31 periodisch ver- an die Leitung 67 angeschlossen ist, während der schieden lang ein- und ausschaltet, wie das in den Widerstand 79 an die Leitung 54, also die konstante F i g. 3 und 4 für den Fall eines niederen und eines 25 Spannung der Zenerdiode 55 angeschlossen ist.
hohen Stroms i durch den Motor 10,11 dargestellt Der Kaltleiterwiderstand 82 ist, wie in F i g. 5 darist. Bei einem niederen Strom ist der Thyristor kurz gestellt, im Gehäuse des Thyristors 31 angeordnet, so eingeschaltet und lange ausgeschaltet (F i g. 3). Bei daß er mit diesem in unmittelbarer, wärmeleitender einem hohen Strom verhält es sich umgekehrt Verbindung steht.

(F i g. 4). Zur Messung des Stromes i dient der Meß- 3° Die beschriebene Antriebsvorrichtung arbeitet wie

widerstand 23. Die Spannung an ihm wird ebenfalls folgt: Nach Schließen des Hauptschalters 26 und des

dem Steuerteil 46 zugeführt und dient zur Begren- Schalters 60 wird der Reversierschalter 72 entweder

zung des Stromes i. auf ν (Vorwärts) oder r (Rückwärts) gestellt, so daß

An den Steuerteil 46 ist auch ein elektronischer entweder das Schaltschütz 12 oder das Schaltschütz

Schalter 50 angeschlossen, der das Überbrückungs- 35 13 schließt. Dabei erhält der spannungsabhängige

schütz 43 steuert. Dieses wird erst eingeschaltet, wenn Schalter entweder über die Diode 68 oder die Diode

der Thyristor 31 dauernd oder nahezu dauernd ein- 69 Spannung. Der Abgriff des Potentiometers 75 ist

geschaltet ist. so eingestellt, daß bei normaler Betriebsspannung der

Der eine Anschluß des Potentiometers 47 ist eben- Batterie 25 die Zenerdiode 73 leitend ist und damit so wie der zweite Anschluß 22 des Ankers 10 mit 40 auch der Transistor 65 in seinem leitenden Zustand Masse verbunden. Sein anderer Anschluß ist über sich befindet und das Relais 48 den Kontakt 49 einen von einem Relais 48 betätigten Kontakt 49 und schließt. Das Potentiometer 47 erhält also Strom,
einen Widerstand 53 mit einer Leitung 54 verbunden, Am Potentiometer 47 wird nun der gewünschte an die auch die Kathode einer Zenerdiode 55 ange- Strom im Motor 10,11 eingestellt, und der Steuerteil schlossen ist, deren Anode an Masse liegt. Parallel 45 46 schaltet zunächst den Impulsgeber 44 ein, wodurch zur Zenerdiode 55 liegt ein Kondensator 56. Die Lei- der Thyristor 31 leitend wird und Strom im Motor tung 54 ist über einen Widerstand 57, einen Knoten- 10,11 fließt. Gleichzeitig wird — über den Transforpunkt 58, eine Sicherung 59 und einen Schalter 60 mator 33 — der Kondensator 36 in der durch die mit der Plusleitung 27 verbunden. Wenn die Schalter Zeichen + und — dargestellten Weise aufgeladen. 26 und 60 geschlossen sind, fließt ein Strom über den 50 Nach einer bestimmten Zeit wird durch den Steuer-Widerstand 57 und die Zenerdiode 55, wobei in die- teil 46 der Impulsgeber 44 aus- und der Impulsgeber ser in bekannter Weise eine konstante Spannung ent- 45 eingeschaltet, so daß der zweite Thyristor 37 steht. leitend wird. Dabei fließt ein Strom vom Kondensator

Zum Überwachen der Spannung zwischen den Lei- 36 über den zweiten Thyristor 37 und den Thyristor tungen 24 und 27 ist ein spannungsabhängiger Schal- 55 31 und löscht den Thyristor 31.

ter 63 vorgesehen, der zwei npn-Transistoren 64 und Nach einer Pause wiederholt sich dann das be-

65 enthält. Der Kollektor des Transistors 65 ist mit schriebene Schaltspiel.

dem Relais 48 verbunden, zu dem eine Diode 66 par- Bei hohen Strömen und gleichzeitiger hoher

allelgeschaltet ist. Der andere Anschluß des Relais 48 Außentemperatur, z. B. an heißen Sommertagen, ist, zusammen mit der Kathode der Diode 66, mit dem 60 kann es geschehen, daß der Thyristor 31 zu heiß

Knotenpunkt 58 verbunden. wird, wodurch die Gefahr seiner Zerstörung herauf-

Der Emitter des Transistors 65 ist an eine Leitung beschworen wird. In diesem Fall wird auch der KaIt-

67 angeschlossen, die mit den Anoden zweier Dioden leiterwiderstand 82 (PTC-Widerstand) heiß, und da-

68, 69 verbunden ist. Die Kathode der Diode 68 ist durch erhöht sich sein Widerstandswert, so daß die mit dem einen Anschluß des Schaltschützes 13 und 65 Spannung zwischen dem Verbindungspunkt 78 und

einem PoIv eines Reversierschalters 72 verbunden, der Leitung 67 größer wird. Entsprechend wird der

dessen Schaltarm an der Minusleitung 24 liegt. Ein zuvor gesperrte Transistor 64 leitend und schaltet den

Pol r des Reversierschalters 72 ist mit dem einen An- 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.

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.

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.

Auch beim Umschalten des Reversierschalters 72 von ν 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.

Fig. 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 Fig. 1. Diese Teile werden nicht nochmals beschrieben.

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.

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.

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.

Die Erfindung bietet also in vorteilhafter Weise eine Kombination eines Schutzes gegen Unterspannung und eines Schutzes gegen Obertemperatur am Thyristor 31. Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit der Antriebsvorrichtung beträchtlich erhöht und sichergestellt, daß auch bei unvernünftiger Bedienung die Antriebsvorrichtung geschützt ist.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. 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 impulsförmigen Steuern der Einschaltdauer des ersten Thyristors, wobei zum Löschen dieses Thyristors ein zweiter Thyristor und ein Energiespeicher, insbesondere ein Kondensator, verwendet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltvorrichtung (63; 63') zum selbsttätigen Abschalten des Steuerteils (46) und damit des Motorstroms beim Absinken der Spannung der Gleichspannungsquelle (25) unter einen vorgegebenen Wert vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (63; 63') Transistoren (64, 65) und eine Zenerdiode (73) enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung einen an der Gleichspannungsquelle (25) liegenden Spannungsteiler (75, 76) mit einen Abgriff enthält, daß die Zenerdiode (73) an diesen Spannungsteiler angeschlossen ist und daß die Schaltstellung der Schaltvorrichtung (63; 63') von der Leitfähigkeit der als Referenzdiode betriebenen Zenerdiode (73) abhängig ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem ersten Thyristor (31) ein temperaturempfindlicher Widerstand (82) wärmeleitend verbunden ist und daß dieser Widerstand in der Schaltvorrichtung (63; 63') zum selbsttätigen Abschalten des Steuerteils (46) und damit des Motorstroms beim Überschreiten eines vorgegebenen Werts der Gehäusetemperatur des ersten Thyristors (31) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturempfindliche Widerstand als Kaltleiter (PTC-Widerstand 82) ausgebildet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturempfindliche Widerstand (82) in Serie mit einem temperaturabhängigen Widerstand (79, 84) an einer im wesentlichen konstanten Spannung liegt und daß ein Verbindungspunkt dieser Widerstände (79, 82, 84) über eine Diode (83) mit einem Abgriff des an der Gleichspannungsquelle (25) liegenden Spannungsteilers (75, 76) verbunden ist und daß somit bei hohen Werten der Gehäusetemperatur der erste Thyristor (31) stromleitend und die der Zenerdiode (73) zugeführte Spannung verringert ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturempfindliche Widerstand (82) in Serie mit einem temperaturunabhängigen Widerstand (79) an einer im wesentlichen konstanten Spannung liegt und daß an den Verbindungspunkt (78) die-

ser Widerstände (79, 82) die Basis eines Transistors (64) angeschlossen ist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke in einem Parallelkreis zu einem Teilwiderstand (75) des an der Gleichspannungsquelle (25) liegenden Spannungsteilers (75, 76) angeordnet und daß somit bei hohen Werten der Gehäusetemperatur des ersten Thyristors (31) die der Zenerdiode (73) zugeführte Spannung verringert ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des Gleichstrommotors (10, 11) in an sich bekannter Weise umkehrbar ist, daß zur Steuerung der Drehrichtung ein Reversierschalter (72) vorgesehen ist, daß die Schaltvorrichtung (63; 63') über je eine Diode (68, 69) mit den beiden Arbeitskontakten (v, r) des Reversierschalters verbunden ist und daß in der Nullstellung des Reversierschalters die Antriebsvorrichtung stillgesetzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 009 541/138