DE1563987A1

DE1563987A1 - Arrangement for supplying DC motors with variable voltage, the energy of which is taken from a constant DC voltage source, in particular for electrical railway operation

Info

Publication number: DE1563987A1
Application number: DE19671563987
Authority: DE
Inventors: Lorenzo Dr-Ing Lanzavecchia
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1966-02-10
Filing date: 1967-02-03
Publication date: 1972-02-17
Also published as: DE1563987B2

Description

Anordnung zur Speisung von Gleichstrommotoren mit verän- derlicher Spannung, deren Energie aus einer konstanten Gleichspannungsguelle abgenommen wird, insbesondere für elektrischen Bahnbetrieb Wie bekannt, werden Eisenbahn- und Strass nbahnnetze mit konstantem Gleichstrom gespeist, bei dene zum Anfahren und zur Drehzahl-Regelung der Motoren kom lizierte und teuere Apparaturen, die keine volle Ausnützung der Eigenschaften der Motoren gestatten, erforderlich sind. Arrangement for supplying direct current motors with variable voltage, whose energy is taken from a constant direct voltage source , especially for electrical rail operation As is known, railway and tram networks are supplied with constant direct current, which are used to start up and regulate the speed of the motors Licensed and expensive equipment, which do not allow full use of the properties of the engines, are required.

Um die Vorteile, die die Speisung der Fahrmotoren mit einer geregelten veränderlichen Spannung bietet, ausnützen zu können, hat man zwischen Speisequelle und Fahrmotoren Transformatoren für die Gleichspannung eingeschaltet, welche entweder-auf der Umwandlung durch einen Wechselspanriungszwischenatromkreis oder auf dem Prinzip der periodischen elektronischen Schalter (die sogenannten "Chopper") mit ge- steuerten Halbleiterelementen (Thyristoren) beruhen. Die- ses System besitzt eine»eal --# 4@t: vcr-z@-i=, nass es keinen Wechselspannungszwischenstromkreis erfordert, aber es besitzt andererseits den Nachteil, dass die Spannungsbeenspruchung der Thyristoren beim Schalten zu hoch ist, besonders-wenn es sIoh .um Elemente handelt, welche mit höheren Spannungen gespeist werden, z,8. 3:000 Y, wie in den Netzen der italienischen Staats- bahnen und in Bahnen anderer Länder, so dass sie, wen .keine b-;eeigneten--Masanahmen getroffen werden, zu reichlich und kast- ,::pielig beeg$sen werden müssten. Auch die zum Betrieb der An- ordnung notwendigen Drosselspulen der Filter sind teuer und zwar umso mehr, je kleiner die Schaltfrequenz ist. Infolgedes- sen sollte die Schalth)Lütigkeit der'periodi,sohen elektronischen Schalter soweit wie möglich erhöht werden; aber such dadurch entstehen Schwitrigheiten, welche geeignete Massnahmen erfordern... Die vorlItgtndt Erfindung bezieht sich auf ein Speiaungsayatem mix Yarrlicher Spannurß tUr @31ei@Chtxratore, mit Ensrgle- abhahme v'on. einer koastagten ßleichspannungsquelle, .@n@hx.. atarerk als- perio&isch wirkender) elektronischen Schaltern, das- die tieherwlndurtg der obengenannten Schwierigkettent durch ein- #athe und verhältnIsmltasig billige j4ittel gestattet. Diene Anordnung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass jeder Motor von einer Mehrzahl von Zweigen in Parallel- acheltung gespeitt wird, von denen jeder mindestens einen Thy- ristor enthält,, die gegenseitig phasenverschoben amündet werden, und dass in jedem Zweig während der Zündung den Thyristorß mit den Thyriatoren ein Transrormator in Reihe liegt, dem ein kondesnator parallel liegt, und dass parallel zu der.Reihen- achaltung von und den T#iyristoren ein weit:rer Kondensator parallel liegt Und dass zwischen dem Löschkondensa- tor und dem Transformator ein weiterer Thyristor vorgesehen 4,, durch dessen Zündung die Löschung-eingeleitet wird: Diese und andere Kennzeichen. der Erfindung werden besser anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben, in welchercä's vereinfach- te elektrische Schaltbild eimes ,AusfUhrungzbeispiels dargestellt. ist,_ für den Fall der Speisung des Motors über vier-parallelge- schaltete Zweige-. _ Mit 1 ist einer der Fahrmotoren einer elektrischen Lokomotive mit seiner Serienfeldwicklung, 2 bezeichnet,-mit 3 der Feldum- schalter für die Umkehrung der Fahrrichtung. Die Speisung erfolgt aus der Fahrleitung 4 mit konstanter Gleich- spannurig über den Schnellschalter 5 und den aus der Seriedrosad"._- spule 15 und dem Parallelkondensator 16.-gebildeten gilter. `hie Gleichspannungß 'fransformateranordnung besteht -aus vier Zwei= gen 1f Parallelschaltung, -t116 eitbe-zelehtiet eind-,Und von welchen jeder e ine -.$,e ihe von - Thyris Loren 6 entheb, -deren Anzahl dem Wert der Speiseapannung angepasst ist.. In Reihe zu den Thyristoren Ist ein Transformator- 12 in Luft oder alt- Sf- senkern und Luftspalt,. sowie eine Drosselspule-13 geschaltet.. -Die Thyristoren werden phasenverschoben gezündet. In jedem-Zweig ist ein Kondensator 1E? der Reibe von Thyri- storen 6, Tränsformabr 12 parallel geschaltet. Ausserdem liegt eine Diode 9 zur Reime Spule 13, Motdr 1 parallel. An den Transformator 12 mit einstellbarer Anzapfung ist über eine Diode 8 der Löschkondentator 11 angeschlossen, der in Reihe mit einer sättigbaren Spule 12 liegt. Zwischen dem Verbindungspunkt dieser Diode 8 und dem Kondensator 11 und. einer weiteren Anzapfung des Transformators 12 befindet sich ein weiterer Thyristor 7 entgegengesetzt geschaltet wie die Diode B. Der Stromkreis fUr die Zündung jedes Thyristors 6 besteht aus einem Isoliertransformator 17 mit Diode 18, derjenige für den Thyristor 7 aus Einem Isoliertransformator 19 und der Diode 20. Mit der Sekundärseite des Transformators 12 ist über die Diode 8' eine Einrichtung ?1, zum Beispiel eine Akkumulatorenbatterie, verbunden, welche Energie aufnehmen kann, wobei die Spannung konstant gehalten wird. In einer Variante kann artatt der Sekundärseite des Transformators 12 mit Diode 8' und Batterie 21 eine Diode 22 parallel zur Reihe Transformator 12, Spule 13 und Fahrmotor 1,2 (gestrichelt) geschaltet werden.In order to be able to use the advantages that the supply of the traction motors with a regulated variable voltage offers, transformers for the direct voltage have been switched between the supply source and traction motors, which either - on the conversion by an alternating voltage intermediate circuit or on the principle of the periodic electronic switch ( the so-called "chopper") with overall controlled semiconductor elements (thyristors) are based. The- This system has a »eal - # 4 @ t: vcr-z @ -i =, don't wet it AC voltage intermediate circuit requires but owns on the other hand, the disadvantage that the stress of the Thyristors when switching is too high, especially-when it sIoh .It is elements that are fed with higher voltages be, z, 8. 3: 000 Y, as in the networks of the Italian state railways and in railways of other countries, so that they, whom .no b-; suitable - measures are taken, too abundant and cast- , :: would have to be feasted. Also the operation of the The necessary choke coils of the filters are expensive and the lower the switching frequency, the more so. As a result- The switching liquidity of the period, so to be electronic Counters are increased as much as possible; but seek through it difficulties arise which require suitable measures ... The present invention relates to a feeding ayatem mix Yarrlicher Spannurß tUr @ 31ei @ Chtxratore, with Ensrgle- decrease of. a coasted DC voltage source,. @ n @ hx .. atarerk als- perio & isch acting) electronic switches, that- the deepening of the above-mentioned difficult chain by # ath e and relatively cheap drugs permitted. According to the invention, this arrangement is characterized in that that each motor has a plurality of branches in parallel acheltung, each of which has at least one thyroid ristor contains, which are ignited mutually out of phase, and that in each branch during the ignition the thyristor with the thyriators a Transrormator is in series, the one capacitor is parallel, and that parallel to the series activation of and the T #i yristors a far: rer Capacitor is parallel and that between the quenching condenser tor and the transformer another thyristor provided 4 ,, by the ignition of which the extinguishing is initiated: These and other characteristics. of the invention will be better understood described in the accompanying drawing, in which cä's simplified The electrical circuit diagram is shown in an exemplary embodiment. is, _ in the event that the motor is supplied via four parallel switched branches-. _ 1 is one of the traction motors of an electric locomotive with its series field winding, labeled 2, -with 3 the field surrounding- switch for reversing the direction of travel. The feed comes from the contact line 4 with constant constant energized via the quick switch 5 and the one from the series "._- coil 15 and the parallel capacitor 16.-formed gilter. `` hie DC voltage '' fransformater arrangement consists of four two = gen 1f parallel connection, -t116 eitbe-zelehtiet ein-, and from which each one -. $, before ihe from - Thyris Loren 6, Number is adapted to the value of the supply voltage .. In series to the thyristors Is a transformer- 12 in air or old- Sf- countersink and air gap ,. as well as a choke coil-13 switched .. -The thyristors are triggered out of phase. In each branch there is a capacitor 1E? the grater of Thyri- storen 6, Tränsformabr 12 connected in parallel. Besides that a diode 9 is parallel to the Reime coil 13, Motdr 1. On the transformer 12 with adjustable tap is The quenching capacitor 11, which is in series with a saturable coil 12, is connected via a diode 8. Between the junction of this diode 8 and the capacitor 11 and. Another tap of the transformer 12 is another thyristor 7 connected in the opposite direction to the diode B. The circuit for the ignition of each thyristor 6 consists of an insulating transformer 17 with diode 18, that for the thyristor 7 consists of an insulating transformer 19 and the diode 20. to the secondary side of the transformer 12 is connected via the diode 8 'means? 1, for example a storage battery, is connected, which can absorb energy, the voltage is kept constant. In a variant, instead of the secondary side of the transformer 12 with diode 8 'and battery 21, a diode 22 can be connected in parallel to the series of transformer 12, coil 13 and traction motor 1, 2 (dashed lines).

Die Anordnung arbeitet wie folgt: die FahrleitungaspannÜng wirä dem Motor in Form von Spannungsimpulsen bestifmter Frequenz und veränderlicher Dauer (oder veränderlicher Frequenz und Dauer), geglättet durch die Induktanz der Spule 13, zugeführt. Durch ein elektronisches Steuer- und Regelungssystem, welches nicht dargestellt und an sich bekennt ist,, wird in "a" den Thyristoren 6 ein Zündimpuls gegeben, welchem denn nach einer veränderlichen Dauer, aber innerhalb der Periode der ausgewählten Frequenz, ein Impuls in "b" folgt, dei durch den Thyristor 7 die Sperrung der Thyristoren 6 bewirkt. Diese Zündimpulse $ sind in den Zweigen A,B,C,D phasenverschoben, so dass auch die Durchlasszeit der jeweiligen Thyristoren phasenverschoben ist.The arrangement works as follows: the catenary voltage is supplied to the motor in the form of voltage pulses determined by frequency and variable duration (or variable frequency and duration), smoothed by the inductance of coil 13. By an electronic control and regulation system, which is not shown and is known per se, an ignition pulse is given to the thyristors 6 in "a", which then after a variable duration, but within the period of the selected frequency, a pulse in "b "follows, which causes the thyristors 6 to be blocked by the thyristor 7. These ignition pulses $ are phase-shifted in branches A, B, C, D, so that the conduction time of the respective thyristors is also phase-shifted.

Bei der Zündung der Thyristoren 6 entlädt Sch der Kondensa-tor 10, dessen Beläge die volle Spannurig besitzen, über den Löschkondensator 11, wobei diesem eine Minimalladung zugeteilt wird, welche für die nachfolgende Löschung geneigt. Diese Aufladung kann durch Einfluss der Selbstinduktanz des Transformators 12 zunehmen, je grösser der vom Motor aufgenommene Strom Ist. Anfänglich ist die volle Spannung an den Transformator 12.angelegt; wenn der von der Fahrleitung abgenommene Strom demjenigen gleich Lt, der durch die Spule 13 fliesst; hierbei verschwindet der Strom in der Entlastungsdiode 9,(welcher wegen des vorher bestehenden Stromes im Motor floss), diese sperrt, so dass die volle Spannung nun an die Spule 13 und an den Motor angelegt wird.When the thyristors 6 are ignited, the capacitor 10, the deposits of which are fully tensioned, discharges via the quenching capacitor 11, with this being assigned a minimum charge which is inclined for the subsequent quenching. This charging can increase due to the influence of the self-inductance of the transformer 12, the greater the current consumed by the motor. Initially, the full voltage is applied to the transformer 12.; when the current drawn from the contact line is equal to that Lt flowing through the coil 13; in this case the current in the relief diode 9 (which flowed because of the previously existing current in the motor) disappears, it blocks so that the full voltage is now applied to the coil 13 and to the motor.

Hach einer gewUnsohten Zwischenpause wird die Löschung der Thyristoren 6 durch einen Impuls In "b" bewirkt,,der den Thyristor ? zündet. Der Kondensator'll entladet sich über den Transformator 12; der grösste Teil des Entladestromes fliesst hierbei in Richtung durch die.Thyristoren 6 und bewirkt deren Löschung; dabei fliesst er durch den Kondensator 10 und lädt diesen auf. Ein kleinerer Teil des Stromes Hiesst Uber den Transformator 12 in Richtung zur Spule 12'. Dieser Strom hat Yür den Löschvorgang keine Bedeutung. Durch den Kondensator 10 flieset jedoch %n6ch Strom durch die Spule 13 und den No- tor4, bis der Kondensator 10 vollkommen geladen ist. In die- sein Augenblick wird der vom Netz zum Motor vollständig unterbrochen, während der Motorstrom noch durch die Diode 9 weiterfliessen kann. Die Gesamtdauer der Umschaltung, also vom Durchlasszustand bis zur vollständigen Sperrung, hängt von der Kapazität des Kondensators 10 ab, bzw. von der Dauer seiner Wieder-Aufladung. Die getroffene Massnahme, d.h. den Kondensator 11 über den Kondensator 10 zu entladen, kürzt die Dauer der Umschaltung der gesamten Anordnung, und ermöglicht die Erhöhung der Schalthäufigkeit, mit dem Vorteil kleiner Bemessung der verschiedenen Teile und bei geeigneter umgewandelter Spannung.After an unaccustomed pause, the thyristors 6 are extinguished by a pulse In "b" which causes the thyristor ? ignites. The capacitor'll discharge through the transformer 12; the majority of the discharge current flows in the direction through the thyristors 6 and causes them to be extinguished; it flows through the capacitor 10 and charges it. A smaller part of the current flows through the transformer 12 in the direction of the coil 12 '. This current has no meaning for the deletion process. Through the condenser 10, however, current flows through the coil 13 and the no- tor4 until the capacitor 10 is fully charged . In the- his moment will be from the mains to the motor completely interrupted, while the motor current can still flow through the diode 9. The total duration of the switchover, that is to say from the on-state to complete blocking, depends on the capacitance of the capacitor 10 or on the duration of its recharging. The measure taken, ie discharging the capacitor 11 through the capacitor 10, shortens the duration of the switching of the entire arrangement, and enables the switching frequency to be increased, with the advantage of small dimensions of the various parts and with a suitably converted voltage.

Von dem Augenblick an, wenn der Strom in den Thyristoren 6 gelöscht wird, entlädt sich der Kondensator 1l, der noch teilweise geladen Ist, in Form einer Schwingung über den Transformator 12.From the moment when the current in the thyristors 6 is deleted is, the capacitor 1l, which is still partially charged, discharges in the form of a Vibration through the transformer 12.

Die in diesem induzierte Spannung würde sich in der zweiten Halbperiode-der Schwingung, zu der zunehmenden Spannung des Kondensators 10 addieren und die Spannungsbeanspruchung der Thyristoren 6 über den Wert der Leitungsspannung erhöhen.The voltage induced in this would increase in the second half-period Oscillation, add to the increasing voltage of the capacitor 10 and the voltage stress the thyristors 6 increase above the value of the line voltage.

10 Um diesen Nachteil, der zu einer reichlicbere@und kostspieligeren Bemessung der Thyristoren 6 führen würde, zu vermeiden, wird die Sekundärwicklung des Transformators 12 vorgeser.eri, welche über die Diode 81 mit einer Batterie 21, oder mit anderen Einrichtung, welche geeignet ist, Energie aufzunehmen, verbunden ist. Wenn die Spannung an den Klemmen des Kond6nsators 11 ihre Polarität ändert, wird sich die noch in dem Stromkreis 11-12 befindliche-Energie über die Diode $v auf die Batterie 21 entladen, und die kaum begonnene@Schwingung wird unterbrochen. Dasselbe kann man mit der Diode 22 erreichen, (die gestrichelt dargestellt ist). In diesem Falle würde sich die Energie unmittelbar über die Last selbst entladen.10 In order to avoid this disadvantage, which would lead to a more generous @ and more expensive dimensioning of the thyristors 6, the secondary winding of the transformer 12 is vorgeser.eri, which via the diode 81 with a battery 21, or with other device, which is suitable to absorb energy, is connected. If the voltage at the terminals of the capacitor 11 changes its polarity, the energy still in the circuit 11-12 is discharged via the diode $ v to the battery 21, and the oscillation, which has hardly begun, is interrupted. The same can be achieved with diode 22 (shown in phantom). In this case the energy would discharge itself directly through the load.

Wenn die Leit- und Umschaltphase von Durchlass auf Sperrung beendet ist, fliesst der Motorstrom 1 über die Diode 9 noch weiter, bis bei einem neuen Zündimpuls in "a" der Vorgang, wie beschrieben, neu anfängt.When the lead and switchover phase from passage to blocking has ended is, the motor current 1 continues to flow through the diode 9 until a new one Ignition pulse in "a" the process starts over as described.

Mit der Farallelachaltung von mehreren, wie die besChriebenen, Stromkreisen (vier in dem dargestellten AusfUhrungsbeispiel), wobei die Schaltung der Thyristoren 6 phasenverschoben ist, kann man eine wesentliche höhere Freqenz des gesamten Systems erreichen, was in Bezug auf die Bemessung der Filter 15-16 von Vorteil ist.With the parallel connection of several, as described, circuits (four in the illustrated embodiment), whereby the circuit of the thyristors 6 is out of phase, one can achieve a significantly higher frequency of the entire system, which in relation to the dimensioning of the filters 15-16 is beneficial.

Claims

Patent pending arrangement for supplying DC motors with variable voltage, the energy of which is taken from a constant DC voltage source, in particular for electrical railway operation, characterized in that each * motor is fed by a plurality of branches connected in parallel (A, B, C, D) , each of which contains at least one thyristor (6), which are ignited mutually out of phase, and that in each branch during the ignition of the thyristor with the thyristors, a transformer (12) is connected in series with a quenching capacitor (11), and that parallel to the series connection of the transformer (12) and the thyristors (6) another capacitor (10) is parallel and that between the quenching capacitor (11) and the transformer (12) another thyristor (7) is provided by its ignition the deletion is initiated.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the Transformaotr (12) is connected ment by a diode (8 ') having an ele- which energy can absorb, so that, after the erasing discharge of the extinguishing capacitor's remaining energy (11) is discharged via the transformer (12) and the diode (8 ') via this element (21). Arrangement according to Claim 1, characterized in that a diode (22) is switched on parallel to the series transformer (12) and motor (1, 2) , so that after the extinguishing discharge of the extinguishing capacitor (11) its residual energy is transferred directly to the motor discharges arrangement according to claim 1, characterized in that the transformer (12) includes two taps, of which one is via the diode (8) in Sperrichlung to the discharge current, the other to the further Thgristor (7) in the opposite direction with the quenching capacitor (11) is connected.