DE1563987C - Anordnung zur Impulssteuerung der Spannung eines aus einer Quelle kon stanter Gleichspannung über mehrere parallele Stromzweige gespeisten Gleich Strommotors fur den elektrischen Bahn antrieb - Google Patents

Description

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gespeist werden, treten jedoch erhöhte Schwierig- in Sperrichtung zum Entladestrom des Löschkonden-

keiten bei der Umschaltung auf, die mit den bisher sators und die andere über den Löschthyristor in

bekannten Einrichtungen nicht ohne weiteres.be- " entgegengesetzter Richtung zur erstgenannten Rich-

herrschbar sind, tung mit dem Löschkondensator verbunden ist.

Darüber hinaus stehen in einem Triebfahrzeug 5 Die erfindungsgemäße Lösung trägt vor allem mit einer Leistung von einigen 1000 kW wenig Raum den Schwierigkeiten bei Speisungen für große Lei- und Luft,für die Kühlung der Halbleiterelemente stungen Rechnung, indem eine Begrenzung der zur Verfugung, so daß zwangläufig Elemente für hohen Beanspruchung der verwendeten Halbleiterrelativ hohe Ströme und Spannungen erforderlich elemente erreicht wird. Der weitere Kondensator sind. Solche Elemente weisen jedoch im allgemeinen io erleichtert es wesentlich, die Beanspruchung der hohe Umschaltverluste auf. Es erhebt sich deshalb einzelnen Elemente in zulässigen Grenzen zu halten, die Forderung, den oder die Verbraucherstromkreise indem der Rückstrom der Entlastungs- oder Freilaufund vor allem den Löschkreis derart auszulegen, diode, die nach wie vor ein besonders beanspruchdaß diese Umschaltverluste möglichst klein gehalten tes Teil der Anordnung bildet, bis auf geringe Werte werden, wobei solche Verluste bekanntlich vor 15 herabgesetzt wird. Der Kondensator beeinflußt daher allem von der Frequenz, der Steilheit der Strom- den Löschvorgang in einer die Anordnung sichern-

änderung ■[£-) sowie vom Rückstrom unmittelbar ^{den Weise}' ^inde ₊ ^m. £^{r νε}™τ?^ ^daß, ^df ^SpTä

; ° \dt) spannung zu plötzlich an der Diode anliegt, so daß

nach der leitenden Phase abhängig sind. Wegen der in weiterer Folge zu hohe Rückströme nicht mögauftretenden hohen Spannungswerte ist daher eine 20 Hch und daher eine Zerstörung der Diode durch sichere Begrenzung der Steilheit der Stromänderung diese Ströme sicher unterbunden ist. ^]Γ) durch die Induktanzen der Stromkreise wie bei den Der mittels phasenverschobener Impulssteuerung Ausführungen nach Fig. 1 und 2 der französischen gespeiste Motor erhält einen Strom mit einer Wellig-Patentschrift 1418 006 mit den Löschthyristoren keit, die kleiner ist als diejenige jedes einzelnen nicht gewährleistet und daher in den Umschalt- 25 Hauptthyristors. Die zum Motor in Serie geschaltete j kreisen mindestens eine Drosselspule erforderlich. Drosselspule setzt die Welligkeit der an den Motor-Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Gleich- Klemmen anliegenden Spannung in Abhängigkeit ! strommotoren für den elektrischen Bahnbetrieb von vom Verhältnis der Ankerinduktivität des Motors einer Gleichstrom-Fahrleitung, insbesondere einer zur Reaktanz der Drosselspule herab, wobei das j 3-kV-Leitung, mit durch eine Impulssteuerung ver- 30 letztgenannte Verhältnis normalerweise zwischen änderlicher Spannung derart zu speisen, daß durch den Werten 0,2 und 0,25 liegt. Demzufolge arbeitet den Löschkreis bei einer entsprechenden Zahl par- der Motor praktisch · mit geglättetem Gleichstrom, alleler Stromzweige eine hinreichende Begrenzung obwohl er mittels der Hauptthyristoren pulsierend der Spannungsbeanspruchung, der Steilheit der gespeist wird: .

Stromänderung sowie des Rückstromes bzw. die 35 'Ein Ausführüngsbeispiel der Erfindung ist nach-

Niedrighaltung der proportional mit der Frequenz stehend mittels eines vereinfachten, elektrischen

steigenden Verluste beim Zünden und Löschen der Schaltbildes über eine Speisung eines Motors näher

Thyristoren sichergestellt ist. erläutert, wobei für die Speisung vier parallelgeschal-

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Anord- tete Zweige vorgesehen sind. . nung der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß 4° Mit 1 ist einer der GleichstroniTFahnnotoren einer dadurch gelöst, daß zu dem oder den Haupt- elektrischen Lokomotive mit seiner Serienfeldwickthyristoren jedes Stromzweiges die Primärwicklung lung2 bezeichnet, mit 3,ein Feldumschalter für die Γ) eines Transformators in Reihe liegt, an die ein Umkehrung der Fahrtrichtung. ^ Löschkondensator über einen Löschthyristor ange- . Die Speisung erfolgt aus einer Fahrleitung 4 mit schlossen ist, daß zu der aus dem oder den Haupt- 45 konstanter Gleichspannung über ^! einen Schnellthyristoren und der Primärwicklung des Transfor- schalter 5 und einen aus einer Seriendrosselspule 15 mators bestehenden Reihenschaltung ein weiterer und einem Parallelkondensator 16 gebildeten Filter. Kondensator parallel liegt und daß in jedem Strom- Die Anordnung zur Impulssteuerung besteht aus zweig, zwischen der Primärwicklung des Transfor- vier Zweigen in Parallelschaltung, die mit A i B, C, D mators und dem Gleichstrommotor eine Drosselspule 5° bezeichnet sind und von welchen jeder eine Reihe angeordnet ist. von Hauptthyristoren 6 enthält, deren Anzahl dem Nach einem weiteren Merkmal der.Erfindung ist Wert der Speisespannung angepaßt ist. In Reihe hierbei die Sekundärwicklung des Transformators zu den Hauptthyristoren ist ein Transformator 12 über eine erste Diode so mit einem elektrische in Luft oder mit Eisenkern und Luftspalt sowie eine ' Energie aufnehmenden Bauelement verbunden,¹ daß 55 Drosselspule 13 geschaltet. Die Hauptthyristoren der dieses nach der Löschentladung des Löschkonden- vier Zweige werden phasenverschoben gezündet, sators dessen Restenergie aufnehmen kann. In jedem Zweig ist der Reihenschaltung aus Thy-Erfindungsgemäß kann zu der aus der Primär- ristorenö und Transformator 12 ein Kondensator wicklung des Transformators, der Drosselspule und 10 parallel geschaltet. Außerdem liegt eine Diode 9 dem Gleichstrommotor bestehenden Reihenschaltung 60 parallel zur Reihenschaltung aus Drosselspule 13 und eine zweite Diode so parallel geschaltet sein, daß Motor 1. An den Transformator 12 mit einstellbarer sich nach der Löschentladung des Löschkonden- Anzapfung ist über eine Diode 8 ein Löschkondensators dessen Restenergie unmittelbar durch den sator 11 angeschlossen, der in Reihe mit einer sättig-Gleichstrommotor entladen kann. baren Spule 12' liegt. Zwischen dem Verbindungs-In Weiterausgestaltung der Erfindung kann die 65 punkt dieser Diode 8 und dem Kondensator 11 und Anordnung so ausgeführt sein, daß die Primärwick- einer weiteren Anzapfung des Transformators 12 •lung des Transformators zwei Anzapfungen auf- befindet sich ein Löschthyristor 7 entgegengesetzt weist, von denen die eine über eine dritte Diode ge'schaltet wie die Diode 8. Der Steuerkreis für die

Zündung jedes Hauptthyristors 6 enthält einen Isoliertransformator 17 mit Diode 18, derjenige für den Löschthyristor 7 einen Isoliertransformator 19 und eine Diode 20. Mit der Sekundärseite des Transformators 12 ist über eine Diode 8' eine Einrichtung 21, z. B. eine Akkumulatorenbatterie, verbunden, welche Energie aufnehmen kann, wobei die Spannung konstant gehalten wird. In einer Variante kann, anstatt der Sekundärseite des Transformators 12· die Diode 8' und die Batterie 21 zuzuordnen, eine Diode 22 parallel zur Reihenschaltung aus Transformator 12, Spule 13 und Fahrmotor 1,2 (gestrichelt) geschaltet werden.

Die Anordnung arbeitet wie folgt: die Fahrleitungsspannung wird dem Motor in Form von , Spannungsimpulsen· bestimmter Frequenz und veränderlicher Dauer (oder veränderlicher Frequenz und ' Dauer),' geglättet durch die Induktanz der Drosselspule 13, zugeführt. Durch ein elektronisches Steuer- und Regelungssystem, welches nicht dargestellt und an sich bekannt ist, wird in α den Hauptthyristoren 6 ein Zündimpuls gegeben, welchem dann nach einer veränderlichen Dauer, aber innerhalb der Periode der ausgewählten Frequenz, ein Impuls in b folgt, der durch den Löschthyristor 7 die Sperrung der Hauptthyristören 6 bewirkt. Diese •Zühdimpulse α sind in den Zweigen A, B, C, D phasenverschoben, so daß auch die Durchlaßzeit der jeweiligen Hauptthyristoren, phasenverschoben ist. ■■..■■■

Bei -der Zündung der Hauptthyristoren 6 entlädt sich der Kondensator 10, ■ dessen Beläge die volle Spannung besitzen, über den Löschkondensator 11, wobei diesem eine Minimalladung zugeteilt wird, welche für; die. nachfolgende Löschung genügt. 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, .und zwar· so lange,·, bis der von der Fahrleitung abgenommene Strom demjenigen gleich ist, der durch die Drosselspule 13 fließt. Danach verschwindet der Strom in der Entlastungsdiode 9 (welcher wegen des vorher bestehenden Stromes im Motor floß) und sperrt diese, so daß die volle Spanhung nun an die. Drosselspule 13 und an den Motor angelegt wird. ■■='■ ·.-·.·■ ^: ·. ■■: _; ^f.... _:. ·. -
■■ .Nach einer gewünschten Zwischenpause wird die Löschung der Hauptthyristoren 6 durch einen Impuls in b bewirkt, der den Löschthyristor 7 zündet. ■ Der Kondensator 11 entlädt sich über den Transformator 12; der größte Teil des Entladestromes fließt hierbei in Richtung durch die Hauptthyristoren 6 und bewirkt deren Löschung; dabei fließt er durch den Kondensator 10 und lädt diesen auf. Ein kleinerer Teil des Stromes fließt über den· Transformator 12. Dieser'Strom hat für den Löschvorgang keine Bedeutung. Durch den Kondensator 10 fließt jedoch zugleich noch Strom durch die Drosselspule 13 und den Motor 1, bis der Kondensator 10 vollkommen geladen ist. In diesem Augenblick wird der Strom vom Netz zum Motor vollständig unter-; brachen, 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. ■ ' ·.-.■:■

Von dem Augenblick an, wenn der Strom in den Hauptthyristoren 6 gelöscht wird, entlädt sich der Kondensator 11, der noch teilweise geladen ist, in Form einer Schwingung über den Transformator 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 Hauptthyristoren 6 über den Wert der Fahrleitungsspannung erhöhen. ■ "

Um diesen' Nachteil, der: zu einer reichlicheren und kostspieligeren Bemessung der Hauptthyristoren 6 führen würde, zu vermeiden, ist die Sekundärwicklung des Transformators 12 vorgesehen,' welche über die Diode 8' mit einer Batterie 21 oder mit einer anderen Einrichtung, welche geeignet ist, Energie aufzunehmen, verbunden ist... Wenn die Spannung an den Klemmen des Kondensators 11 ihre Polarität ändert, wird sich die noch in dem Stromkreis 11-12 befindliche Energie über die Diode 8' 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. .:

Wenn die Leit- und Umschaltphase von Durchlaß

.auf Sperrung beendet ist, fließt.der Motorstrom 1 über.die Diode9 noch weiter, bis bei einem neuen Zündimpuls in α der Vorgang, wie beschrieben, neu

anfängt. ...

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

der Motoren komplizierte und daher teure Appa- Patentansprüche: raturen erforderlich sind, die keine volle Ausnutzung der Eigenschaften deT Motoren gestatten.

1. Anordnung zur Impulssteuerung der Span- Um die Vorteile, die die Speisung der Fahrnung eines aus einer Quelle konstanter Gleich- 5 motoren mit einer geregelten veränderlichen, den spannung über mehrere parallele Stromzweige Fahrbedingungen angepaßten Spannung bietet, ausgespeisten Gleichstrommotors für den elek- nutzen zu können, hat man zwischen Speisequelle frischen Bahnbetrieb, mit einem oder mehreren und Fahrmotoren Transformatoren für die Gleichin Reihe liegenden, mit Steuer- und Lösch- spannung eingeschaltet, die" entweder auf der Umvorrichtungen versehenen, gegenseitig phasen- io Wandlung durch einen Wechselspannungszwischenverschoben " gezündeten Hauptthyristoren je Stromkreis oder auf dem Prinzip der Impulssteuerung Stromzweig, dadurch gekennzeichnet, durch elektronische Schalter (die sogenannten daß zu dem oder den Hauptthyristoren (6) jedes »Chopper«) mit gesteuerten Halbleiterelementen Stromzweiges (A bis D) die Primärwicklung (Thyristoren) beruhen. Dieses System besitzt einereines Transformators (12) in Reihe liegt, an die 15 seits den Vorteil, daß es keinen Wechselspannungsein Löschkondensator (11) über einen Lösch- Zwischenstromkreis erfordert, aber es besitzt anthyristor (7) angeschlossen ist, daß zu der aus dererseits den Nachteil, daß die Spannungsbeandem oder den Hauptthyristoren (6) und der spruchung der Thyristoren beim Schalten sehr hoch Primärwicklung des Transformators (12) be- ist, besonders wenn es sich um Anordnungen hanstehenden Reihenschaltung ein weiterer Konden- ao delt, die mit höheren Spannungen gespeist werden, sator (10) parallel liegt und daß in jedem Strom- z. B. mit 3000 V, wie in den Netzen der italienischen zweig (A bis D) zwischen der Primärwicklung Staatsbahnen und der Bahnen anderer Länder, so des Transformators (12) und dem Gleichstrom- daß. sie, wenn keine geeigneten Maßnahmen gemotor (1, 2) eine Drosselspule (13) angeord- troffen werden, sehr reichlich und kostspielig benet ist. as messen werden müßten. Auch die zum Betrieb der

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- Anordnung notwendigen Drosselspulen der Filter kennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des sind teuer, und zwar um so mehr, je kleiner die Transformators. (12) über eine erste Diode (8') Schaltfrequenz ist. Infolgedessen sollte die Schaltso mit einem elektrische Energie aufnehmenden häufigkeit der periodischen elektronischen Schalter Bauelement (21) verbunden ist, daß dieses nach 30 soweit wie möglich erhöht werden; aber auch dader Löschentladung des Löschkondensators (11) durch entstehen Schwierigkeiten, welche geeignete dessen Restenergie aufnehmen kann. Maßnahmen erfordern.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- Aus der französischen Patentschrift 1 418 006 kennzeichnet, daß zu der aus der Primärwick- sind Anordnungen zur spannungsvariablen Speisung lung des Transformators (12), der Drosselspule 35 von Gleichstromverbrauchern, insbesondere Gleich-(13) und dem Gleichstrommotor (1, 2) bestehen- Strommotoren, bekannt, und zwar mittels einer, konden Reihenschaltung eine zweite Diode (22) so stanten Gleichspannungsquelle, wie z. B. einer Akkuparallel geschaltet ist, daß sich nach der Lösch- mulatorenbatterie. Der Gleichstromverbraucher, insentladung des Löschkondensators (11) dessen , besondere Gleichstrommotor, wird hierbei mit Hilfe Restenergie unmittelbar durch den Gleichstrom- 4° einer Mehrzahl von parallelgeschalteten Zweigen motor (1, 2) entladen kann. mittels wenigstens je eines Thyristors pro Zweig

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- gespeist, wobei die Thyristoren bei betriebener Ankennzeichnet, daß die Primärwicklung des Ordnung gegenseitig phasenverschoben gezündet Transformators (12) zwei Anzapfungen aufweist, werden. Eine solche bekannte Anordnung weist für von denen die eine über eine dritte Diode (8) in 45 die Gesamtheit der parallelgeschalteten Zweige nur Sperrichtung zum Entladestrom des Lösch- einen einzigen Löschkreis bzw. Löschkondensator kondensator (11) und die andere über den auf, was bei solchen Löschkreisen zwangläufig zu Löschthyristor (7) in entgegengesetzter Richtung einer hohen Schalthäufigkeit bzw. Frequenz, die ein zur ' erstgenannten Richtung mit dem Lösch- Mehrfaches der Grundfrequenz beträgt, und dadurch kondensator (11) verbunden ist. 5° zu einer hohen Beanspruchung der hierbei verwendeten Leistungsthyristoren führt. Außerdem stehen Thyristoren für hohe Schalthäufigkeit nur für relativ niedrige Spannungen zur Verfugung.

Die in der französischen Patentschrift 1418 006

55 beispielsweise genannten Werte, wie eine Speisespannung von 24 V und eine Löschfrequenz bis zu

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung 5 kHz, weisen darauf hin, daß diese bekannten An-

zur Impulssteuerung der Spannung eines aus einer Ordnungen vorwiegend für kleine Leistungen gedacht

Quelle konstanter Gleichspannung über mehrere sind. Die Verwendung von Impulssteuerungen für

parallele Stromzweige gespeisten Gleichstrommotors 60 die Speisung von Fahrmotoren für verhältnismäßig

für den elektrischen Bahnbetrieb, mit einem oder kleine Leistungen, wie einigen 100 kW, ist daher

mehreren in Reihe liegenden, mit Steuer- und Lösch- mit den vorbeschriebenen Mitteln beherrschbar, wo-

vorrichtungen versehenen, gegenseitig phasen- bei die einzelnen Schaltelemente parallel geschaltet

verschoben gezündeten Hauptthyristoren je Strom- werden, um deren Beanspruchung in zulässigen

zweig. 65 Grenzen zu halten. Bei Anordnungen für die Spei-

Bekanntlich werden Eisenbahn- und Straßenbahn- sung von Triebfahrzeugen mit wenigstens vier Mo-

netze mit konstanter Gleichspannung gespeist, bei toren und einer Leistung von 2000 bis 300OkW,

denen zum Anfahren sowie zur Drehzahlregelung bei denen die Motoren mit rechteckigen Impulsen