DE1939223C3 - Anordnung zur Steuerung eines Stromrichtermotors mit gleichstromerregtem Polrad, insbesondere eines Antriebsmotors für eine dieselelektrische Lokomotive - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung eines Stromrichtermotors mit gleichstromerregtem Polrad, insbesondere eines Antriebsmotors für eine dieselelektrische Lokomotive, mit Ankerwicklungen, von denen jede einerseits über eine Antiparallelschaltung von zwei polradabhängig steuerbaren Ventilen zyklisch an eine Wechselspannungsquelle anschließbar und andererseits mit einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden ist, der an einen Po! der Wechselspannungsquelle geführt ist (DT-AS 12 75 676).

Durch die Zeitschrift »Archiv für Elektrotechnik«, Bd. 50, Heft 5, 1966, S. 297, ist es bekannt, bei Elektromotoren zur Erzeugung eines Drehfeldes an Stelle von Kollektoren Stromrichter zu verwenden. Dort ist auch bereits eine Antriebseinrichtung mit einer gleichfelderregten dreiphasigen Maschine synchroner Bauart beschrieben, deren Spannung und Frequenz über gesteuerte Stromrichter verändert wird. Dabei ist jede der Phasenwicklungen über zwei gegensinnig gepolte Drehstromthyristorbrücken an eine Speisewechselspannung angeschlossen. Zur Erzielung eines gleichmäßigen Strombelages unter jedem Pol wird die Stromumkehr in einem Phasenstrang immer dann vorgenommen, wenn sich dessen Spulenseiten im Bereich der neutralen Zone befindet. Hierbei erfaßt ein Kommutiergebcr die gegenseitige Stellung von Feldsystem und Arbeitswicklung. Der Kommutiergeber liefert für jede Phase ein feldrichtungsunabhängiges Signal, durch dessen Vorzei- _f)0 chenwechsel auch die Umkehr des dem Betrag nach von einer übergeordneten Drehzahlregelung vorgegebenen Strom-Sollwertes bewirkt wird. Bei dieser Ausführung benötigt man eine große Anzahl von Bauelementen, insbesondere Thyristoren, da den einzelnen Phasen ^₅ wicklungen über die Brückenschaltung ein gleichgerichteter Strom zugeführt wird, der aus überlagerten Halbwellen der einzelnen Phasenströme nach dem Hüllkurvenprinzip zusammengesetzt wird. Die groß Anzahl der steuerbaren Schaltelemente (Thyristoren macht auch eine aufwendige Steuer- bzw. Regeleinrich tung notwendig. Auch der auf S. 297 der obengenannte: Literaturstelle angeführte Stromrichtermotor ni Gleichstromzwischenkreis hat den Nachteil, daß di dabei notwendigen Aufwendungen die durch dei Wegfall des Kollektors zu erwartenden Ersparniss aufwiegen oder sogar übertreffen.

Bei einem anderen durch die DT-AS 12 75 67i bekannten Verfahren zum Steuern von Ventilmotorei sind die einen Enden der Maschinenwicklungen mi einem Sternpunkt verbunden und das andere Ende jede Maschinenwicklung ist über eine Ventilgruppe mi gleicher Durchlaßrichtung oder über zwei derartig! Ventilegruppen in Antiparallelschaltung an die Lei tungspole eines Drehspannungsnetzes angeschlosser wobei der Sternpunkt mit dem Mittelpunktsleite verbunden ist Um ein Drehmoment zu erzeugen, win jeweils eine Maschinenwicklung nach der anderen mi gleichgerichteten Drehstromhalbwellen gespeist. De gleichgerichtete Strom in den einzelnen Wicklungei wird dadurch abgeschaltet, daß die stromführender Ventile gesperrt werden. Da die Maschinenwicklungei mit ihren Induktivitäten von welligem Gleichstron durchflossen werden, klingt der Wicklungsstrom nich unmittelbar mit dem Sperren der Ventile, sonderr infolge der Wicklungsinduktivität zeitlich verzögert ab Mit größer werdender Drehzahl muß der Stromrück gang in den einzelnen Wicklungen in möglichst kurzei Zeit erfolgen, um Drehmomentsbeeinträchtigunger durch Gegendrehmomente zu vermeiden und der Motor mit höherer Drehzahl betreiben zu können. 3e der bekannten Anordnung ist ein zusätzlicher Steue rungsaufwand für eine Zwangskommutierung erforder lieh, um ausreichend hohe Drehzahlen, bei denen di< Motor-EMK die Kommutierung selbsttätig übernimmt zu erreichen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die eingang! genannte Direktumrichterschaltung hinsichtlich ihrei Steuerung derart auszugestalten, daß der angeschlosse ne Motor ohne Zwangskommutierungsmaßnahmen ir einen sehr hohen Drehzahlbereich geführt werden kann

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäO darin, daß von den steuerbaren Ventilen jeweih entgegengesetzt geschaltete Ventile zweier räumlich versetzter und aufeinanderfolgender Ankerwicklunger so angesteuert sind, daß in der einen Spannungshalbwel Ie ein Strom in der einen Richtung von einem ersten Pol über die erste Ankerwicklung zu dem zweiten Pol und in der nachfolgenden, entgegengesetzten Spannungshalbwelle ein Strom von dem zweiten Pol über die zweite Ankerwicklung zum ersten Pol fließt.

Auf diese Weise ist jede Ankerwicklung nur mil Spannungs- bzw. Stromhalbwellen einer Richtung beaufschlagt und die nachfolgende entgegengesetzte Stromhalbwelle fließt durch eine andere Ankerwicklung, so daß ausreichend Zeit vorhanden ist, um den Strom in der ersten Ankerwicklung Null werden zu lassen. Die Stromrückführungszeit ist ohne zusätzlichen Steuerungsaufwand kürzer als bei den Schaltungen, bei denen den Ankerwicklungen ein welliger Gleichstrom gleichgerichteter Drehstromhalbwellen zugeführt wird.

Zwei Ausführungsbeispiele und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung besprochen. Darin zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Einrichtung als Teil eines dieselelektrischen

Wechselstrom-Lokomotivantriebs,

Fig. la das zugehörige Steuerschema der steuerbaren Ventile,

Fi g. 2 eine Ankerwicklungsschaltung für Einphasen-VVechselspannungentsprechend Fig.'., _s

F i g. 2a das zugehörige Steuerscherr a der steuerbaren Ventile mit Zuordnung zu den einzelnen Ankerwicklungen,

F i g. 2b den zugehörigen Zonenplan der Ankerwicklungen (Lage dir Spulenseiten + und - als Abwicklung OberdenMaschinenumfang/? = 360°,

F i g. 2c die Verteilung des Ankerstrombelages im Bereich der Polradstellung α = 0° bis α = 60° zu zwei Zeitpunkten ti und O (gemäß Fig. 2d),

F i g. 2d den zeitlichen Verlauf der Netzwechselspannung tVund den zehlichen Verlauf der Wicklungsströme /ι und h im Bereich einer Polradstellung von α = 0° bis x = 60° im eingeschwungenen Zustand,

Fig.3 eine AnkerwicklungsschaJtung für die Speisung mit Dreiphasen-Wechselspannung,

F i g. 3a das zugehörige Steuerschema der steuerbaren Ventile mit Zuordnung zu den Ankerwicklungen und

F i g. 3b den zugehörigen Zonenplan der Ankerwicklungen (Lage der Spulenseiten + und - als Abwicklung ₂ς über den Ankerumfang β = 360°).

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung mit einer von einem Polrad 20 gleichfelderregten elektrischen Maschine nach Synchronbauart (z. P. Dreiphasen-Vollpolsynchronmaschine), deren _{secns An}. kerwicklungen 1 bis 6 in Nuten eines S'.änderblechpaketes 24 liegen und über die für die steuerbaren Ventile vorgesehenen Thyristoren 7 bis 18 mit den Leitungspolen R, Mp verbunden werden können, wobei jeweils das eine Ende der Ankerwicklungen 1 bis 6 zu einem ^ gemeinsamen Sternpunkt und das andere Ende jeder Wicklung zu den steuerbaren Ventilen geführt ist, die pro Wicklung aus je zwei der Thyristoren 7 bis 18 in Antiparallelschaltung bestehen. Als Wechselspannungsquelle 19, die eine Einphasen-Wechselspannung an die Leitungspole, R, Mp liefert, dient ein Generator 19, der von einem angekuppelten Dieselmotor 21 angetrieben wird. Zusätzliche Bauteile (7; F, R, V) sind Glieder einer Regeleinrichtung zur Anpassung der Generatorleistung an die durch den Grad der Füllung F vorgegebene Dieselleistung. Die Steuerelektroden der Thyristoren 7 bis 18 sind über eine Steuereinrichtung 22 mit einem Polradwinkelgeber 23 verbunden und somit in Abhängigkeit gestellt von der jeweiligen Lage des Polrades 20. Dazu sind beispielsweise hier nicht näher angegebene _5υ Hallgeber an der Welle der Maschine nach Synchronbauart angebracht, welche die Thyristoren 7 bis 18 über die vorzugsweise mit kontaktlosen Schaltelementen bestückte Steuereinrichtung 22 ansteuern.

Über den Polradwinkelgeber 23 und die Steuerein- _ss richtung 22 werden in Abhängigkeit von der ^!radstellung λ des Polrades 20 bestimmte Thyristoren auf Durchlaß geschaltet, so daß an der so angesteuerten Ankerwicklung eine Wechselspannung U anliegt. In einer Ankerwicklung, z. B. 1, bildet sich ein Halbwellen- _6fl strom /Ί aus, dessen zeitlicher Verlauf unter anderem durch die Daten des Ohmsehen und des induktiven Widerstandes der Wicklung bestimmt wird. Infolge der Wicklungsinduktivität wird die Stromführungszeit in der Wicklung größer als die einer Spannungshalbperio- _(l, de entsprechende Zeitdauer (siehe Fig. 2d). Die folgende, entgegengesetzt gerichtete Stromhalbwelle h •wird mit Hilfe eines entgegengesetzt gerichteten Wicklungssinnes einer anderen Wicklung (z. B. der Wicklung 3) wieder gleichsinnig mit zur Drehmomentbildung ausgenutzt Die Stromführungszeit einer jeden Stromhalbwelle kann in wirksamer Weise durch eine zusätzliche Vergrößerung der Wicklungsstreuinduktivität verlängert werden.

Die F i g. l a bzw. 2a zeigen das in Abhängigkeit von der Polradstellung mit dem Winkel α ablaufende Steuerschema für die Schaltung der Thyristoren 7 bis 18 zur Freigabe der Wicklungen 1 bis 6 bei einer Ankerwicklungsschaltung gemäß Fig.l bzw. Fig.2 und einer Speisung mit Einphasen-Wechselspannung U. Jede Wicklung 1 bis 6 ist gemäß Fig.l räumlich versetzt angeordnet und jede Wicklung wird, wie F'g. la, 2a zeigen, innerhalb der doppelten Polteilung 2t> über zweimal <x = 120%; mit jeweiligem Abstand von λ = 60%; über die Ventile 7 bis 18 an die Wechselspannung U gelegt. Die räumliche Lage der durch + und - kenntlich gemachten Wicklungsseiten zeigt der Zonenplan entsprechend F i g. 2b.

die Verteilung des Ankerstrombelages geht für einen bestimmten Betriebszustand der Maschine aus F i g. 2c für zwei Zeitpunkte ii und η hervor. Der Ankerstrombelag wird erzeugt durch die eingeschalteten Wicklungen 1, 4,3, 6. Die Wicklungen 1 und 4 bzw. 3 und 6 sind räumlich und zeitlich parallel geschaltet. Zur Erläuterung der gewählten Einschaltzeitpunkte t\ und η dient F i g. 2d. Die Zeitpunkte sind so gewählt, daß beispielsweise die Wicklungen 1 und 3 parallel mit 4 und 6 über die Ventile 9 und 17 und 8 und 16 polradstellungsabhängig angesteuert werden. In Abhängigkeit von der Spannung i/treten im eingeschwungenen Schaltzustand in den Wicklungen 1 und 3 beispielsweise die gezeigten Wicklungsströme /ι und ή auf.

F i g. 1 a und 2a zeigt die Steuerung der Thyristoren in Abhängigkeit von der Polradstellung <x. Es wird daraus ersichtlich, daß jede Wicklung nur über bestimmte Winkelstellungen des Polrades angesteuert wird. Diese Ansteuerung ist so vorgenommen, daß bei einem Durchlauf über die doppelte Polteilung 2τ_Ρ der Stromfluß mit positiven und negativen Stromhalbwellen angenähert symmetrisch ist. Zur näheren Erläuterung der Steuerschemen nach Fig. la und 2a wird darauf hingewiesen, daß beispielsweise im Polradstellungsbereich a = 0°ci bis λ = 60°ei die Wicklungen 1 und 6 von positiven Stromhalbwellen durchflossen werden und die Wicklungen 3 und 4 von negativen Stromhalbwellen. Im daran anschließenden Polradstellungsbereich — also nach Drehung des Polrades um 60° — werden die der Wicklung 3 und 6 zugeordneten Thyristoren 17 bzw. 18 gesperrt und die Wicklungen 2 und 5 über die Thyristoren 13 und 14 angesteuert. Die Wicklungen 1 und 4 bleiben weiter über die Thyristoren 9 und 10 angesteuert. Während der Halbwellenstrom in den Wicklungen 1 und 4 ungehindert auch beim Verlassen des Polradstellungsbereiches 0 bis 60° weiter fließt, hören die Stromhalbwellen in den Wicklungen 3 und 6 infolge der Sperrung der vorgeschalteten Thyristoren 17 und 18 auf zu fließen. Der Strom kommutiert demzufolge mit Hilfe der angelegten Netzwechselspannung ¹J selbsttätig zu Null. Der Stromaufbau in den Wicklungen 2 und 5 geschieht dann über die Netzspannung t/nach Maßgabe der in den Wicklungen vorhandenen Wicklungsinduktivitäten und ohmschen Widerstände.

Bei Anschluß eines Stromrichtennotors an eine Drehspannung kann in geeigneter Weise eine Schaltung gemäß Fig. 3 gewählt werden. Die Maschinenwick-

lung ist in drei symmetrische Dreiphasenwicklungen unterteilt. Die Wicklungen 24,27 und 30 liegen dabei wie die Wicklungen 25, 28 und 31 sowie die Wicklungen 26, 29 und 32 jeweils räumlich parallel in der Maschine. Bezogen auf die Spannung R zu Mp verhalten sich die auftretenden Wicklungsströme in den Wicklungen 24, 25 und 26, wie dies vorstehend zu Fig. 2 für die Wicklungen 1, 2, 3 bzw. 4, 5 und 6 beschrieben ist. Die Steuerung der Thyristoren 33 bis 38 ist so aufgebaut wie die in Fig. 2a gezeigte und beschriebene Steuerung der Thyristoren 7 bis 18 (vgl. Fig.3a). In den einzelnen Wicklungssystemen, die durch die Drehspannung R bzw. S bzw. Tgegenüber Mp getrennt bespeist werden, bilden sich Einzel-Drehstrombeläge aus, wie sie bereits vorstehend mit Hilfe Fig.2 bis 2d beschrieben sind. Die Einzclstrombeläge der Wicklungen 24, 25, 26 bzw. 27, 28,29 bzw. 30,31 und 32 bilden einen resultierenden Drehstrombelag geringer Welligkeit.

In Fig.3b ist die räumliche Verteilung der Wicklungen 24 bis 21 gezeigt, wobei wiederum die Spulenseiten durch + und - Zeichen gekennzeichnet sind.

Es ist vorteilhaft, zur Erzielung eines möglichst zeitlich konstanten, aber räumlich veränderlichen Drehstrombelages die Maschinenwicklungen besonders zu gestalten. Wie F i g. 2b zeigt, ist es zweckmäßig, bei Vorhandensein von zwei Einschicht-Drehstromwicklungen eine bestimmte Zuordnung der Spulenseilen dieser beiden Drehstromwicklungen vorzunehmen. Es wird beispielsweise die Spulenseite 1 + über die Spulenseite 4— gelegt, und die Spulenseite 1— liegt über der Spulenseite 4 +. Wie aus F i g. 2a hervorgeht, fließen in der Wicklung 1 beispielsweise bei der Polradstellung κ = 0° positive Stromhalbwellen und in der Wicklung 4 negative Stromhalbwellen. Auf die räumliche Wicklungsanordnung über dem Ankerumfang β bezogen heißt dies, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt, beispielsweise η (gemäß Fig.2d)die Spulenseite 1 + vom positiven Haibwellenstrom /Ί durchflossen wird und daß bei der nachfolgenden negativen Stromhalbwelle die gemäß Fig.2a in der Wicklung 4 fließt, infolge des umgekehrten Wickelsinns (ausgedrückt durch das negative Vorzeichen 4-) ein gleichsinniger Ankerstrombelag zur Spulenseite der Wicklung 1 + auftritt. Es ist hierdurch also sichergestellt, daß am Ankerumfang der Spulenseite 1+ bzw. 4- beide Stromhalbwellen der Einphasenwechselspannung U für die Bildung des Ankerstrombelages wirksam werden. Für die anderen Punkte des Ankerumfanges gelten

gleiche Überlegungen.

Bei Verwendung der Schaltung in einem Dreiphasen-Wechselspannungsnetz gemäß F i g. 3 wird nun zweckmäßigerweise die Wicklung nach Fig.3b verlegt. Hier wird also vorausgesetzt, daß drei Einschichtwicklungen pro Maschine vorhanden sind, daß dann aber der Wickelsinn in diesen drei Wicklungen nicht umgekehrt wird, Die Spulenseite 24+ ist so beispielsweise den positiven Spulenseiten 27+ und 30+ zugeordnet. Die Maschinenschaltung arbeitet mit steuerbaren Ventilen in Antiparallelschaltung pro Wicklung 1 bis 6 bzw. 24 bis 32. Zur Beeinflussung des auftretenden Drehmomentes ist es zweckmäßig, die Steuerung der Ventile 7 bis 18 bzw. 33 bis 50 nach Art einer Anschnittsteuerung durchzuführen, um so die Spannungszeitflächen der Spannungshalbwellen, die verantwortlich sind für den Haibwellenstrom in jeder der vorgenannten Wicklungen, in entsprechender Weise beeinflussen zu können.

Neben Erhöhen der Phasenzahl der Speise wechselspannung führt auch eine hohe Netzfrequenz dieser Spannung zu möglichst guten Betriebsergebnissen (geringe Welligkeit, symmetrische Netzbelastung) bei der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung. Es is1 daher besonders vorteilhaft, eine solche Einrichtung für einen dieselelektrischen Lokomotivantrieb einzusetzen und die gleichfelderregte elektrische Maschine nach Synchronbauart als Antriebsfahrmotor für die dieselelektrische Lokomotive und als Wechselspannungsquelle einen mit dem Antriebsdieselmotor 21 gekuppelter Generator 19 vorzusehen. Während bei Speisung aus einem Verbundnetz im allgemeinen nur eine niedrige Frequenz direkt zur Verfügung steht, kann durch die Verwendung eines Antriebsdieselmotors 21 und eines nachgeschalteten Generators 19 hoher Polpaarzahl aul einfache Weise eine wesentlich höhere Frequenz der Speisewechselspannung an den Leitungspolen R, Mf. geliefert werden. Im Gegensatz zu bekannten dieselelektrischen Lokantrieben, bei denen Gleichstromgeneratoren oder Wechselstromgeneratoren mit nachgeschalteten Gleichrichtern auf Kommutator-Fahrmotoren arbeiten, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Einrichtung ein besonders einfacher und wartungsarme! Antrieb, hoher Betriebssicherheit, da z. B. bei Ausfall eines Thyristors der Betrieb selbsttätig — wenn auch mit geringfügig verringerter Leistung — aufrechterhalten bleibt und somit die schadhaften Thyristoren ersi während normaler Fristarbeiten an der Lokomotive ausgetauscht werden brauchen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung eines Stromrichtermotors mit gleichstromerregtem Polrad, rnsbesondere eines Antriebsmotors für eine dieselelektrische Lokomotive, mit Ankerwicklungen, von denen jede einerseits über eine Antiparallelschaltung von zwei polradabhängig steuerbaren Ventilen zyklisch an eine Wechselspannungsquelle anschlieübar und andererseits mit einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden ist, der an einen Pol der Wechselspannungsquelle geführt ist dadurch gekennzeichnet, daß von den steuerbaren Ventilen (7 bis 18; 33 bis 50) jeweils entgegengesetzt geschaltete Ventile (z. B. 9 und 17; 33 und 38, ^9 und 44, 45 und 50) zweier räumlich versetzter und aufeinanderfolgender Ankerwicklungen (1 und 3; 24 und 26,27 und 29, 30 und 32) so angesteuert sind, daß in der einen Spannungshalbwelle ein Strom in der einen Riehtung von einem ersten Pol (R; R, S, T) über die erste Ankerwicklung (I; 24, 27, 30) zu dem zweiten Pol (Mp) und in der nachfolgenden, entgegengesetzten Spannungshalbwelle ein Strom von dem zweiten Pol (Mp) über die zweite Ankerwicklung (3; 26, 29, 32) zum ersten Pol (R; R, S, T) fließt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Anschnittsteuerung der steuerbaren Ventile vorgesehen ist.