DE2132379C3 - Bremsschaltung eines an ein Versorgungsnetz anschließbaren Motorantriebssystems - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bremsschaltung eines an ein Versorgungsnetz anschließbaren Motorantriebssystems, dessen Motoren im Bremsbetrieb als Bremsgeneratoren arbeiten, deren Ankerwicklungen über einen Gleichstromsteller kurzschließbar oder einem Verbraucherwiderstand parallel schaltbar sind, wobei im Bremsbetrieb in Abhängigkeit von einer parallel zu dem Bremsgenerator und den beiden Einspeisepunkten des Versorgungsnetzes angeordneten Spannungsmeßeinrichtung über einen steuerbaren Stromrichter ein erster Verbraucherwiderstand schaltbar ist.

In Antriebseinrichtungen, in denen Motoren mit einer oftmals abzubremsenden mechanischen Last gekuppelt sind, beispielsweise bei einem Aufzugssystem oder im elektrischen Bahnbetrieb, werden die Motoren zur Leistung von Bremsarbeit herangezogen, indem man sie als Generatoren arbeiten läßt. Die hierbei erzeugte elektrische Leistung kann entweder in das Versorgungsnetz, z. B. das Fahrleistungsnetz, zurückgeliefert oder in Widerständen vernichtet bzw. in Wärme umgesetzt werden.

Beim Nutzbremsbetrieb kann es nun vorkommen, daß die Bremsenergie gar nicht oder nur teilweise an das Versorgungsnetz als Nutzenergie zurückspeisbar ist. Das kann beispielsweise durch ein sogenanntes Bügelspringen eines elektrischen Triebfahrzeuges, durch eine Unterbrechung der Stromschiene oder dadurch hervorgerufen sein, daß im Versorgungsnetz des elektrischen Energiesystems die gerade anfahrenden Triebfahrzeuge bzw. die im Motorbetrieb arbeitenden Antriebe nicht die gesamte angebotene Nutzbremsenergie aufnehmen können. Die Folge davon sind möglicherweise Schäden an der Nutzbremseinrichtung auf Grund von Oberspannungen sowie der Ausfall der Bremsung, wenn nicht schnellstens auf einen anderen Bremsbetrieb umgeschaltet werden kann.

ίο In dem Maße wie bei modernen Steuerschaltungen für derartige Motorantriebssysteme die Thyristortechnik zur Steuerung des Motorbetriebes verwendet wird, wird sie heute auch schon weitgehend zur Steuerung des elektrischen Bremsbetriebes eingesetzt Bei einer bekannten solchen Schaltung speisen die als Generatoren arbeitenden Motoren zunächst in das Versorgungsnetz zurück. Erreiche ein die Aufnahmefähigkeit dieses Netzes überwachende Kontrolleinrichtung vorgegebene Mindestgrößen, z. B. eine Mindestspannung an

ίο einem den Motoren parallelgeschalteten Glättungskondensator, wird ein Widerstandsbremsbetrieb zugeschaltet derart daß über ein Thyristor ein Widerstand so lange parallel zu den Motoren angeschlossen ist bis das Versorgungsnetz für die anstehende Bremsenergie wieder voll aufnahmefähig ist (Offenlegungsschrift 20 57 440). Bei dieser Einrichtung muß also neben den den Moioren zu deren Spannungssteuerung zugeordneten elektronischen Schaltern noch jeweils ein zweiter für die volle Bremsleistung auszulegender elektronischer Schalter installiert werden.

Durch die französische Patentschrift 9 53 336 ist eine Anordnung zum Umschalten eines Gleichstrommotors vom motorischen in den generatorischen Betrieb und umgekehrt bekannt Die Ankerwicklung ist über einen steuerbaren, jederzeit löschbaren Thyristor mit eine Gleichstromquelle verbunden. Parallel zum steuerbaren, jederzeit löschbaren Thyristor ist die Reihenschaltung eines einpoligen Schaltelementes (Thyristors) und eines Bremswiderstandes vorgesehen.

Eine Bremsschaltung, bei der ein Bremswiderstand über einen Thyristor parallel zum Motor schaltbar ist, zeigt auch Fig. 17 der Zeitschrift »Proceeding I. E. Ε.«, Vol. 110, No. 1, Januar 1963, S. 202. Parallel zu diesem Bremswiderstand und dem Thyristor liegt die Reihenschaltung eines hochohmigen Widerstandes mit einem weiteren Thyristor, wobei der Verbindungspunkt des Bremswiderstandes mit dem Thyristor und des hochohmigen Widerstandes mit dem weiteren Thyristor durch einen Löschkondensator überbrückt ist. Wird der mit dem Bremswiderstand in Reihe liegende Thyristor gezündet, so lädt sich der Kondensator über den hochohmigen Widerstand auf. Sobald man vom Bremsen auf Fahren übergeht, kann durch Zünden des mit dem hochohmigen Widerstand in Reihe liegenden Thyristors der erste Thyristor mit Hilfe der Kondensatorladung gelöscht werden. Der Ladewiderstand für den Kondensator ist dabei so hochohmig, daß nach dem Löschvorgang des ersten Thyristors der zweite Thyristor von selbst ausgeht.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art den Aufwand für die elektronische Schalteinrichtung unter Beibehaltung der schnellen und sicheren Regelungsmöglichkeit herabzusetzen. Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß parallel zu dem ersten Verbraucherwiderstand mit dem steuerbaren Stromrichter zumindest ein weiterer, vorzugsweise gleich großer Verbraucherwiderstand über einen mechanischen Schalter schaltbar ist. Auf

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diese Weise ist eine Parallelschaltung eines ungeregelten Widerstandes zu einem über einen steuerbaren Stromrichter (z. B. über einen Thyristorsteller) geregelten Widerstand geschaffen. Dadurch ist es möglich, einen Teil der Stellerleistung auf den mechanischen Schalter mit den zweiten Verbraucherwiderstand zu übertragen, wenn der Regelbereich des ersten Verbraucherwiderstandes allein nicht ausreicht Zweckmäßigerweise ist dabei der gesamte einschaltbare Verbraucherwiderstand derart bemessen, daß in ihm die maximale Bremsleistung des Motorenantriebssystems in Wärme umgesetzt werden kann. Damit wird also erreicht, daß eine schnelle und sichere Bremsregelung möglich ist, jedoch der steuerbare Stromrichter nur maximal für die halbe Bremsleistung ausgelegt sein muß und gleichzeitig mit einfachen Mitteln ein Überspannungsschutz beispielsweise auch gegen Überspannungen auf Grund von Spannungsunterbrechungen oder Überspannungen des Versorgungsnetzes geschaffen ist, der auch im Motorbetrieb voll einsatzfähig ist, indem beim Auftreten von Überspannungen, die auch dann von der Spannungsmeßeinrichtung gemeldet werden, der steuerbare Stromrichter den nachgeschalteten Verbraucherwiderstand als Überspannungsschutzwiderstand einschaltet

In zweckmäßiger Weise wird als steuerbarer Stromrichter ein zweiter Gleichstromsteller verwendet Besonders einfach kann die Schaltung dadurch gestaltet werden, daß als Spannungsmeßeinrichtung ein parallel zu den Einspeisepunkten des Versorgungsnetztes angeordneter Kondensator benutzt wird, der gleichzeitig als Glättungsglied der gechopperten Motorspannung dient

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert

Das Ausführungsbeispiel zeigt die erfindungsgemäße Schaltung in Anwendung auf ein Motorantriebssystem eines elektrischen Triebfahrzeuges. Von der Reihenschaltung des Ankers 1 eines elektrischen Fahrmotors mit der zugehörigen Erregerwicklung 3 führt einerseits ein Strompfad über eine erste Diode 12, eine Zusatzinduktivität 17, einen Hauptschalter 13 und einen Stromabnehmer 14 sowie eine Fahrleitung 18 zu dem einen Pol und über zumindest ein Rad 15 und eine Fahrschiene 16 zu dem anderen Pol des Versorgungsnetzes. Parallel zur Reihenschaltung des Ankers 1 und der Erregerwicklung 3 liegt ein erster Gleichstromsteller 2, parallel zu desesn Reihenschaltung — wobei Gleichstromsteller 2 und Diode 12 anodenseitig verbunden sind — mit der ersten Diode 12 ist ein gleichzeitig als Glättungsglied und Spannungsmeßeinrichtupg dienender Kondensator 4 angeschlossen; die Anschlußpunkte des Kondensators 4 sind dabei gleichzeitig als Einspeisepunkte des Versorgungsnetzes anzusehen. Parallel zu dem Kondensator 4 wiederum liegt jeweils die Reihenschaltung eines ersten Verbraucherwiderstandes 6 mit einem zweiten Gleichstromsteller 5 sowie eines zweiten Verbraucherwiderstandes 8 mit einem Schütz 7. Der zweite Gleichstromsteller 5 steht in Schaltabhängigkeit von einem am Kondensator 4 anliegenden zur Feststellung von Überspannungen vorgebbaren Spannungswert.

Kann das Versorgungsnetz die von dem im Bremsbetrieb arbeitenden Motorantriebssystem abgegebene Bremsleistung aufnehmen, so hat die am Kondensator 4 anliegende Spannung den vorgegebenen Mindestwert noch nicht erreicht so daß der zweite Gleichstromsteller 5 noch nicht gezündet bzw. das Schütz 7 noch nicht geschlossen ist Mu Hilfe des in bestimmter Weise gesteuerten Gleichstromstellers 2 ist dann über den gesamten Drehzahlbereich des Motors 1,3 eine Rückspeisung in das Versorgungsnetz möglich. Durch die erste Diode 12 wird dabei ein Stromfluß vom Netz her verhindert Wird der erste Gleichstromsteller 2 gezündet, so erregt sich der Motor im Kurzschluß. Wird der Gleichstromsteller 2 wieder gesperrt, so fließt der Strom, der wegen der Maschineninduktivität eingeprägt ist über die Diode 12 weiter in das Versorgungsnetz. Während bei höherer Drehzahl die Kurzschlußdauer für den Motor, also die Einschaltzeit des Gleichstromstellers klein und die Zeit während der der Strom ins Netz fließt groß ist, wird mit sinkender Drehzahl die Einschaltdauer größer und die Stromflußzeit ins Netz kleiner. Durch das auch beim Fahrbetrieb zwischen Fahrleitung und Netz vorhandene Glättungsglied werden die vom Bremskreis gelieferten impulsformigen Ströme so geglättet daß dem Netz ein Gleichstrom angeboten wird. Das Prinzip dieser selbsterregten Nutzbremse setzt voraus, daß die Anker-EM K immer kleiner als die Netzspannung bleibt Da aber die Bremsspannung der Reihenschlußmotoren bei höheren Drehzahlen gewöhnlich größer ist als die Netzspannung, muß die Anker-EMK an die Netzspannung angepaßt werden.

Um die Anker-EMK an die Netzspannung anzupassen, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Bremsschaltung mit Feldschwächung vorgesehen. Dazu führt von dem Verbindungspunkt zwischen der Ankerwicklung 1 und der Erregerwicklung 3 ein weiterer Strompfad über eine zweite Diode 11, eine sogenannte Überlaufdiode zur Kathodenseite der ersten Diode 12. Damit ist die Ankerwicklung 1 direkt an das Netz angeschlossen. Im oberen Drehzahlbereich, wenn die Ankerspannung größer wird als die Netzspannung, fließt der Ankerstrom direkt über die Überlaufdiode 11 in das Netz. Die Erregung wird mit Hilfe des Gleichstromstellers verstellt der jetzt praktisch an der vollen Netzspannung arbeitet Um bei sinkender Geschwindigkeit beispielsweise ein konstantes Bremsmoment aufrechtzuerhalten, muß der Erregerstrom dann größer und der Ankerstrom kleiner werden. Von dem Augenblick an, indem Feldstrom gleich Ankerstrom wird, bleibt die Überlaufdiode 11 stromlos, die Schaltung geht von der Fremderregung in die Selbsterregung über.

1st nun das Versorgungsnetz nicht oder nicht voll aufnahmefähig für die anstehende Bremsenergie des Motorantriebssystems, so überste-gt die am Kondensator 4 anliegende Spannung den vorgegebenen Mindestwert und veranlaßt die Zündung des zweiten Gleichstromstellers 5 und gegebenenfalls die Einschaltung des Schützes 7. Der gesamte Verbraucherwiderstand 6, 8 (beispielsweise = R\) ist so zu beinessen, daß er bei voll durchgezündetem zweiten Gleichstromsteller 5 und eingeschaltetem Schütz 7 die volle maximal mögliche Bremsleitung in Wärme umsetzen kann. Ein Maß dafür, wann der Verbraucherwiderstand ein- oder ausgeschaltet wird, ist das Erreichen bzw. Überschreiten des vorgegebenen Mindestwertes der Kondensatorspannung am Kondensator 4. Überschreitet sie diesen vorgegebenen Wert kann also an das Versorgungsnetz nicht genügend Bremsenergie abgegeben werden, so wird der zweite Gleichstromsteller 5 gezündet; sinkt die Kondensatorspannung unter den vorgegebenen Wert, so wird der zweite Gleichstromsteller 5 wieder

gelöscht.

Bei der erfindungsgemäßen Aufteilung des gesamten Widerstandes Rv in je einen über ein Schütz einschaltbaren Widerstand 8 (« 2 Rv) und einen dazu parallel angeordneten über den zweiten Gleichstromsteller 5 einschaltbaren Verbraucherwiderstand 6 (= 2 Rv) ist der zweite Gleichstromsteiler 5 im Vergleich zu der zuvor geschilderten Regelung des gesamten Widerstandes Rv nur für die halbe Leistung auszulegen. Wird ein Bremswiderstand zwischen Rvund 2 Ävbenötigt, so wird der zweite Verbraucherwiderstand 8 (= 2 Rv) über das Schütz 7 eingeschaltet und über den zweiten Gleichstromsteller 5 der wirksame Wert des ersten Verbraucherwiderstandes 6 (= 2 Rv) zwischen den Werten 2 Ävund oo verändert. Genügt ein Bremswiderstandswert zwischen 2 Rv bis », so wird das Schütz 7 geöffnet und über den zweiten Gleichstromsteller 5 der Wert des Bremswiderstandes durch impulsförmiges Ein- und Ausschalten des ersten Verbraucherwiderstandes 6 allein geregelt

Die Bremsschaltung läßt sich auch dahingehend ausgestalten, daß der Verbraucherwiderstand Rv mehrfach aufgeteilt wird, wobei wiederum die Gesamtheit aller möglichen Einzelwiderstände die maximale Bremsleistung aufnehmen können muß und vorzugsweise nur ein Teilwiderstand über einen zweiten Gleichstromsteller zur jeweiligen Feinregelung der Bremswiderstandsleistung impulsförmig aus- und eingeschaltet wird.

Um beispielsweise auf einem elektrischen Triebfahrzeug zusätzlich Gewicht einzusparen, kann es vorteilhaft sein, als Verbraucherwiderstand 6 und/oder 8 einen an sich in Verbindung mit dem Motorantriebssystem vorhandenen Widerstand, vorzugsweise einen Heizwiderstand mitzubenutzen.

Die Verbraucherwiderstände 6 und/oder 7 sind zweckmäßigerweise auch im Fahrbetrieb in Abhängigkeit von einer Überspannung am Kondensator 4 einschaltbar. Im Fahrbetrieb ist über einen dann geschlos-

senen Fahrschalter 19 zwischen den kathodenseitigen Anschlußpunkten der Dioden U und 12 und der fahrleitungsseitigen Einspeisung aus dem Versorgungsnetz eine Verbindung zu dem an der Fahrschiene liegenden Anschluß der Ankerwicklung 1 hergestellt und durch

eine zusätzliche Diode 9 ein direkter Strompfad von

dieser Ankerwicklungsseite zur Fahrschiene verhindert.

Durch Pulsen des ersten Gleichstromstellers 2 wird

die den Fahrmotoren zugeführte Spannung geregelt.

Bei Überspannungen von der Fahrleitung her, z. B. auf

Grund von auflaufenden Wanderwellen, wird durch Ansteigen der Spannung am Kondensator 4 und dadurch bedingtes Übersteigen des vorgegebenen Spannungsmindestwertes augenblicklich über den zweiten Gleichstromsteller 5 der erste Verbraucherwiderstand

6 als Überspannungs-Schutzwiderstand eingeschaltet. Genügt dieser Verbraucherwiderstand 6 nicht zum Abbau der Überspannung, kann auch im Fahrbetrieb gegebenenfalls der zweite Verbraucherwiderstand 8 zugeschaltet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Bremsschaltung eines an ein Versorgungsnetz anschließbaren Motorantriebssystems, dessen Motoren im Bremsbetrieb als Bremsgeneratoren arbeiten, deren Ankerwicklungen über einen Gleichstromsteller kurzschließbar oder einem Verbraucherwiderstand parallel schaltbar sind, wobei im Bremsbetrieb in Abhängigkeit von einer parallel zu dem Bremsgenerator und den beiden Einspeisepunkten des Versorgungsnetzes angeordneten Spannungsmeßeinrichtung über einen steuerbaren Stromrichter ein erster Verbraucherwiderstand schaltbar ist dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem ersten Verbraucherwiderstand mit dem steuerbaren Stromrichter zumindest ein weiterer, vorzugsweise gleich großer Verbraucherwiderstand über einen mechanischen Schalter schaltbar ist

2. Bremsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der maximal einschaltbare gesamte Verbraucherwiderstand für die Aufnahme der maximalen Bremsleistung des Motorantriebssystems bemessen ist

3. Bremsschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Stromrichter ein zweiter Gleichstromsteller vorgesehen ist

4. Bremsschaltung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß als Verbraucherwiderstand ein in Verbindung mit dem Motorantriebssystem an sich vorhandener ohmscher Widerstand benutzt ist.

5. Bremsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß als Verbraucherwiderstand ein Heizwiderstand vorgesehen ist.