DE2225868B2 - Steuervorrichtung für eine elektrische Maschinenanordnung - Google Patents

Steuervorrichtung für eine elektrische Maschinenanordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine elektrische Maschinenanordnung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die zu steuernde, elektrische Maschinenanordnung mit elektromagnetischer Kupplung und Elektromotor kann als Energieübertragungseinrichtung betätigt werden, durch welche der Ausgang einer Antriebsmaschine « auf einen belastbaren Verbraucher übertragen wird. Die Antriebsmaschine ist eine Maschine, welche eine mechanische Drehbewegung auf einen Verbraucher überträgt und beispielsweise ein Elektromotor, eine Gas-, Dampf- oder Wasserturbine oder eine Brennkraft- wi maschine sein kann. Die aus elektromagnetischer Kupplung und Elektromotor bestehende elektrische Maschinenanordnung und die Antriebsmaschine bilden einen Hybridantrieb für Fahrzeuge, deren Räder von einem Elektromotor angetrieben werden. μ
Bei einem bekannten Hybridantrieb für elektrisch angetriebene Fahrzeuge wird der die Räder des Fahrzeugs antreibende Elektromotor gleichzeitig von einer elektrischen Batterie und einem Elektrogenerator gespeist, der von einer Antriebsmaschine angetrieben wird.
Bei einem derartigen System ist es bekannt, einen Gleichstrommotor zu verwenden, dem elektrische Energie aus einer elektrischen Batterie und von einem Elektrogenerator über einen Thyristor-Zerhacker zugeführt wird, der elektrisch zwischen den Gleichstrommotor und die elektrische Batterie geschaltet ist Ein derartiges Steuersystem ist jedoch kompliziert und teuer.
Es ist ebenfalls bekannt, ein elektrisches Steuersystem für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs zu verwenden, bei welchem einem Wechselstrommotor elektrische Energie aus einer elektrischen Batterie und einem Elektrogenerator über einen Thyristor-Umformer zugeführt wird, der elektrisch zwischen den Wechselstrommotor und die elektrische Batterie geschaltet ist. Das elektrische Steuersystem wird in diesem Fall, in welchem der Umformer durch Halbleiter gesteuerte Gleichrichter aufweist, sehr kompliziert und teuer, wobei das Steuersystem ferner häufig unverläßlich im Betrieb ist
Ein weiteres bekanntes, elektrisches Steuersystem für den Antrieb eines Verbrauchers (US-PS 34 88 567) weist eine Antriebsmaschine, eine elektromagnetische Kupplung und eine Gleichstrommaschine auf. Die elektromagnetische Kupplung hat zwei Rotoren, von denen der eine Rotor von der Primärmaschine angetrieben wird und der andere Rotor mechanisch mit der Gleichstrommaschine verbunden ist. In diesem Fall ist es erforderlich, einen Umformer zu verwenden, der mit einer anderen Wechselstromquelle als die Ausgangsklemmen der elektromagnetischen Kupplung verbunden ist und auch als Wechselrichter gesteuert werden kann, wenn der Verbraucher in einem weiten Geschwindigkeitsbereich steuerbar sein soll. Dieses elektrische Steuersystem ist sehr kompliziert und teuer. Wenn dieses bekannte System mit elektromagnetischer Kupplung und Gleichstrommaschine nicht nur mit einer Antriebsmaschine dynamisch sondern auch mit einer elektrischen Batterie elektrisch verbunden werden soll, wird das elektrische System sehr kompliziert, wenn der Verbraucher in einem großen Geschwindigkeitsbereich steuerbar sein soll.
Wenn man die Kapazität des den Verbraucher antreibenden Elektromotors verringern möchte, ist es zweckmäßiger, eine elektromagnetische Kupplung als einen Elektrogenerator zu verwenden, sofern dem Elektromotor elektrische Energie von der elektromagnetischen Kupplung oder vom Elektrogenerator zugeführt wird, der von einer Antriebsmaschine angetrieben wird.
Es ist daher die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine elektrische Steuervorrichtung zum Antreiben eines Verbrauchers, beispielsweise eines Rades eines Elektrofahrzeuges, der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen einfachen Aufbau hat und eine Steuerung der Geschwindigkeit über einen weiten Geschwindigkeitsbereich gestattet, ohne daß dies zu Lasten des Wirkungsgrades des Hybridantriebes geht.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Mit Hilfe der elektrischen Steuervorrichtung gemäß der Erfindung kann die Geschwindigkeit der Primärmaschine bzw. der Antriebsmaschine konstant gehalten und die Geschwindigkeit des Verbrauchers bzw. des anzutreibenden Rades gesteuert werden. Die Energie
der elektrischen Batterie kann der Energie der Antriebsmaschine zugeschlagen werden, wenn eine große, den Verbraucher antreibende Energie erforderlich ist, wie dies beispielsweise beim Antreiben eines Rades mit hoher Geschwindigkeit der Fall ist Die Batterie kann auch über die Ankerwicklung der elektromagnetischen Kupplung, die von der Antriebsmaschine angetrieben wird, aufgeladen werden, wenn die Lastanforderung gering ist
Weiicre vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand von Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigen
F i g. 1 und 2 schematische Darstellungen von elektrischen Steuervorrichtungen gemäß der Erfindung,
F i g. 3 und 4 Darstellungen praktischer Ausführungsbeispiele der Steuervorrichtungen gemäß der Erfindung.
Wie aus F i g. t hervorgeht, weist die elektrische Steuervorrichtung gemäß der Erfindung u. a. eine Antriebsmaschine 1, eine elektromagnetische Kupplung 2, einen Elektromotor 3, der beispielsweise eine Gleichstromreihenschlußmaschine ist, und eine Last 6 auf. Die elektromagnetische Kupplung 2 besitzt zwei Rotoren 4 und 5, die relativ gegeneinander drehbar sind und von denen der Rotor 4 über die Well·· 15 von der Antriebsmaschine 1 angetrieben wird und der Rotor 5 über den Motor 3 und über die Welle 16 mit der Last verbunden ist. so
Der Umformer 7 mit den gesteuerten Gleichrichtern 28 weist die Wechselstromklemmen 29 und Gleichstromklemmen 30 auf. Die Wechselstromklemmen 29 sind mit der Ankerwicklung im Rotor 4 der elektromagnetischen Kupplung 2 und die Gleichstromklemmen 30 π sind mit den Gleichstromklemmen des Elektromotors 3 mit dem Kommutator 24, den Bürsten 50 und der Feldwicklung 10 verbunden. Eine Batterie 12 ist in Reihe mit den Gleichstromklemmen 30 des Umformers 7 in dem Schaltkreis geschaltet, der über die Leitung 49 und den Gleichstrom-Eingangsklemmen des Elektromotors 3 geschlossen ist. Die Ausgangsklemmen eines anderen Gleichrichters 34 sind über die Anschlüsse 31 parallel zur Batterie 12 angeschlossen.
Einer der beiden Rotoren 5 oder 4 der elektromagnetischen Kupplung 2 ist mit einer Gleichstromwicklung versehen, die über Schleifringe 9 mit Erregerstrom aus einer nicht dargestellten elektrischen Quelle gespeist wird. Der der Gleichstromwicklung der elektromagnetischen Kupplung 2 zugeführte Erregerstrom kann über eine Steuervorrichtung gesteuert werden. Die Gleichstrom-Kommutatormaschine 3 wird mit elektrischer Energie aus der elektrischen Batterie 12 und der elektromagnetischen Kupplung 2 über den Umformer 7 gespeist.
Wie aus F i g. 3 hervorgeht, sind die elektromagetische Kupplung 2 und der Gleichstronikommutatormotor 3 zu einer Einheit zusammengefaßt wobei der Rotor der Gleichstrommaschine 3 und der rotierende Teil 5 der elektromagnetischen Kupplung aus einem Stück m> besteht. Der Stator 26 der Gleichstrom-Kommutatormaschine 3 mit den Polen 20 weist die Feldwicklungen 44 auf. Der Rotor 27 der Gleichstrommaschine 3 ist mit einer Ankerwicklung 21 versehen, die an den Kommutator 24 angeschlossen ist. Die Feldwicklungen 44 können t>r> aus einer Spannungswicklung und einer Stromwicklung bestehen. Das Bezugszeichen 25 bezieht sich auf Lager.
dreht sich in einem Zwischenraum zwischen dem Stator 26 der Gleichstrom-Kommutatormaschine und dem anderen Rotor 4 der elektromagnetischen Kupplung Z
Wie aus F i g. 1 hervorgeht, wird der Umformer 7 aus den gesteuerten Gleichrichtern 28 durch eine Steuervorrichtung 32 gesteuert Wenn die Gleichstrom-Kommutatormaschine 3 in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich gefahren wird, wird uer Umformer 7 als Wechselrichter betrieben. Ein Schalter 36 dient zum öffnen und Schließen des elektrischen Kreises. Die Ankerwicklung des Rotors 4 der elektromagnetischen Kupplung 2 ist mit den Ausgangsklemmen der Batterie 12 über einen Transformator 33 und den vom Umformer 7 getrennten Gleichrichter 34 elektrisch verbunden. Das Bezugszeichen 35 zeigt eine Dreiphasendrossel. Die Batterie 12 kann mit elektrischer Energie aus der elektromagnetischen Kupplung 2 über die Drossel 35, den Transformator 33 und den Gleichrichter 34 aufgeladen werden.
Die Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 1, jedoch ist hier an Stelle des Gleichstromreihenschlußmotors ein Wechselstrommotor 3 verwendet, der über einen Wechselrichter 37 mit dem Steuerorgan 40 gespeist wird. Die Geschwindigkeit der Last 6 kann bei dieser Ausführungsform dadurch gesteuert werden, daß die Steuervorrichtung 40 des Wechselrichters 37, die Steuervorrichtung 32 dei Gleichrichter 28 oder der Erregerstrom der elektromagnetischen Kupplung 2 gesteuert werden. Ein Schalter 38 dient zum öffnen und Schließen des elektrischen Schaltkreises. Die elektrischen Schaltbilder gemäß den F i g. 1 und 2 können als Schaltpläne für Elektrofahrzeuge verwendet werden. Die Last 6 kann ein Rad eines Fahrzeuges und die Antriebsmaschine 1 kann eine Verbrennungskraftmaschine sein.
Die Fig.4 zeigt daß — wie im Beispiel nach Fig.3 der Rotor 5 der elektromagnetischen Kupplung 2 und der Rotor 27 des Wechselstrommotors 3 zu einem einzigen Rotor 5/27 zusammengefaßt sind, der sich in einem Zwischenraum zwischen dem Stator 26 des Wechselstrommotors 3 und dem inneren Rotor 4 der elektromagnetischen Kupplung 2 dreht. Schleifringe 46 dienen für die Zufuhr eines Erregerstromes zu den Feldwicklungen 44 des Wechselstrommotors 3. Mit 21 ist die Ankerwicklung des Motors bezeichnet.
Die Wirkungsweise der Steuervorrichtung nach Fi g. 1 ist folgende. Die Drehzahl der Antriebsmaschine 1 und des mit ihr verbundenen Kupplungsteiles 4 ist konstant. Wenn die Gleichstrommaschine 3 angefahren wird, wird der Erregerstrom der elektromagnetischen Kupplung 2 nahezu konstant gehalten. Die Steuervoirichtung 32 steuert den Umformer 7 so, daß dieser als Wechselrichter arbeitet.
Wenn die Klemmenspannung der elektrischen Batterie 12 beispielsweise +200 Volt ist und die Gleichstrom-Klemmenspannung des Wechselrichters 7 beispielsweise —150 Volt beträgt, also der Batteriespannung mit 150 Volt entgegengerichtet ist ist die den Klemmen der Gleichstrommaschine 3 zugeführte Spannung +50 Volt. Nachdem die Gleichstrommaschine 3 angefahren ist, wird die Steuervorrichtung 32 so gesteuert, daß die Spannung an den Gleichstromklemmen des Umformers 7 allmählich vermindert wird, wie beispielsweise —150 Volt, -130 Volt, -100 Volt, -70 Volt usw. Wenn die Spannung an den Gleichstromklemmen des als Wechselrichter arbeitenden Umformers Null wird, beträgt die den Klemmen der Gleichstrommaschine zugeführte
Klemmenspannung der elektrischen Batterie 12 ist. Nachdem die Spannung an den Gleichstromklemmen des Umformers 7 Null geworden ist, wird die Steuervorrichtung 32 so gesteuert, daß der Umformer 7 als Gleichrichter arbeitet und die Spannung an den Gleichstromklemmen allmählich zunimmt. Wenn die Spannung an den Gleichstromklemmen des Gleichrichters 7 + 200 Volt beträgt, ist die der Gleichstrommaschine 3 zugeführte Spannung 400 Volt, so daß diese Spannung gleich der Klemmenspannung der elektrischen Batterie 12 plus der Spannung an den Gleichstromklemmen des Gleichrichters 7 ist. Auf diese Weise kann die Gleichstrommaschine 3 leicht über einen weiteren Geschwindigkeitsbereich gesteuert werden. Die gesamte Anordnung ist daher einfach, wirtschaftlich und im Betrieb verläßlich.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Steuervorrichtung für eine elektrische Maschinenanordnung mit einer elektromagnetischen Kupplung mit zwei relativ zueinander drehbaren Rotoren, von denen ein Rotor mit einer Ankerwicklung und der andere Rotor mit einer Erregerwicklung versehen ist, wobei einer der beiden Rotoren der elektromagnetischen Kupplung mit dem Rotor eines aus einer Gleichstromquelle gespeisten Elektromotors, der eine Last antreibt, mechanisch verbunden ist und der andere Rotor der elektromagnetischen Kupplung von einer Antriebsmaschine angetrieben ist, mit einem aus gesteuerten Gleichrichtern bestehenden Umformer, dessen Wechselstromanschlußklemmen mit der Ankerwicklung der elektromagnetischen Kupplung und dessen Gleichstromanschlußkiemmen mit dem Elektromotor verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Batterie (12) in Reihe zwischen den Gleichstrom-Anschlußklemmen (30) des Umformers (7) und den Gleichstrom-Eingangsklemmen des Elektromotors geschaltet ist, und daß die Ausgangsklemmen eines weiteren Gleichrichters (34) parallel zur Batterie (12) geschaltet sind.
2. Elektrische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor eine Gleichstromreihenanschlußmaschine ist.
3. Elektrische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein Wechselstrommotor (3) ist, der aus einem Wechselrichter (39) gespeist ist.
4. Elektrische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung der elektromagnetischen Kupplung mit der Batterie (12) über einen Transformator (33) und den Gleichrichter (34) verbunden ist.
5. Elektrische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer (7) als Wechselrichter verwendbar ist.
6. Elektrische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmaschine eine Verbrennungsmasnhine und die Last ein Rad eines Elektrofahrzeugs ist.
45
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