DE2242334A1

DE2242334A1 - Gleichstromsteuerschaltung

Info

Publication number: DE2242334A1
Application number: DE2242334A
Authority: DE
Inventors: Albert William Anderson; Charles Edward Konrad
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-08-31
Filing date: 1972-08-29
Publication date: 1973-03-08
Also published as: IT964075B; FR2151027A1; US3753077A; JPS4835338A; JPS5337536B2; GB1412283A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Steuerschaltung zur Änderung der von einer Gleichstromquelle auf eine geeignete Last abgegebenen effektiven Leistung und insbesondere auf eine Steuerschaltung zur Änderung der effektiven Leistung zu einem Reihengleichstrommotor durch Steuerung der Größe der Zeit, in der Motor und Quelle miteinander verbunden sind. Dies kann erreicht werden durch Änderung der Frequenz der Impulse, welche der Last zugeführt werden, durch Änderung der Breite der Impulse oder durch irgendeine Kombination dieser beiden Methoden.

Es ist bekannt, daß die Menge der Leistung, welche einer Last, beispielsweise einem Gleichstrommotor, von einer praktisch konstanten Gleichspannungsquelle.zugeführt werden kann, durch Zuschaltung und Abtrennung der Last von der Quelle variiert werden

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werden kann. Die der Last zugeführte effektive Leistung ändert
sich gemäß dem Anteil der Gesamtzeit, in dem Last und Quelle verbunden sind. Es ist auch bekannt, eine Festkörperschaltereinrichtung zu verwenden, die mit einer gewählten Frequenz durchgeschaltet werden kann, um diese Änderung der Leistungsmenge zu erhalten. Die normalerweise bei Anwendungen dieser Art verwendeten
Festkörperschaltereinrichtungen sind als Thyristoren bekannt. Die gebräuchlichsten Tiiyr Is toren sind die gesteuerten Siliciumgleichrichter; bezüglich ihrer Beschreibung wird verwiesen auf "SCR-Manual Hth LcIi tion", Copyright: Lü67 durch General Electric Co.
Thyristoren werden s Lroiudurch lässig gemache durch gleichzeitige
Zuführung einer Vorspannung in Vorwärtsrichtung und eines Gatteroder Zünd.; i;;n. ι L;. Wenn der S trumdurchgang einmal eingeleitet ist, kann das Zünch;i,',nal .ve^^enominen werden und der Stromdurchlaß wird solange weiter- bestehen, bis an den ThyrIstoranschiüssen ein Nullstrom und eine negative Vorspannung zugeführt wird.

Ein Beispiel für eine Mo tors teuerschaltung unter Verwendung des
vorbeschriebenen Steuerungstyps ist gegeben in dem US-Patent
3 335 351. Ln diesem Patent wird der Motor über einen Hauptthyristor und insbesondere einen gesteuerten Siliciumgleichrichter
(SCR) gesteuert, welcher in den stromdurchlässigen Zustand durchgeschaltet wird, indem an seiner Gitterelektrode oder Gatterelektrode ein Impuls von einem Oszillator mit variabler Frequenz zugeführt wird. Dieser Thyristor (SCR) wird stromundurchlässig gemacht öder gesperrt mittels einer Energie, welche in einem geeigneten Kommutierungskondensator gespeichert wird, wobei dieser
Kondensator in einer Richtung entgegengesetzt zur normalen Stromdurchlaßrichtung des Thyristors entladen kann. Diese Art der
Steuerung ist in höchstem Maße typisch für die gegenwärtig für
elektrische Fahrzeuge verwendete Steuerung. Diese Steuerungsart
ist im allgemeinen recht zufriedenstellend, insbesondere dann,
wenn man sie mit den früheren Methoden unter Verwendung variabler Widerstände vergleicht. Der Großteil der Leistung wird im Motor
selbst verbraucht und nicht in einem großen Widerstandssatz verschwendet. Man erkennt jedoch, daß bei Steuerungen der hier be-

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handelten Art schon die Ersparnis geringer Energiemengen in höchstem Maße wichtig ist. Dies ist besonders gültig im Falle von Elektrofahrzeugen, bei denen die einzige Quelle für die Leistung in Akkumulatorbatterien besteht, welche von dem Fahrzeug selbst mitgeführt werden. Bei dieser bestimmten Anwendung ist es in höchstem Maße erwünscht, daß Verluste in den verschiedenen Bauteilen der Schaltung auf einem absoluten Minimum gehalten werden.

Ein weiteres vorherrschendes Problem bei zur Zeit vorhandenen ThyristorSteuerungen besteht darin, daß sich der Hauptthyristor zur Verbindung des Motors mit der Batterie in dem Schaltkreis zur Aufladung des Kondensators befindet, welcher anschließend zur Beendigung des Stromdurchgangs durch den Hauptthyristor verwendet wird. Obwohl Thyristoren normalerweise nicht als widerstandsbehaftete Einrichtungen betrachtet werden, besitzen sie jedoch einen gewissen Innenwiderstand und erzeugen· daher einen gewissen Verlust Im System. Eng verbunden mit dem Verlustproblem Ist das Problem der Siromkapazität eines bestimmten Thyristors. Jeder Thyristortyp Ist durch innere .Aufheizeffekte begrenzt bezüglich der Fähigkeit zur Übernahme einer mittleren Stromstärke. Daher werden vom Thyristor zusätzlich zu dem Motorstrom durchgelassene Ströme seine Fähigkeit vermindern, einen höheren Motorstrom zu übernehmen. ' -

Ein weiteres Problem betrifft die Art und Weise, in welcher der Stromdurchgang in einem Thyristor beginnt. Bei Einrichtungen dieser Art Ist die Zünd- oder Gatterelektrode ein Punktkontakt auf dem Basismaterial. Wenn dem Thyristor ein Gatterimpuls zugeführt wird, beginnt der Stromdurchgang an diesem Punktkontakt und breitet sich über das ganze Basismaterial der Einrichtung aus. Erst zu dem Zeitpunkt, an dem das/gesamte Basismaterial Strom durchläßt, ist der Thyristor in der Lage, seinen vollen Nennwert der Stromstärke zu übernehmen. Normalerweise erfolgt bei Zuführung des vollen Nennwertes der Stromstärke zu einem Thyristor vor Erreichen des voll stromdurchlässigen Schaltzustandes eine Erhöhung der Betriebstemperatur, welche zur Zerstörung der Einrichtung führen

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kann. Daher wird jede Maßnahme, die unternommen werden kann, um die Anstiegsgeschwindigkeit für die Stromstärke durch den Thyristor zu begrenzen, höhere Stromstärken in den vorgegebenen Temperaturgrenzen der Einrichtung fördern.

Bei vielen vorbekannten Steuerschaltungen wird der Kommutierungskondensator nur während des Zeitraumes aufgeladen, in dem der Hauptschaltkreis arbeitet. Bei elektrischen Fahrzeugen ist beispielsweise normalerweise ein kurzschließender Schalter enthalten, welcher die Steuerschaltung überbrückt und den Motor direkt über die Batterie schalte}:, um dem Motor volle Leistung zuzuführen. Es ist denkbar, daß bei einem plötzlichen Obergang von einem Betriebszustand mit voller Leistung unter Verwendung des Kurzschlußschalters zu einer normalen Steuerung nicht genügend Zeit für die Aufladung des Kommutierungskondensators zur Verfügung stehen kann und daher die Kommutierung des Hauptleistungsthyristors zum richtigen Zeitpunkt nicht ausgeführt wird.

Eine weitere Beschränkung der zur Zeit vorhandenen ThyristorSteuerungen besteht in den Einschränkungen bezüglich des Mindestdurchlaßintervalls der Hauptschaltereinrichtung. Dieses ist begrenzt durch die Zeitdauer, welche für die Umkehr der vom Kommutierungskondensator gespeicherten Energie erforderlich ist. Bei den bekannten Steuerungen.ist die Polarität der vom Kommutierungskondensator gespeicherten Ladungjvor der Einleitung der Stromdurchlaßperiode der Einrichtung entgegengesetzt der Ladung, welche für die Kommutierung der Hauptschaltereinrichtung erforderlich ist. Daher muß die Kommutierung der Hauptschaltereinrichtung solange verzögert werden, bis die Ladung des Kondensators umgepolt worden ist und dadurch wird das Mindestromdurchlaßintervall der Hauptschaltereinrichtung einer Begrenzung unterworfen. Da die der Last zugeführte Leistung eine Funktion des Teils der Gesamtzeit ist, in dem die Hauptschaltereinrichtung Strom durchläßt, führt diese Maßgabe einer Mindestdurchlaßperiode notwendigerweise zu einer niedrigeren Arbeitsfrequenz und zu einem höheren Oberwellen_^anteil in dem Laststrom. Der Oberwellenanteil in dem Laststrom,

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welcher? einem als Last dienenden Motor zugeführt wird, führt zu einer gesteigerten Erhitzung des Motors ohne eine entsprechende Steigerung des Drehmomentes.

Die vorstehend erläuterten Machteile der bekannten Anordnungen werden beseitigt durch das Steuersystem gemäß der Erfindung, welches vorsieht, daß die Speichereinrichtung oder der Kommutierungskondensator zur Sperrung der Hauptschaltereinrichtung in einem Schaltkreis enthalten ist, der bezüglich seiner Funktion unabhängig ist von der Hauptschaltereinrichtung. Daher ist es möglich, Einrichtungen' vorzusehen-zur Umkehr der Ladung des Kommutierung skondensa tors vor Auslösung des Stromdurchlasses durch die Hauptschaltereinrichtung. Hierdurch werden keine Beschränkungen bezüglich des Mindeststromdurchlaßintervalls auferlegt un<|das bei bekannten Steuerungen mit Einfügung der Hauptschaltereinrichtung in dem Leitungsweg für die Ladungsumkehr vorhandene Problem der Anstiegsgeschwindigkeit der Stromstärke wird überwunden. Diese Anordnung ergibt weiterhin eine Induktivität, die bei richtiger Bemessung unter Berücksichtigung der anderen Schaltungselemente zu einer Steuerung der Spannung des Kommutierungskondensators in Abhängigkeit von dem Lasfcstrom dient und -hierdurch wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit in der Hauptschaltereinrichtung beschränkt und die Resonanzumkehr der Kommutierungsenergie gefördert. *

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Steuerschaltung zur Änderung der von einer Gleichstromquelle zu einer Last zugeführten Leistung zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steuerschaltung für die Regelung der Leistung zu schaffen, welche einem Reihengleichstrommotor zugeführt ist und bei der keine Begrenzung bezüglich des Mindestdurchlaßintervalls der Hauptschaltereinrichtung besteht.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Induktivi-

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tat vorzusehen, die bei richtiger Bemessung bezüglich der anderen Schaltkreiselemente eine mehrfache Funktion übernimmt zur Schaffung einer Kommutierungsperiode unabhängig vom Laststrom, zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit durch die Hauptschaltereinrichtung und zur Bildung eines Resonanzkreises zusammen mit der Kommutierungseinrichtung für die Umkehr der in der Kommutierungseinrichtung gespeicherten Ladung.

Ein besseres Verständnis dieser und weiterer Aufgaben der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 enthält eine schematisch= Darstellung zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform.

Fig. 2 zeigt typische Spannungswellenformen für eine Arbeitsperiode dieser bevorzugten Ausführungsform.

Fig. 3 enthält ein Schaltbild des Impulsgenerators zur Lieferung von Zündsignalen an die Thyristoren. ^:

Fig. 1 zeigt eine geeignte Spannungsquelle 10 für die Gleichstromleistung, hier in Form einer Batterie, welche mit dem positiven Anschluß oben und dem negativen Anschluß unten angeordnet ist. Ein Hauptschalter 12 dient zur Verbindung und Abtrennung der Quelle bezüglich der übrigen Schaltung. In Reihe und in einer Schleife mit der Batterie befindet sich ein Reihengleichstrommotor mit einer Armatur 12 und einer Feldwicklung 16. Die Richtung des Stroms durch die Feldwicklung 16 wird bestimmt durch den relativen Zustand von vier Kontakten Fl, F2 und Rl, R2 gemäß der weiter unten gegebenen Beschreibung. Der Reihenschaltkreis wird vervollständigt durch einen Induktor 18 und eine Festkörperschalter einrichtung 20, die mit ihrer Anode mit dem Induktor 18 und mit ihrer Kathode mit dem negativen Anschluß der Batterie 10 verbunden ist. Als Schaltereinrichtung 20 kann irgendein geeigneter

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Schaltertyp verwendet werden; vorzugsweise werden jedoch als Schalter gemäß der Darstellung die Schalteinrichtungen des Typs verwendet, welche allgemein zu der als Thyristoren bekannten Klasse gehören (der häufigste Thyristortyp ist dabei der gesteuerte Siliciumgleichrichter). Der Thyristor 20 enthält einen Gatter- oder .Zündanschluß 21, zu dem ein Gatter- oder Zündimpuls zugeführt werden kann zur Auslösung des Stromdurchgangs.

Die Richtung des Stroms zur Motorfeldwicklung und damit die Richtung des durch die zugeführte Leistung erzeugten Drehmomentes wird bestimmt durch zwei Paare von Schalterkontakten Fl, F2 und Rl, R2. Beim Öffnen des Ruhekontaktes Fl und beim Schließen, des Arbeitskontaktes F2 fließt Strom von der Stromquelle 10 in die Wicklung 16 in einer ersten Richtung (gemäß der Darstellung in Fig. 1 von rechts nach links). Die Betätigung der Kontakte Rl und R2 führt zu einem Stromfluß von der Quelle 10 in der entgegengesetzten Richtung, d.h. von links nach rechts. Die Betätigung der Kontaktpaare, Fl, F2 bzw. Rl, R2 erfolgt unter Steuerung durch eine F-Spule 22 bzw. eine R-Spule 24. Diese können 3weils wahlweise überjdie Batterie 10 durch einen Wahlschalter 26 geschaltet werden. D.h. wenn der Schalter nach links geschlossen wird, gemäß der Darstellung in Fig. 1, dann wird die F-Spule 22 angeschlossen und bewirkt eine Beiätigung der Kontakte Fl und F2. Wenn der Schalter 26 nach rechts verbunden ist, wird die R-Spule 24 angeschlossen und betätigt die Kontakte Rl und R2. Die Bezeichnungen mit den Symbolen F und R deuten an, daß bei Zuführung von Leistung zum Motor das Drehmoment in Vorwärtsrichtung (F) oder Rückwärtsrichtung(R) wirkt. Die Kathoden der Dioden 44 und 46 sind mit einer Seite der Armatur 14 verbunden. Die Anode der Diode 44 ist mit dem anderen Anschluß der Armatur 14 verbunden und die Anode der Diode 46 ist mit dem freien Ende der Feldwicklung 16 verbunden. Die .Dioden 44 und 46 erfüllen die Funktion der Glättung des Motorstroms und einer Begrenzung der regenerativen Leistung während des Bremsens in an sich bekannter Weise.

Der Thyristor 20 ist der Hauptleistungsthyristor und während des

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Betriebs des Motors wird die diesem zugeführte effektive Leistung in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung bestimmt durch den Anteil der Gesamtzeit, in dem sich der Thyristor 20 in seinem stromdurchlässigen Zustand befindet. Ober die Reihenschaltung des Induktors 18 und des Thyristors 20 ist ein Kurzschlußkontakt 28 geschaltet
und dient dazu, den Motor unmittelbar über die Batterie 10 zu
schalten und dadurch in an sich bekannter Weise eine maximale
Leistungszufuhr zum Motor zu erhalten.

Parallel zum Hauptleistungsthyristor 20 liegt ein Reihenkommutierungsschaltkreis einschließlich eines Sättigungsinduktors 30,
einer zweiten Festkörperschaltereinrichtung 32, die ebenfalls ein Thyristor mit einem Gatteranschluß 33 sein kann, und eine geeignete Speichereinrichtung für elektrische Energie, beispielsweise
ein Kommutierungskondensator 34. Der Sättigungsinduktors 30 ist
in d.er vorliegenden Ausfuhrungsform mit der Anode des Thyristors
3 2 verbunden und ergibt eine Drosselwirkung zur Begrenzung des
Anfangsstromstoßes, wenn dieser Teil der Schaltung stromdurchlässig gemacht wird. Die Kathode des Thyristors 32 ist mit dem negativen Anschluß der Batterie 10 verbunden. Die linke Platte oder Belegung des Kondensators 34 ist mit dem Induktor 30 verbunden
und die rechte Belegung ist mit der Anode des Thyristors 20 verbunden. Ein Widerstand 40 undjeine Diode 42 verbinden die positive Sammelleitung des Systems mit dem Verbindungspunkt des Sättigungsinduktors 30 und des Kondensators 34. Diese Schaltung umfaßt den Widerstand 40 und die Diode 42 und dient als ein Verbindungsteil mit dauernder Verbindung zwischen dem positiven Anschluß
der Batterie und der linken Belegung des Kondensators 34. Dadurch behält der Kondensator 34 unter den festgelegten Betriebsbedingungen gemäß der untenstehenden Erläuterung eine Mindestladung.
Eine Ladungsumkehrschaltung umfaßt einen Induktor 18 in Reihe mit einer dritten Festkörperschaltereinrichtung oder Thyristor 36 und ist parallel zum Kondensator 34 geschaltet. Der Thyristor 36 enthält einen Gatteranschluß 37. Ein Impulsgenerator 48 ist durch
Leitungen 50 und 52 an die Batterie 10 angeschlossen und dient
zur Lieferung geeigneter Zünd- oder Gattersignale zu den Thyri-

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stören 20, 32 und 36 gemäß der ausführlicheren Beschreibung im
Zusammenhang mit Fig. 3.

In Fig. 2 zeigt die obere Kurve eine typische Wellenform der
Spannung über dem Hauptthyristor 20 während einer Betriebsperiode der vorliegenden Ausführungsform. Die untere Kurve zeigt die Wellenform der Spannung über dem Kommutierungskondensator 31 im
gleichen Bezugsmaßstab für die Zeit. Die senkrechte Achse jedes
Kurvenbildes stellt einen Spannungsmaßstab dar und die horizontale Achse einen Zeitmaßstab. Dabei sind die zeitlichen Bezugspunkte für bestimmte Ereignisse in der Betriebsperiode mit den
Zeitpunkten T^ bis T₁- bezeichnet.

Fig. 3 zeigt mit weiteren Einzelheiten die wesentlichen Elemente
des Impulsgenerators 48 der Fig. 1. In Fig. 3 sind die Gatter- : anschlüsse 21, 33 und 37 der Thyristoren 20, 32 und 36 mit dem
Impulsgenerator verbunden, welcher in dem Rechteck 48 enthalten* : ist. Der Impulsgenerator 48 wird über die Leitungen 52 und 50 mit Leistung versorgt, welche mit dem negativen Anschluß der Batterie; 10 bzw. mit dem positiven Anschluß der Batterie 10 über den ' Schalter 12 verbunden sind. Weitere Eingangsgrößen zum Impulsge- \ nerator 48 werden über die Leitung 54 zugeführt, welche über den
Induktor 30 mit der Anode des Thyristors 32 und mit der Leitung ; 56 über den Induktor 18 mit der Anode des Thyristors 20 verbunden ist. ■

Zwei Unijunctionsrelaxationspszillatoren sind als Blöcke 5 8 und

die

60 dargestellt und liefern/Impulse für die Zündung der Thyristoren 32 bzw. 20. Die Unijunctiönsoszillatoren 58 und 60 besitzen
eine an sich bekannte Form wie sie beispielsweise in "SCR-Manual
4th Edition", Seite 76, Copyright 19 67 durch General Eleciric Co. ; beschrieben sind. Wenn einem Oszillator Leistung zugeführt wird,
muß eine einstellbare vorgegebene Zeitverzögerung verstreichen,
bevor ein Ausgangsimpuls erscheint. Wenn der Thyristor 20 in
einen stromdurchlässigen Zustand geschaltet wird, nimmt die Lei- ■ tung 56 das negative Potential der Batterie 10 an und da das

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Potential auf der Leitung 50 gleich dem positiven Potential der Batterie 10 ist, wird damit das Takt- oder Zeitintervall des Unijunctionsoszillators 58 ausgelöst. Nach einem vorgegebenen Zeitintervall liefert der Oszillator 58 einen Impuls an eine Primärwicklung 62, welche magnetisch an eine Sekundärwicklung 67 gekoppelt ist und ein Zündsignal an den Thyristor 32 liefert. Das Zündintervall des Thyristors 20 wird beendet durch Zündung des Thyristors 32 mittels einer Abfolge von Ereignissen, welche noch nachstehend beschrieben wird. Daher bestimmt das Taktintervall des Oszillators 58 das Durchlaßintervall des Thyristors 20.

Wenn der Thyristor 20 gesperrt wird, nimmt die Leitung 56 das positive Batteriepotential an und die elektrische Leistung wird vom Oszillator 58 abgetrennt und dem Oszillator 60 zugeführt und hierdurch das Taktintervall des Oszillators 60 ausgelöst. Nach der vorgegebenen Zeitverzögerung des Oszillators 60 wird ein Impuls einer Primärwicklung 66 zugeführt, welche mit einer Sekundärwicklung 68 magnetisch gekoppelt ist, die ihrerseits mit der Zündleitung 21 des Thyristors 20 und der Kathode des Thyristors 20 über die Leitung 5 2 verbunden ist. Dieser Impuls löst den Stromdurchgang des Thyristors 20 aus, wodurch das Potential der Leitung 5 6 auf das negative Batteriepotential vermindert und damit die Leistung (oder Betriebsspannung) vom Oszillator 60 weggenommen wird. Daher bestimmt die Zeitverzögerung des Oszillators 60 das Sperrintervall des Thyristors 20.

Eine bezüglich der Kathode positive Spannung über dem Thyristor 32 erzeugt einen Strom durch die Diode 78 in Vorwärtsrichtung, wobei die Anode der Diode über die Leitung 52 mit der Kathode des Thyristors 3 2 verbunden ist. Die Kathode der Diode ist mit der Anode des Thyristors 3 2 über die Reihenschaltung eines Widerstandes 76 und des Induktors 30 verbunden. Dieser Strom erzeugt am Widerstand 7 6 einen Spannungsabfall, welcher einer parallelen Reihenschaltung zugeführt wird, die den Widerstand 74 und den Kondensator 70 enthält. Dadurch beginnt eine Aufladung des Kondensators 70 positiv an der oberen Belegung. Wenn die Spannung über

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dem Kondensator 70 den Zenerpegel der Zenerdiode 72 erreicht, deren Kathode mit dem Verbindungspunkt des Widerstandes 7M-. und des Kondensators 70 verbunden ist und deren Anode mit dem Gitter 37 des Thyristors 36 verbunden ist, dann wird dem Gitter des Thyristors 3 6 Leistung zugeführt und dadurch der Stromdurchlaß ausgelöst. Der Stromdurchgang des Thyristors 36 nimmt das umgekehrte Potential über dem Thyristor 32 weg durch eine Abfolge von Ereignissen, welche noch später im einzelnen erläutert wird, und die Ladung auf dem Kondensator 70 wird abgegeben über die Reihenschleif e,welche die Widerstände 74 und 76 und den Kondensator 70 enthält. Nachstehend wird eine Betriebsperiode der bevorzugten Ausführungsform im einzelnen erläutert unter Bezugnahme auf die Figuren 1, 2 und 3.

Es sei zunächst für diese Erläuterung angenommen, daß ein Anfangsbetrieb vorliegt und keine Restladung auf -dem Kondensator 34 vorhanden ist und alle Thyristoren sich im gesperrten Schaltzustand befinden. Mit dem Schließen des Hauptschalters 12 wird die Leistung von der Batterie 10 über die Leitungen 50 und 52 zum Impulsgenerator 48 und zum Kondensator 34 über die Reihenschaltung, bestehend aus der Diode 42, dem Widerstand 40 und dem Widerstand 38, zugeführt. Dadurch kann der Kondensator 34 auf die Batteriespannung aufladen, wobei seine linke Belegung positiv ist und dies zum Zeitpunkt T der Fig. 2 erfolgt. Der Wahlschalter 26 wird jetzt entweder in die Stellung F oder R bewegt (für Vorwärts* richtung oder Rückwärtsrichtung der Motordrehung), um die entsprechenden Kontakte im Zusammenhang m.it der Feldwicklung 16 zu betätigen. Für diese Erläuterung sei angenommen, daß der Schalter 2 6 nach links gestellt ist und damit die F-Spule 22 angeschlossen ist und der Kontakt Fl geöffnet und der Kontakt F2 geschlossen wird . Da sich alle Thyristoren noch im gesperrten Zustand befinden, wird jedoch- zu diesem Zeitpunkt kein Strom durch den Motor fließen. Jetzt wird durch den Impulsgenerator 4 8 über die Gitterverbindung oder Zündleitung 21 ein Impuls geliefert, um den Thyristor 20 zum stromdurchlässigen Zustand zu zünden. An diesem Zeitpunkt T^ der Fig. 2 wird eine Spannung nahezu gleich der

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Batteriespannung über die Armatur 14 des Motors und die Feldwicklung 16 gelegt und dies führt zu einem Motorstrom, dessen Anstiegsgeschwindigkeit nahezu vollständig bestimmt ist durch Induktivität und Widerstand des Motors (im Falle einer noch durch einen früheren Betrieb vorhandenen Drehung des Motors wird die vom Motor erzeugte Spannung ebenfalls die Anst'xegsgeschwxndigkext des Motorstroms beeinflussen.).

Nach einer Zeitverzögerung entsprechend dem vorgeschriebenen Durchlaßintervall des Thyristors 20 wird zum Zeitpunkt T₃ ein vom Impulsgenerator 48 erzeugter Stromimpuls dem Gitter- oder Zündanschluß 33 des Thyristors 32 zugeführt und schaltet den Thyristor in einen stromdurchlässigen Zustand. Die Spannung entsprechend der vom Kondensator 34 gespeicherten Ladung positiv auf der linken Belegung wird dann der Reihenschaltung zugeführt, welche den Sättigungsinduktor 30, den Kommutierungsthyristor 32 und den Hauptthyristor 20 enthält. Der Strom in dieser geschlossenen Reihenschaltung ist jedoch anfänglich begrenzt auf einen niedrigen Wert durch den Induktor 30. Während der Zeitdauer, die erforderlich ist für die Erhöhung des Magnetflusses des Induktors 30 auf den Sättigungswert (typischerweise etwa 5 MikroSekunden), vergrößert sich der stromdurchflossene Querschnitt des Thyristors 32, bis er den ganzen Querschnitt der Einrichtung umfaßt. Wenn der Magnetfluß des Induktors 30 den Sättigungswert erreicht, wird die Spannung auf dem Kondensator 34 über dem Hauptleistungsthyristor 20 in einer Richtung aufgeprägt entgegengesetzt zu seinem Stromdurchlaß und dadurch die Anode des Thyristors negativ bezüglich der Kathode gemacht und auf diese Weise der Thyristor gesperrt.

Nach_dem der Thyristor 20 den Stromdurchgang beendet, wird die Kondensator spannung der Reihenschaltung zugeführt, welche den Induktor 30, den Thyristor 32, die Gleichstromquelle 10, die Motorarmatur 14, die Motorfeldwicklung 16 und den Induktor 18 umfaßt. Die relativ große Induktivität des Motors begrenzt jedoch die Erhöhung des Laststroms auf einen kleinen Wert. Wenn zum Zeitpunkt

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T„ die Spannung des Kommutierungskondensators 34· einen Wert gleich dem Spannungswert der Gleichstromquelle 10 erreicht, und zwar positiv auf der rechten Belegung, dann ist der Strom durch die Reihenschleife ein Maximum. Der Motor ist entkoppelt von der Reihenschaltung, da der Motorstrom auf praktisch dem gleichen Wert gehalten wird durch den induktiven Effekt, welcher den Motorstrom durch die Rücklaufdiode 46 zwingt (flyback). Die in dem Induktor 18 gespeicherte Energie muß letztlich umgewandelt werden in Energie, welche durch den Kommutierungskondensator 34-gespeichert ist. Der Spitzenwert der Überschwingspannung V_p, welcher von dem Kondensator 34 erreicht wird (positiv an der rechten Belegung), kann abgeleitet werden unmittelbar aus einer Energiebetrachtung der Schaltung in diesem Schaltzustand, welche auf folgenden Ausdruck führt:

V ² = L . I² + V ²
^VP C ■ ^VB

Dabei ist V_p der Spitzenwert der Überschwingspannung, L bedeutet die Induktivität der Schaltung und ist praktisch gleich der Induktivität des Induktors 18, C ist die Kapazität der Energiespeichereinrichtung 34-, I ist der Laststrom und V_ß ist die Spannung der Gleichspannungsquelle 10. Die Verwendung dieser Beziehung zur Auswahl des Induktors 18 wird später erläutert. Wenn der Kondensator 34 zum Zeitpunkt T„ den Spitzenwert V_D der Überschwingspan-

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nung erreicht, dann wird die Differenz zwischen diesem Spitzenwert und dem Potential V_R der Quelle als umgekehrtes Potential über der Reihenkombination des Kommutierungsthyristors 3 2 und des Sättigungsinduktors 30 aufgeprägt, und zwar über die Reihenschaltung umfassen den Induktor 18, die Rücklaufdiode 46 und die Gleichstromquelle 10. Die Stärke des AnlaufStroms wird dabei auf einen niedrigen Wert begrenzt während des Zeitraums, der zur Sättigung des Induktors 30 in der umgekehrten Richtung erforderlich ist (üblicherweise etwa 7 Mikrosekunden)« Die Potentialdifferenz Vp - V erscheint als Vorspannung in Rückwärtsrichtung über-dem Thyristor 3 2 und zwingt ihn in einen gesperrten Schaltzustand.

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Die Spitzenspannung V_p für das Überschwingen wird dann auf dem Kommutierungskondensator 34 eingefangen (positive zur rechten Belegung) .

Die Rückwärtsspannung über dem Thyristor 32 wird durch den Impulsgenerator 48 über die Leitungen 52 und 53 erfaßt und nach einer geeigneten Zeitverzögerung, welche notwendig ist für das Einnehmen der vollständigen Sperrkapazität für eine Spannung in Vorwärtsrichtung durch den Thyristor 32, wird durch den Impulsgenerator 48 zum Zeitpunkt T₁₊ ein Stromimpuls an den Gitteranschluß 37 des Thyristors 36 gegeben und der Thyristor dann in einen stromdurchlässigen Zustand geschaltet. Eine Reihenschleife, umfassend den Kondensator 34 (aufgeladen auf die Spannung V_p positiv zur rechten Belegung), den Induktor 18 und den Thyristor 36, ermöglicht eine Resonanzumkehr der Kondensatorladung. Wenn der Kondensator eine Spannung V_p positiv zur linken Belegung erreicht, erscheint die Kondensatorspannung über dem Thyristor 36 in einer Richtung entgegengesetzt zu seinem Stromdurchlaßweg und zwingt zum Zeitpunkt T,. diesen Thyristor in einen gesperrten Schaltzustand .

Jeder der Thyristoren befindet sich dann in einem gesperrten Schaltzustand und der Kommutierungskondensator wird vorgeladen, positiv zur linken Belegung. Das System hat jetzt einen vollständigen Leistungszyklus durchgeführt und der Impulsgenerator 48 wird als nächstes einen Impuls an den Thyristor 20 liefern, um einen anschließenden Zyklus auszulösen. Wie bereits angedeutet, hängt der Zeitpunkt für den Beginn dieses nächsten Zyklus ab von der gewünschten Leistung, welche der Last zugeführt werden soll. Im Falle eines Motors als Belastung, beispielsweise bei einem elektrischen Fahrzeug, würde die Impulsfrequenz und/oder die Impulsbreite bestimmt durch einen Drehzahlreglermechanismus.

Während der Periode zwischen den Impulsen, in der die Batterieleistung nicht dem Motor zugeführt wird, wird der Strom des Motors aufrechterhalten durch induktive Effekte über die Gleich-

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richtet? 44 und 46, welche in folgender Weise angeschlossen sind. Die Kathoden der Dioden 44 und 46 sind mit einem Anschluß der Armatur 14 verbunden. Die Anode der Diode 44 ist mit dem anderen Anschluß der Armatur 14 verbunden und die Anode der Diode 46 ist mit dem freien Ende der Feldwicklung 16 verbunden. Wenn daher der Motor bezüglich der Stromquelle 10 abgetrennt wird, trägt die Diode 46 den gesamten Feldstrom und die Diode 44 trägt den Feldstrom vermindert um den Armaturstrom. Während der Periode zwischen den■Impulsen, in der dem Motor keine Leistung zugeführt wird, wird der Motorstrom mit der natürlichen Zeitkonstante der Feldwicklung und der Armaturwicklung abklingen. Während des normalen Betriebs ist jedoch die Frequenz der Leistungszufuhr groß genug, verglichen mit der Zeitkonstante des Motors, so daß die Größe des Abklingens des Motorstroms gering ist und dadurch werden Oberwellenanteile auf ein Minimum reduziert.

Das System ist jetzt in einem Betriebszustand für den Betrieb durch den zweiten Impuls, welcher ähnlich ist dem zuvor beschriebenen Betrieb mit einigen geringfügigen Unterschieden. Insbesondere wird vor der nächsten Zündung des Hauptleistungsthyristors 20 der Kommutierungskondensator über das Batteriepotential aufgeladen und die Kommutierungsschaltung ist in richtiger Weise orientiert, um die Kommutierung des Thyristors 20 ζμ bewirken. In dieser Situation kann dann bei der erneuten Zündung des Hauptleistungsthyristors 20 sein Anodenstrom fast momentan auf den Wert des Laststroms ansteigen; er wird jedoch durch den Induktor 18 auf eine Anstiegsgeschwindigkeit begrenzt, welche in dem Toleranzbereich des Thyristors 20 liegt. Der Motorstrom wird sich dann auf einen höheren Wert aufbauen als den zuvor erreichten Wert und dies führt dazu, daß eine etwas höhere Kommutierungsspannung auf dem Kommutierungskondensator 34 erzeugt wird. Bei anschließenden Perioden werden diese Änderungen noch solange weitergehen, bis ein stationärer Zustand erreicht ist. Dieser ist bestimmt durch verschiedene Variablen, einschließlich der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Breite und Frequenz der am Thyristor 20 zugeführten' Impulse.

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Der Kurzschlußkontakt 2 8 wurde bereits kurz erwähnt. Dieser wird geschlossen, wenn es erwünscht ist, der Last (dem Motor) die Batteriespannung zuzuführen. Im Falle eines ElektrofahrZeuges wird dieses Schütz normalerweise mit Hilfe des Beschleunigungseinstellorgans geschlossen, wenn es erwünscht ist, den Motor mit voller Drehzahl zu betreiben oder beispielsweise, wenn das Fahrzeug in einem Schlagloch festgefahren ist, wo ein maximales Drehmoment erforderlich ist. Das Schütz 28 ist zeitlich gesehen nicht mit irgendwelchen anderen Bestandteilen der Schaltung verbunden. Es besteht die Gefahr eines Ausfalls der Kommutierung, wenn keine Möglichkeit besteht, um zu gewährleisten, daß zum Zeitpunkt der Öffnung des Schützes 2 8 und zur Rückgabe der Steuerung an den Teil des Systems, welcher den Impulsgenerator enthält, der Kommutierungskondensator im notwendigen Maße aufgeladen ist zur Sperrung oder Kommutierung des Thyristors 20 zum richtigen Zeitpunkt. Dieses Problem wird beseitigt in der Schaltung gemäß der vorstehenden Erfindung durch Einfügung des Widerstandes 40 und der Diode 42, welche die Batterie zu jeder Zeit während des Betriebes des Systems in Verbindung mit dem Kondensator 34 halten. Daher bleibt auf den Kondensator 34 eine Mindestladung mit der Batteriespannung auf seiner linken Belegung zurück und damit ist die Kommutierung des Thyristors 20 während der ersten Periode nach dem Öffnen des Schützes 28 gewährleistet.

Es wurde auch bereits zuvor kurz die Verwendung der Energiegleichgewichtsgleichung für die Wahl des Induktors 18 erwähnt. Es ist bekannt, daß die Kommutierung einer Schaltereinrichtung, beispielsweise eines Thyristors, die Zuführung einer Vorspannung in Gegenrichtung während eines festgelegten Zeitintervalls (At) erfordert, bevor die Einrichtung in der Lage ist, der erneuten Zuführung einer Sperrspannung in Vorwärtsrichtung zu widerstehen. Dieses Zeitintervall kann in Beziehung gesetzt werden zur anfänglichen Spannung V_p, welche durch einen Kommutierungskondensator C gespeichert ist und zum Laststrom I durch folgende Beziehung:

c-v

At = -T-ü

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Es wurde zuvor gezeigt, daß die vom Kommutierungskondensator C gespeicherte Spannung V_p in Beziehung steht zur Induktivität L, cam Laststroiu I und der Quellenspannung V gemäß folgender Glei-

chung:

v ² = h . i² ₊ ν ²

^V? C ^X B

Wenn die ÜberSchwingspannung V^ groß ist, verglichen zur Quellenspannung, d.h. sie ist zwei- oder dreimal so groß, dann können diese Beziehungen zusammengefaßt werden und man erhält folgende Gleichung: .

t = \/ L · C

Die Kommutierungszeit kann daher festgelegt werden durch die Größe des Koh.mutierungskondensators und die Größe der Induktivität, welche sowohl die Streuinduktivität als auch die Induktivität des Induktors 18 enthält. In dieser Ausführungsform ist die Induktivität des Induktors 18 wesentlich größer als die Streuin-Guktlvität und wird in Verbindung mit der Größe des Kondensators. IG so ausgewählt, daß die erforderliche Kommutierungszeit At gei;;äß der zuvor angegebenen Beziehung erhalten wird.

Zc: ist er sichtlich, daß der Wert für die verschiedenen Bauteile, welche in dem System verwendet werden sich in starkem Maße ändern v/ird ^emciß der Spannung der Quelle und des bestimmten verwendeten Motors. In der folgenden Tabelle werden jedoch typische Wert für Bauteile in einer Leistungsschaltung angegeben:

Maximaler Laststrom 400 Ampere

Quellenspannung 3 6 Volt

Kornmutier·ungskapazität \ 100 Mikrofarad

"e;;aiat induktivität 2 5 Mikrohenry

StX¹GUinduktiv Ltät 5 Mikrohenry

Induktiv I tat des Induktors 18 20 Mikrohenry ,>j 1 Lzenwert der übercchwing-

ri,, (bei MaximaLstrom) 200 Volt

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Die vorstehende Beschreibung wurde hauptsächlich im Zusammenhang mit der Steuerung eines Gleichstrommotors gegeben. Es ist jedoch für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bestimmten Anwendungsfall beschränkt

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Claims

.J Schaltung zur Sxeuerung der an eine Last von einer Gleichs"SDi.ileistur,gsquelle gelieferten Leistung durch Änderung des Zeixanteiis, in dem die Quelle mit der Last verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Schaltereinrichtung (20), die selektiv zwischen einem stromdurchlässigen und einem gesperrten Zustand bet'ätigbar ist zur Variierung dieses Zeitanteils-, einer Speichereinrichtung (3M)zur Speiche-' rung einer elektrischen Ladung, die selektiv an die Schaltereinrichtung (20) anschaltbar ist, so daß bei Polung dieser Ladung in einer zweiten Richtung und Herstellung einer solchen Anschaltung die Schaltereinrichtung (20) gesperrt ist sowie eine Induktorschaltung (18)(30), die in einem ersten Betriebszustand arbeitsfähig ist zur Steigerung der Ladung auf der Speichereinrichtung (3H) in einer ersten Richtung auf einen Spannungswert oberhalb der Spannung der Leistungsquelle (10) und in einem zweiten Betriebszustand zur Umkehrung der Ladung auf der Speichereinrichtung in die zweite Polungsrichtung.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-' ζ eich η et -, daß die Schaltereinrichtung (20) ein Halbleiter mit- Gitter steuerung ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Induktorschaltung (18)(30) erste und zweite Schaltereinrichtung (32) (36) enthält, um die Induktorschaltung selektiv in dem ersten und zweiten Betriebszustand betriebsfähig zu machen.

η. Schaltung nach ein-em der Ansprüche 1, 2 oder 3_S dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltereinrichtung ein erster Thyristor (20) ist, die Speichereinrichtung ein Kondensator (3H) ist und die Induktorschaltung (18, 30) einen. zweiten und 'dritten Thyristor (32, 36) umfaßt, um die Induktor-• schaltung selektiv in dem' ersten und zweiten Betriebszustand i»etätigbar zu machen. . _■"."... . ·

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. 20- ?2

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekenns e i c h η e τ , daß die Induktivität (L) des Induktors (18) in; Zusammenhang mit der Kapazität (C) des Kondensators (34) so bemessen isz, daß die vom Kondensator gespeicherte Ladung in Abhängigkeit vom Lasts tr omjs teuer bar ist und die Induktivität· des Induktors direkt proportional dem Quadrat des Zeitir.tervails (Δι) für die Kommutierung des ersten Thyristors (20) geteilt durch die Kapazität des Kondensators ist, wodurch die Periode der Zuführung der Rückwärtsspannung zum ersten Thyristor während der Kommutierung praktisch unabhängig von der Größe des LastStroms ist.

6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich η e t , daß der dritte Thyristor (36) stromdurchlässig gemacht ist durch ein Zündsignal, ausgelöst durch Erfassung einer Rückwärtsspannung über dem zweiten Thyristor (32).

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ^; g e k e η .ι ζ e i c h net , daß eine Umkehrschalteinrich- ; tung vorgesehen ist einschließlich des Induktors, welche selek- -_f tiv zur Umkehrung der Richtung der Ladung der Speichereinrich- } tung in die zweite Richtung betätigbar ist und eine Kommutie- j rungsschalrung, die'selektiv betätigbar ist zur Zuführung der / Ladung der Speichereinrichtung in der zweiten Richtung zur Schaltereinrichtung, um diese Schaltereinrichtung zu sperren.

S. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Speichereinrichtung ein \ Kondensator ist. , .

S. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekenn- ^; zeichnet , daß die Umkehr schaltung und die Kommutierung sschaltung aiektiv betätigbar sind durch Kalbleiter mit Gittersteuerung.

.ö. Schaltung nach einem uor Ansprüche 1 bis 9, d'a d u r c h : g e k ο η η ζ e i c h η et ■ ,· daß eine erure Reihenschleife

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vorgesehen ist, weiche die Last, die Gleichstromleistungscuelle, dia Schaltereinrichtung und den Induktor■enthält und eine zweite Reihenschleife vorgesehen ist einschließlich des Induktors, einer zweixen Schalter einrichtung und der Speicher.-? einrichtung zur Umkehr der Richtung der auf der Speioherein-? richtung gespeicherten Ladung, eine dritte Reihenschleife vorhanden ist einschließlich der Speichereinrichtung, der ersten Schalter einrichtung und einer dritten Schalt er einrichtung und. eine Einrichtung vorgesehen ist, um die dritte Sehaltereinrichtung in einen stromdurchlässigen Zustand zubringen, wocurch die umgekehrte Ladung der Speichereinrichtung die erste Schaltereinrichtung in einen gesperrten Schaltzustand zwingt,-

11. Schaltung nach'Anspruch 10, dadurch g e k e n.n.^ zeichnet , daß die erste, zweite und·dpitte Schal= teileinrichtung Festkörperschaltereiririchtungen ^sind.

12. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch' ig e. k e ηin

zeichnet , daß die erste, zweite und dritte Schal Tereinrichtung Thyristoren sind. ' - - \

13. Schaltung nach einem der Änsprüphe 1 bis 12, ^; <d a d u r c h gekennzeichnet , daß die Induktivität des Induktors im Zusammenhang mit der Kapazität des Kondensators so gewählt ist, daß die vom Kondensator gespeicherte Ladung als Funktion des Laststroms steuerbar ist und die" Induktivität des. Induktors direkt proportional dem Quadrat des für. die Kommutierung der ersten Schaltereinrichtung erf order liehen^ Zeitintervalls geteilt durch die Kapazität des'Kondensatrors ist," wodurc;. die Zeitdauer der Zuführung der umgekehrten Spannung zur ersten Schalter einrichtung (2Q) während ciejr Kommutie-r r.ung .praktisch unabhängig von der Größe des Laststrqms ist.

lh. Schal·;. _tng nach Anspr.uch 10, d■ a d u r g h g, e k en η - ζ e i c π η e t , daß die dritte Sch^ltereinrxGhtung S"trom-r dur>chläi;r;Ig gemacht iut durch ein Signal, ausgelöst durch die

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Erfassung einer¹ Spannung umgekehrter¹ Polung über der zweiten Schaltereir.r ichtun;!.

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