DE2242353B2

DE2242353B2 - Einrichtung zur stromversorgung von trag- und fuehrungsmagneten eines magnetschwebefahrzeuges

Info

Publication number: DE2242353B2
Application number: DE19722242353
Authority: DE
Inventors: Wilhelm; Raeithel Heinrich Dipl.-Ing.; 8000 München Morawski
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1972-08-29
Filing date: 1972-08-29
Publication date: 1976-11-04
Also published as: FR2198300A1; DE2242353A1; US3900739A; GB1438545A; JPS5041021A

Description

i_BI = — iKj mit i = 1, 2, 3,..., η - 2, η - 1. η

Dabei ist Γ die Periodendauer der Gleichstrompulswandler, η die Anzahl der Pulswandler und K, ein Korrekturfaktor, durch den ungleich verteilte Ströme und/oder Verlustwiderstände der Magnete in der Weise berücksichtigt werden, daß die Energierücklieferung der Magnete jeweils möglichst weitgehend durch die gleichzeitige Energieaufnahme anderer Magnete kompensiert wird.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Stromversorgung von Trag- und Führungsmagneten eines Magnetschwebefahrzeuges aus einer Gleichstromquelle, wobei jedem Magneten ein Gleichstrompulswandler zugeordnet ist, der den zugehörigen Magneten mit variablem Impulsverhältnis wechselweise an positive und an negative Spannung legt.

Eine derartige Einrichtung zur Stromversorgung der Trag- und Führungsmagnete eines Magnetschwebefahrzeuges ist in der »Elektrotechnischen Zeitschrift«, 59 (1938), Seite 391 bis 395 beschrieben. Diese Einrichtung besteht im wesentlichen aus zwei, als Stromrichter ausgebildeten Elektronenröhren, wobei die eine Elektronenröhre ein Steuergitter aufweist. Über eine Hochfrequenzquelle und über zwei Plattenkondensatoren, deren Plattenabstand dem Abstand des Magneten von der Tragschiene entspricht, werden die Elektronenröhren so gesteuert, daß der Magnet ohne sich zu harmonischen Schwingungen aufzuschaukeln einen bestimmten Abstand von der Tragschiene einnimmt. Dabei wird der Magnet wechselweise an positive und an negative Spannung gelegt, so daß in kurzen Zeitabständen elektrische Energie sowohl von der Stromquelle zum Magneten als auch in umgekehrter Richtung fließt.

Derartige Röhrenschaltungen sind jedoch insbesondere bei den benötigten Stromstärken sehr aufwendig und gegen mechanische Erschütterungen empfindlich.

Anstelle der Elektronenröhren werden heute vorwiegend Halbleiterbauelemente verwendet. Auf Halbleiterbasis arbeitende Stromrichter sind die sogenannten Gleichstrompulswandler, mit deren Hilfe Gleichstromspannungen praktisch verlustlos umgeformt werden, vgl. Heumann/Stumpe, »Thyristoren — Eigenschaften und Anwendungen«, 1970, B. G. Teubner, Stuttgart, S. 145 bis 149 und 297.

Für die Steuerung der Gleichströme eines Magnetschwebefahrzeuges werden Gleichstrompulswandler verwendet, die ihre Stellbefehle von einem Lageregelungssystem erhalten, das zur Aufrechterhaltung des Schwebezustandes des Fahrzeuges erforderlich ist Aus den vorher beschriebenen Gründen wird von einem Gleichstrompulswandler gefordert, daß der Magnetstrom sich im Arbeitspunkt nach beiden Richtungen bei gleicher Charateristik ändern läßt, d.h. der Gleichstrompulswandler muß einen Energietransport in beide Richtungen ermöglichen; ferner muß bei gegebenem ohmschen Verlustwiderstand R und gegebener Induktivität L der Magnerwicklung im Arbeitspunkt eine ausreichende Stromänderungsgeschwindigkeit erzielbar seia

Eine in Aufwärts- und Abwärtsrichtung gleich gute Änderung des Magnetstromes wird durch eine sogenannte Zweiquadranten-Schaltung des Gleichstrompulswandlers erreicht, vgL die obengenannte Literaturstelle; eine ausreichende Stromänderungsgeschwindigkeit wird durch eine entsprechende Spannungsüberhöhung erzielt, d.h. durch ein entsprechend großes Verhältnis von Maximalspannung zu mittlerer Gleichspannung an der Wicklung der einzelnen Magneten im Arbeitspunkt

Darüber hinaus erfolgt infolge der in der Induktivität des Magneten gespeicherten magnetischen Energie beim Abschalten der Stromversorgung eine Rücklieferung dieser Energie in die Batterie. Erfolgt nun dieses Abschalten des Magneten relativ oft, so wird in bestimmter Zeit die Batterie zerstört, da diese nur eine bestimmte Anzahl Lade- und Entladezyklen, z. B. 100 · Nennkapazität übersteht. Wenn die induktiven Verbraucher die Spulen von Trage- und Führungsmagneten eines Magnetschwebefahrzeuges sind, deren Schaltfrequenz in der Größenordnung von einigen 100 Hz liegt, ist der Ausfallzeitpunkt relativ schnell erreicht.

Andererseits ist eine der Sicherheitsforderungen, die an ein Magnetschwebefahrzeug gestellt werden, daß beim Ausfall der Stromversorgung für eine bestimmte Zeit ein Notbetrieb, zumindestens für die Dauer des Bremsvorganges, durchführbar ist, in der der Schwebezustand des Magnetschwebefahrzeuges aufrechterhalten und eine Kollision mit den Führungsschienen vermieden werden muß. Zur Überbrückung dieses Sicherheitszeitraumes muß daher an Bord des Magnetschwebefahrzeuges genügend elektrische Energie für die Versorgung des Trag- und Führungsmagnetsystems bereitgehalten werden, was zweckmäßigerweise durch eine Batterie geschieht.

In eine solche Batterie, wenn nur die Bedingungen bei Netzausfall betrachtet werden, wird also die während der Zeit Γι einer Zeitperiode T an den Magneten abgegebene Energie bis auf die im ohmschen Verlustwiderstand R verbrauchte Energie in der folgenden Zeit T- f| in die Batterie zurückgespeist, wenn der Magnetstrom konstant bleibt und zusätzliche Schaltverluste vernachlässigt werden. Eine solche Betriebsart ist, wie schon erwähnt, für die Pufferbatterie eines Magnetschwebefahrzeuges nicht akzeptabel, da sie zu schlechter Ausnutzung und wegen der dauernden Lade-Entladewechsel zu schneller Zerstörung der Batterie führt.

Zwar könnte dieser Effekt in an sich bekannter Weise durch Parallelschalten von Pufferkondensatoren entsprechend hoher Kapazität reduziert werden, doch nehmen solche Kondensatoren relativ viel Raum ein, weisen ein erhebliches zusätzliches Gewicht auf und sind entsprechend teuer.

Aus der CH-PS 430841 ist eine Gleichstromsteuereinrichtung für Gleichstrom-Triebfahrzeuge bekannt, mit der Spannungsspitzen, die beim Schalten von Gleichstrompulswandlern auftreten, auch mit kleinen Glättungskapazitäten auf ungef äkrliche Werte begrenzt werden können. Dazu wird der Gleichstrom mit Hilfe mehrerer parallel geschalteter Gleichstrompulswandler in Teilströme zerlegt Die Gleichstrompulswandler werden dann phasenverschoben so gesteuert, daß die Zünd- und Löschzeitpunkte jedes Gleichstrompulswandiers gegenüber denjenigen der übrigen Gleichstrompulswandler verschieden sind Die Schwankungen des Gleichstromes werden dadurch entsprechend geringer gehalten, da niemals der gesamte Strom, sondern immer nur ein der Zahl der Gleichstrompulswandler entsprechender Bruchteil des Stromes zu einem bestimmten Zeitpunkt geschaltet wird.

Ein derartiger Pulswandler kann zur Stromsteuerung für die Trag- und Führungsmagnete eines Magnetschwebefahrzeuges verwendet werden, wenn jedem Magnet ein Gleichstrompulswandler zugeordnet ist Die in der CH-PS 4 30 841 beschriebene phasenverschobene Steuerung der Gleichstrompulswandler wäre jedoch nur dann zum Schutz der Notstrombatterie eines Magnetschwebefahrzeuges gegen ständigen Lade-Entladewechsel geeignet, wenn die Stromverteilung in den einzelnen Trag- und Führungsmagneten konstant ist, so daß zu jedem Zeitpunkt die während jeder Schaltperiode auftretende Energierücklieferung aus je einem der Magnete weitgehend durch die Energieaufnähme der anderen zu diesem Zeitpunkt eingeschalteten Magnete kompensiert werden kann. Eine konstante Stromverteilung in den einzelnen Magneten kann jedoch bei einem Magnetschwebefahrzeug nicht vorausgesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Stromversorgung von Trag- und Führungsmagneten eines Magnetschwebefahrzeuges zu entwickeln, die über Gleichstrompulswandler von einer Gleichstromquelle gespeist werden und bei denen die Gleichstrompulswandler so ausgebildet und betrieben werden, daß unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Stromverteilung in den einzelnen Magneten die während jeder Schaltperiode auftretende Energierücklieferung aus den Magneten von der Batterie weitgehend ferngehalten wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gleichstrompulswandler in Form von Zweiquadranten-Gleichstrompulswandlern aus einer gemeinsamen zweipoligen Batterie gespeist und durch 5c einen Taktgeber jeweils um die Zeit t_m- zeitverschoben nach der folgenden Beziehung steuerbar sind:

Ki = /K₁- mit /= 1, 2, 3,.. .,11 - 2, π - 1.

"

Dabei ist T die Periodendauer der Gleichstrompulswandler, η die Anzahl der Pulswandler und AC, ein Korrekturfaktor, durch den ungleich verteilte Ströme und/oder Verlustwiderstände der Magnete in der Weise berücksichtigt werden, daß die Energierücklieferung der Magnete jeweils möglichst weitgehend durch die gleichzeitige Energieaufnahme anderer Magnete kompensiert wird.

Auf diese Weise wird eine vergleichmäßigte Batterieentladung erreicht, die zu einer wesentlich günstigeren Batterieausnützung führt Die Rückladezeit eines Magneten fällt nunmehr bis auf die Differenz aufgrund von Wirkverlusten zeitlich mit der Ladezeit eines anderen Magneten zusammen, so daß eine Umspeisung zwischen zwei oder mehreren Magneten auftritt Dies hat den Vorteil, daS der Batterie jeweils nur der erforderliche Wirkanteil der den Magneten zuzuführenden Energie entnommen werden muß, ohne daß eine periodische Rückspeisung erfahrt

Für den Fall eines Netzausfalles kann so die Notstrombatterie eines Magnetschwebefahrzeuges nunmehr schonend im sogenannten Konstantstrom-Entnahmebetrieb betrieben werdea Bei ungestörtem Netz ergibt sich der bei anderen Fahrzeugen übliche Ladeerhaltungsbetrieb der Batterie.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Stromversorgung von Trag- und Führungsmagneten gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines verwendeten einzelnen Pulswandlers gemäß F i g. 1,

F i g. 2a bis 2d ein den Verlauf von Spannung und Energie des Pulswandlers gemäß F i g. 2 zeigendes Diagramm,

F i g. 3a bis 3e einen Pulsplan für eine Einrichtung zur Stromversorgung eines Magnetschwebefahrzeuges gemäß F i g. 1 mit vier Pulswandlern gemäß F i g. 2,

Fig.4 das Blockschaltbild eines Vierquadranten-Pulswandlers, der an die Stelle des in F i g. 2 gezeigten Pulswandlers tritt,

F i g. 4a ein den Verlauf von Spannung und Energie des Pulswandlers gemäß Fig.4 zeigendes Diagramm für den ersten und zweiten Quadranten und

F i g. 4b das entsprechende Diagramm für den dritten und vierten Quadranten für den Pulswandler gemäß Fig.4.

Eine Anzahl von jeweils durch einen Widerstand R und eine Inkuktivität L dargestellten Erregerwicklungen Vi bis V_n von Trage- und Führungsmagneten eines nicht dargestellten Magnetschwebefahrzeuges werden, wie Fig. 1 zeigt, über Gleichstrompulswandler GPi bis GP_n aus einer Batterie ßmit Gleichspannung versorgt.

Alle Gleichstrompulswandler sind parallel geschaltet, wobei der positive Pol der Batterie über eine gemeinsame Glättungsdrossel Dr mit den jeweiligen positiven Polen der Gleichstrompulswandler verbunden ist, der negative Pol der Batterie ist mit den negativen Polen der Gleichstrompulswandler verbunden. Positive und negative Pole der Gleichstrompulswandler sind durch einen gemeinsamen Glättungskondensator C) überbrückt.

Der Batterie B ist ein Ladegerät LG vorgeschaltet, über das die Batterie aus dem Netz N gespeist wird.

Den Pulswandlern GPi bis GP_n und Steuereingänge Ei, E₂ bis E_n zugeordnet Ferner ist ein Taktgeber C vorhanden, der über Leitungen A bis I_n mit den einzelnen Pulswandlern verbunden ist. Den Steuereingängen £1 bis E_n werden die Slellbefehle eines hier nicht dargestellten Lageregelungssystems des Magnetschwebefahrzeuges zugeführt das η Trage- und Führungsmagnete aufweist.

In Fig.2 ist einer der untereinander gleichen Gleichstrompulswandler GP vom sogenannten Zweiquadrantentyp schematisch dargestellt, wobei gleiche Bauelemente in bezug auf F i g. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Er besteht im wesentlichen aus zwei entgegengesetzt wirkenden löschbaren Thyristorschaltern 7Äi und Th₂ in der Zu- und Ableitung

der Erregerwicklung V, die durch zwei ebenfalls entgegengesetzt wirkende Freilaufdioden D\ und D₂ überbrückt ist. Alle Einzelheiten über einen solchen Zweiquadranten-Gleichstrompulswandler sind dem eingangs genannten Buch von Heumann/Stumpe, »Thyristoren, Eigenschaften und Anwendungen«, S. 145 in Verbindung mit S. 147, Abb. 147. Id, zu entnehmen.

Ferner sind in F i g. 2 die Stromrichtungspfeile für den während des Betriebes auftretenden Batteriestrom i'b und den Magnetstrom im eingezeichnet. < ο

Wie Fig.2a zeigt, gehört zu jeder Periodendauer T eine Steuerzeit fi, während der eine Spannung Um, am Magnet anliegt Aus dem Verhältnis von Einschaltzeit zur Ausschaltzeit pro Periode ergibt sich ein arithmetischer Mittelwert Umo der Magnetspannung, der wesentlieh kleiner als die Erregerspannung sein kann.

In den Fig.2b und 2c sind der jeweils zugehörige Magnetstrom im und die Batteriespannung Ub über der Zeit aufgetragen. Die Fig.2d zeigt den zugehörigen Batteriestrom /β bzw. den zugehörigen Energiefluß E ebenfalls aufgetragen über der Zeit

Die in F i g. 1 dargestellten Gleichstrompulswandler GP werden durch den Taktgeber C nacheinander jeweils um die Zeit

zeitverschoben angesteuert, wobei Tdie schon erwähnte Periodendauer des Gleichstrompulswandlers, η die Anzahl der Pulswandler, /=1,2, .... n-\ die Ordnungszahlen des zeitverschoben angesteuerten Gleichstrompulswandlers und Ki ein Korrekturfaktor ist, durch den ungleich verteilte Ströme und/oder Verlustwiderstände der Erregerwicklungen berücksichtigt werden, so daß die beim Abschalten der einen Erregerwicklung rückfließende Energie einer anderen Erregerwicklung zugeführt wird. Hierdurch wird die Energierücklieferung in die Batterie weitestgehend unterbunden.

In F i g. 3 ist ein Pulsplan für die Erregerwicklungen von vier Magneten, also für vier Gleichstrompulswandler darstellt, und zwar jeweils als Magnetspannung Um 1 bis Um 4 über der Zeit t Der Pulsverlauf gemäß der F i g 3a bis 3d ergibt bezogen auf den Batteriestrom i'b den in Fig.3e dargestellten Pulsverlauf, vorausgesetzt daß gleiche Lastströme in allen vier Magneten vorhanden und die Korrekturfaktoren Kj konstant und der Einfachheit halber gleich eins sind.

Diese zeitlich versetzte Ansteuerung der Gleichstrompulswandler {führt also zn einer sehr günstigen Batterieausnützung, da die Rückladezeit — jeweils der negative Teil der Pulskurven in den Fig.3a bis 3d — eines Magneten zeitlich mit der Erregungs- oder Ladezeit eines anderen Magneten zusammenfällt abgesehen von der Differenz aufgrund von Wirkverlusten der Magnete. Es erfolgt also eine Umspeisung zwischen den einzelnen Magneten im Takte der Taktfrequenz der Gleichstrompulswandler. Da die Taktfrequenz mit der Anzahl der Magnete steigt, wird dieser Effekt um so günstiger, je mehr Magnete angeschlossen sind. Für eine Gleichverteilung der Ströme und Ki = 1 ergibt sich bei π Magneten für die Zeitverschiebung t„

t. =

T
η

IT
η

-1

und für den mittleren Batterieladestrom i_B
.· _ .- ... 2'· -T

wobei Ϊμ der Magnetstrom einer einzelnen Erregerwicklung, T iie Periodendauer und ii die Steuerzeit bedeutet

Bei ungleich verteilten mittleren Strömen in mehreren Erregerwicklungen — das bedeutet ein von Erregerwicklung zu Erregerwicklung unterschiedliches Verhältnis von Maximalspannung zu mittlerer Spannung — sind die Zeitverschiebungen /„,■ entsprechend ungleich verteilt, so daß sie eine für den jeweiligen Fall optimale Entladung der Batterie gestatten.

Die Batterie wird also für den Fall des Ausfalls des Stromversorgungsnetzes schonend mit Konstantstromentladung betrieben, bei ungestörtem Netz dagegen ergibt sich der übliche Ladeerhaltungsbetrieb.

Anstelle der Zweiquadranten-Gleichstrompulswandler können auch Vierquadranten-Gleichstrompulswandler der in F i g. 4 dargestellten Art verwendet werden. Die Anordnung dieser Vierquadranten-Gleichstrompulswandler erfolgt in der gleichen Weise wie in F i g. 1 dargestellt. Dieser Gleichstrompulswandler weist vier in Brückenschaltung betriebene löschbare Thyristoren Th* bis Th₇ sowie vier zugehörige Freilaufdioden D» bis D₇ auf. Ein solcher Pulswandler ist im einzelnen in dem eingangs genannten Buch »Thyristoren, Eigenschaften und Anwendungen« auf den Seiten 148,149 beschrieben.

Die F i g. 4a und 4b zeigen, entsprechend den F i g. 2a bis 2d den Verlauf der Magnetspannung Um des Magnetstromes im der Batteriespannung Ub und des Batteriestromes i_B jeweils aufgetragen über der Zeit t im ersten und zweiten bzw. im dritten und vierten Quadranten.

Wie die Fig.4 zeigt, ändern sich gegenüber der Ausführungsform nach F ig. 2 lediglich die Verhältnisse auf der Lastseite, da hier eine Spannungs- und Stromumkehr möglich ist. Auf der Batterieseite entspricht die Schaltungsanordnung nach Fig.4 exaki der Schaltungsanordnung nach F i g. 2, so daß auch hiei die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur Stromversorgung von Trag- und Führungsmagneten eines Magnetschwebefahrzeuges aus einer Gleichstromquelle, wobei jedem Magneten ein Gleichstrompulswandler zugeordnet ist, der den zugehörigen Magneten mit variablem Impulsverhältnis wechselweise an positive und an negative Spannung legt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrompulswandler (GP) ι ο in Form von Zweiquadranten-Gleichstrompulswandlern aus einer gemeinsamen zweipoligen Batterie gespeist und durch einen Taktgeber (C) jeweils um die Zeit f_m zeitverschoben nach der folgenden Beziehung steuerbar sind: