DE2403926B2 - Nutzbrems-steueranordnung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Nutzbrems-Steueranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Nutzbrems-Steueranordnung, bei der twei Fahrmotoren einerseits über einen gemeinsamen Überstromselbstschalter mit einer Stromquelle und andererseits mit einem gemeinsamen Gleichstromstel !er verbunden sind, ist bereits bekannt (Siemens-Zeitschrift, Heft 6, Juni 1965, Seiten 625 und 626). Dabei wird der Gleichstromsteller, der beim Fahrbetrieb in Reihe zur Stromquelle liegt und die Versorgung der Fahrmotoren mit einer veränderlichen Gleichspannung ermöglicht, für das Bremsen parallel zu den Fahrmotoren geschaltet. Die Impulssteuerung der Fahrmotoren erfolgt also über den Gleichstromsteller, der somit dem Zerhacker bei der eingangs genannten Nutzbrems-Steueranordnung entspricht.

Bei einer anderen Nutzbrems-Steueranordnung mit

einem Zerhacker wird dieser zunächst geschlossen, wodurch ein geschlossener Kreis gebildet wird, der wenigstens aus einem Motor, einer Spule und einem Zerhacker besteht Während des Bremsens wird der Motor als Generator verwendet, so daß ein durch den Motor erzeugter Strom im geschlossenen Kreis fließt, wodurch in der Spule elektromagnetische Energie gespeichert wird. Der Spannungsabfall am Zerhacker und an anderen Verbindungspunkten ist so klein, daß die Spannung an der Spule im wesentlichen gleich der durch den Motor erzeugten Spannung ist Als nächstes wird der Zerhacker geöffnet wodurch die Reihenschaltung aus Motor und Spule an eine Stromquelle angeschlossen wird. Die Spannung am Motor und an der Spule wird nun größer als die Quellenspannung, so daß Energie in die Stromquelle zu.ückgeliefert wird. Miit der in der Spule gespeicherten Energie nimmt auch die Spannung an der Reihenschaltung aus Motor und Spule ab, und wenn die Spannung unter den Wert der Speisespannung absinkt, wird der in die Stromquelle fließende Strom demgemäß auf Null verringert Wenn der Zerhacker nach der Abnahme des in die Stromquelle fließenden Stroms wieder geschlossen wird, wird dadurch auch der Motorstrom erhöht, so daß die Spannung an der Spule erneut zunimmt Der Motor wird wiederum mit der Stromquelle verbunden, wodurch wiederum ein Rückwärtsstrom in die Stromquelle fließt Durch Wiederholen dieses Vorgangs kann der Motorstrom, d.h. der Nutzbrems-Strom, gesteuert werden.

Bei der genannten Nutzbrems-Stromsteuerung ist vorausgesetzt daß die im Motor erzeugte Spannung niedriger ist als die Spannung der Stromquelle. Wenn die im Motor erzeugte Spannung höher ist als die Quellenspannung, wird der in die Stromquelle fließende Rückstrom nicht auf einen ausreichend niedrigen Wert verringert sogar dann nicht, wenn die in der Spule gespeicherte Energie abnimmt. Infolgedessen fließt der Nutzbrems-Strom weiter, wodurch die Nutzbrems-Steuerung unwirksam wird.

Die im Motor erzeugte Spannung ist höher als die Quellenspannung, wenn z. B. mehrere auf einem Elektrofahrzeug angeordnete Motoren in Reihe geschaltet sind, während sie mit einer höheren Drehzahl als der Nenndrehzahl betrieben werde», was an sich durch Parallelschalten der Motoren und Ausrüsten jedes Motors mit einem Zerhacker verhindert werden kann. Der Einsatz mehrerer Zerhacker ist jedoch sehr aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfach aufgebaute Nutzbrems-Steueranordnung anzugeben, mit der eine Nutzbremsung von Motoren bei einer höheren Drehzahl als der Nenndrehzahl möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Nutzbrems-Steueranordnung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst

Die erfindungsgemäße Steueranordnung hat einer Zerhacker, der mit den Reihenschaltungen über die elektronischen Schalter verbunden ist, die abwechselnc im Takt mit dem Ein-Aus-Schalten des Zerhackers ein und ausgeschaltet werden, wodurch der Strom in dei Motoren so steuerbar ist, daß eine Nutzbremsung be einer höheren Drehzahl als der Nenndrehzahl möglicl ist und der Zerhacker dennoch eine kleine Stromkapazi tat haben kann.

Durch die Erfindung wird also eine einfach' Nutzbrems-Steueranordnung für Elektrofahrzeuge um dergleichen angegeben, mit der eine wirksame Nutz

Zerhacker muß die Summe aus den induzierten Spannungen der Anker M\ und M₂ stets niedriger sein als die Spannung der Oberleitung.

Es sei z.B. angenommen, daß die Spannung der Oberleitung 1500 V und die induzierte Spannung jedes Motors bei Nenndrehzahl 750 V beträgt Mit der in Fig. 1 dargestellten Nutzbrems-Steueranordnung läßt sich dann bei höheren Drehzahlen höher als der Nenndrehzahl keine erfolgreiche Nutzbrems-Steuerung

bremsung von Motoren kontinuierlich aber dem Bireich von höheren Drehzahlen als die Nenndrehzahl der Motoren bis auf eine niedrigere Drehzahl herab möglich ist

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

Fig.l ^eine Schaltung einer bereits bekannten Nutzbrems-Steueranordnung,

F i g. 2 eine Schaltung einer weiteren bereits bekann ten Nutzbremi Steueranordnung für den Betrieb bei io durchführen, hohen Motordrehzahlen, Eine weitere Schaltungsanordnung, mit der sich die

Fig.3 eine Schaltung eines ersten Ausführungsbei- Nutzbrems-Steuerung bei einer höheren Drehzahl als

der Nenndrehzahl durchführen läßt, ist in Fig.2 dargestellt In dieser Anordnung sind zwei Motorschaltungea, deren jede aus einer Reihenschaltung eines Ankers Mt bzw. Af₂ und einer Spule MSL_t bzw. MSL₂ besteht parallel geschaltet wobei jede Reihenschaltung parallel zu einem Zerhacker CH\ bzw. CH₂ liegt und wobei die Feldwicklungen F₁ bzw F₂ der Motoren der 20 kreuzweise geschaltet sind. Jede Motorschaltung ist über Dioden DS₁ bzw. DS₂, einen Unterbrecher K und einen Scherenstromabnehmer P an eine Oberleitung L angeschlossen, d. h. in einer Weise, in der der Motorstrom, d.h. der Nutzbrems-Strom, durch das

spiels der Erfindung,

Fig.4 ein Zeitdiagramm zum Erläutern der Arbeitsweise des Zerhackers und der Thyristoren von F i g. 3,

F i g. 5 eine Schaltung zum Umschalten der Schaltung von F ■ g. 3 bei niedrigen Motordrehzahlen,

Fig.6 eine Schaltung eines weiteren erfi^dungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig.7 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung
Arbeitsweise der Schaltung von F i g. 6.

Die Anordnung und Arbeitsweise der bereits bekannten Nutzbrems-Steuerung mit einem Zerhacker wird zuerst anhand von F i g. 1 erläutert, die zwei zu steuernde Motoren enthält damit ein Vergleich mit der 25 Ein-Aus-Schalten der Zerhacker CWi und CW2 ähnlich

wie in der genau beschriebenen Schaltung der Fig. 1 steuerbar ist so daß hier auf eine nähere Erläuterung verzichtet werden Kann. Mit der Anordnung der F i g. 2 kann die induzierte Spannung der Motoren bis zur

erfindungsgemäßen Steueranordnung durchführbar ist.

Die Zeichnung zeigt einen Fahrdraht bzw. eine Oberleitung L, einen Scherenstromabnehmer P, einen

Unterbrecher K, eine Diode Ds zum Durchlassen eirur s pg

Nutzbrems-Stroms, einen Zerhacker CH, eine Spule 30 Oberleitungs-Spannung von 1500V ausgesteuert wer-

MSL, Feldwicklungen Fi, F₂ mit den Ankern Mt, M₂ der den, so daß eine Beeinflussung der Nutzbremsung bei

Motoren und Erde £

Obwohl die dargestellte Schaltung nur zwei Motoren , Fi und M₂, F₂ enthält kann jeder der bezeichneten doppelter Nenndrehzahl möglich ist. Trotz dieses Vorteils hat die Anordnung wegen des Einsatzes von zwei Zerhackern CH\ und CH₂ als Nachteil hohe

Motoren tatsächlich aus einer Reihenschaltung aus zwei 35 Herstellungskosten.

oder mehreren Motoren bestehen, deren Anzahl von der Nennspannung des Motors und der Oberleitungsspannung abhängt Es versteht sich, daß die Bezugnahme auf einen Motor in der Beschreibung und in den Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in F i g. 3 dargestellt die eine bei einer höheren Drehzahl als der Nenndrehzahl des Motors betätigbare Nutzbrems-Steueranordnung zeigt. Das Zeitdiagramm der

Ansprüchen ebenso für einen Motor oder eine 40 Fig.4 dient zur Erläuterung der Arbeitsweise der

~ "' Anordnung von F i g. 3. Die F i g. 3 enthält wie die

Anordnung der F i g. 2 zwei Motorschaltungen, deren jede aus einem Motoranker Mt bzw. M₂ und einer Spule AfSLi bzw. MSL₂ besteht und die derart parallel geschaltet sind, daß ihre Feldwicklungen Fi, F₂ kreuzweise geschaltet sind, und daß ein Zerhacker CW über Halbleiterschalter, ζ. B. über Thyristoren Si bzw. S₂ parallel zu jeder der Motorschaltungen angeschlossen ist. Die Arbeitsweise der Anordnung der F i g. 3 wird mit

Motorgruppe aus zwei oder mehreren in Reihe geschalteten Motoren gilt

Wenn der Unterbrecher K in F i g. 1 geschlossen und der Zerhacker CW betätigt wird, fließt in dem aus den Ankern Mt und M₂, den Feldwicklungen Fi und F₂, der Spule MSL und dem Zerhacker CW bestehenden geschlossenen Kreis ein Motorstrom. Der Widerstand dieses geschlossenen Kreises ist so klein, daß der Motorstrom sehr schnell ansteigt. Wenn der Zerhacker

in einem Zeitpunkt abgeschaltet wird, in dem der 50 Bezug auf F i g. 4 nachstehend erläutert.

Der Zerhacker CH wird mit einer Steuerperiode T entsprechend dem Zeitdiagramm (a)der F i g. 4 ein- und ausgeschaltet, während die Thyristoren Si und S₂ abwechselnd und im Takt mit dem Ein-Aus-Schalten des

Motorstrom einen bestimmten Wert erreicht bewirkt die Induktion in der Spule MSL₁ daß der Motorstrom über die Diode Dsund den Scherenstromabnehmer Pin

die Oberleitung L fließt, so daß eine Nutzbremsung , .

vorgenommen wird. Für den Fall, daß die Summe aus 55 Zerhackers CWein- und ausgeschaltet werden, wie in (b) den induzierten Spannungen der Anker Mt und Ai₂ und ^ der F i g. 4 dargestellt ist, wobei die Thyristoren niedriger ist als die Spannung der Oberleitung, wird der Nutzbrems-Strom und damit der Motorstrom verringert, während dann, wenn die induzierte Spannung

Si und S₂ durch Abschalten des Zerhackers CH automatisch stromlos gemacht werden. Somit wird der Strom in jeder Motorschaitung mit

höher ist als die Spannung der Oberleitung, der 60 der Steuerperiode 2 Γ durch das Ein-Aus-Schalten der Nutzbrems-Strom weiter erhöht wird, so daß eine Thyristoren Si und Si gesteuert, so daß wie in der Steuerung unmöglich ist. Wenn der Motorstrom auf Anordnung von F i g. 2 eine Nutzbrems-Steuerung bei einen vorbestimmten Wert verringert wird, wobei der zuerst genannte Fall der normale ist, wird der Zerhacker

einer Motordrehzahl gleich der zweifachen Nenndrehzahl durchführbar ist, wobei die im Motor induzierte

CH erneut betätigt, so daß der Motorstrom wiederum 65 Spannung im wesentlichen gleich der Oberleitungsansteigt. Diese Steuervorgänge werden zum Steuern Spannung von 1500 V ist. In dem Zeitpunkt, in dem die des Motorstroms, d.h. des Nutzbrems-Stroms, ständig wiederholt. Bei dieser Nutzbrems-Steuerung mit einem

induzierte Spannung des Motors 1500 V beträgt, ist die Leitperiode oder Einschaltzeit des Zerhackers CH und

der Thyristoren S\ und S₂ kurz, wie in Fig.4 durch ausgezogene Linien angezeigt ist Wenn die induzierte Spannung des Motors mit abnehmender Motordrehzahl niedriger als 1500V wird, nimmt die Leitperiode des Zerhackers CH und der Thyristoren Si und Si zu, wie in F i g. 4 durch Strichlinie angezeigt ist

Wenn die Motordrehzahl auf einen Wert absinkt, bei dem die induzierte Spannung des Motors 750 V ist, d. h. halb so groß wie die Oberleitungs-Spannung, wird die Leitperiode des Zerhackers CH im wesentlichen gleich der Steuerperiode T, wobei einige 100 μβ für das Abschalten der Thyristoren Si und Sj unberücksichtigt sind, während der leitende Zustand der Thyristoren Si und Si für eine Periode näherungsweise gleich der Hälfte der Steuerperiode andauert

Wenn somit in der Anordnung der Fig.3 die Motordrehzahl so weit verringert ist daß die induzierte Spannung des Motors unter 750 V absinkt, muß die Leitperiode des Zerhacken Ober seine Steuerperiode T hinaus erhöht werden, so daß die Thyristoren Si und S₂ nicht mehr abschaltbar sind.

Die Anordnung der F i g. 5 zeigt eine Abwandlung der Anordnung von F i g. 3 und ist so ausgeführt daß sogar bei einer Drehzahl unterhalb der Nenndrehzahl des Motors eine Nutzbremsung durchführbar ist. Mit anderen Worten: Mit dieser Anordnung ist eine Nutzbrems-Steuerung für Motordrehzahlen möglich, deren Bereich von der doppelten Drehzahl, bei der die induzierte Spannung des Motors 1500 V beträgt bis zu einer unteren Drehzahl reicht bei der die induzierte Spannung fast Null ist Zusätzlich zu den Bauelementen der Anordnung der Fig.3 enthält die Anordnung der F i g. 5 weiterhin einen Schalter K\ und eine Diode DSi. In dem Bereich der Motordrehzahl, in dem die induzierte Spannung des Motors zwischen 1500 V und 750 V liegt ist der Schalter K\ geöffnet so daß der Motorstrom bzw. Nutzbrems-Strom durch genau dieselbe Schaltungsanordnung wie in F i g. 3 steuerbar ist Wenn die induzierte Spannung des Motors auf 750 V abfällt wird der Schalter K\ geschlossen und die Motoren werden in Reihe geschaltet während gleichzeitig die Leitperiode des Zerhackers CH auf einen minimalen Wert verringert wird. Mit anderen Worten: Wegen der Reihenschaltung der Motoren beträgt die Summe der induzierten Spannungen der Motoren 1500V, und die Steuerung beginnt mit der minimalen Leitperiode des Zerhackers CH, so daß durch das Ein-Aus-Schalten des Zerhackers CH wie in der Schaltung von F i g. 1 eine Nutzbrems-Steuerung bis zu einem Wert der Motordrehzahl tnogSch ist bei dem die induzierte Spannung der Motoren East NoB wird. In dieser Betriebsart muS der Thyristor Si oder der Thyristor S2 nicht gesteuert wenden, vielmehr können diese jeweils geschlossen oder geöffnet scm. Altertiv oaza Kann em zum inynsror oj parallel Hegender Schalter K₃, wie dargestellt, gachzeg nrit dem SchtieBen des Schalters K₁ geschlossen ««den, am den Thyristor Si knrzznschfieSen. In diesem Fall kann die

Stromstärke des Thyristors Si ver Ans der

at werden.

hervor, daß

in dem Bereich der MotordrehzahL in dem die i Spannung des Motors höher ist als

geschah?* sind, so daß synchron mit dem Sn-Aus-Schalten des parajtel zn den Motorschaltnngen Thyristoren Si iizw. S2 au^eMrossenen Zerhackers die rise Si and S₇ echselnd ein- und ausgeschaltet werden, wodurch die Nutzbrems-Steue rung erfolgt. In dem Bereich der Motordrehzahl, in dem die induzierten Spannungen der Motoren niedriger sind als deren Nennspannungen, werden die Motorschaltungen in Reihe geschaltet, so daß die Nutzbremsung durch s Ein-Aus-Schalten des parallel zu den in Reihe geschalteten Motorschaltungen angeschlossenen Zerhackers CH bewirkt wird. Einer der Vorteile der Erfindung entsteht dadurch, daß die Nutzbrems-Steuerung für zwei Motoren mit einem einzigen Zerhacker

ίο CH durchführbar ist. Ferner müssen die Thyristoren Si und Si nicht mit irgendwelchen Löschvorrichtungen versehen werden, so daß die erfindungsgemäße Steueranordnung, verglichen mit der Steueranordnung der F i g. 2, nur sehr geringe Herstellungskosten verursacht

Trotz der Tatsache, daß die Leitperiode des Zerhackers, die von der Operationszeit der Löschschaltung abhängt nicht unter 200 bis 300 με verringert werden kann, gestattet die Reihenschaltung des Zerhackers und der Thyristoren in Fig.3, daß das Einschalten der Thyristoren gegenüber dem Einschalten des Zerhackers verzögert sein darf, so daß die minimale tatsächliche Einschaltzeit des Zerhackers der Motorschaltungen kontinuierlich fast von Null aus veränder- Hch ist Dieser Vorteil wird nachstehend näher mit Bezug auf den Zerhacker erläutert der beispielsweise zum Steuern eines Elektrofahrzeuge verwendet wird.

Um eine induktive Beeinflussung über die Oberleitung zu verringern, werden die gegenwärtig zum Steuern von Elektrofahrzeugen verwendeten Zerhakker mit einer Steuerungsperiode von näherungsweise 3 ms betrieben, d. h. mit einer Frequenz, die weit genug von in Nachrichtensystemen verwendeten Frequenzen entfernt ist Infolgedessen liegt das minimale Tastver hältnis des Zerhackers, d.h. das Verhältnis der minimalen Einschaltzeit des Zerhackers, bezogen auf die Steuerperiode, im Bereich von 200/3000 bis 300/3000, d. h. etwa 0,065 bis 0,1. Wenn die Oberleitungs-Spannung 1500V beträgt ist die minimale an die Motorschaltungen oder an eine Last angelegte Spannung 1500 χ (0.065 bis 0.1) V, d. h. näherungsweise 100 bis 150 V. Da der Widerstand der Motorschaltungen in der Größenordnung von 0.2 Ω ist hat der fließende Strom 500 bis 75OA. Um diesen großen Strom zu verhindern, der einen starken Stoß und damit eine große Unbequemlichkeit für Passagiere beim Anfahren des Elektrofahrzeugs verursacht werden Widerstände in die Motorschaltungen eingefügt um den Anlaufstrom in der Größenordnung von 200 bis 300 A zu halten.

so Derartige Zosatzwkterstände brauchen in der erfindungsgemäSen Steueranordnnng nicht eingefügt zu werden, da hier die minimale tatsächliche Leitperiode oder das mimmale Tastverhältnis des Zerhackers mit 0 beginnen kann, indem das Zünden der in Reihe mit dem Zerhacker fegenden Thyristoren zöerbar ist Zusätzlich ertaubt die tse, daß die iale Leitperiode des Zerhackers selbst länger als 200 bis 300 ps sem kann, die Verwendung von Thyristoren mit längerer Einschabzeit, so daß in sehr vorteilhafter

Weise ein büfiger Zerhacker einsetzbar ist

Ein weiteres AnsfShrangsbeispiel der Erfindung wird mit Bezog auf Fig.6 erläntert Dieses Ausfühnegsbeispiel betrifft eine Anordnung zum Verringern des Wenigkeitsfaktors des Motorstroms. Wie aas der

6s Zeichnung hervorgeht. Gegen Spaten AiSL, and MSLh von denen jeweils ein Ende ander verbanden ist, in Reihe mit einer Motorschammg. Das Zeitdiagramm der Fig. 7 dient zor Erläuterung der Ase der

Schaltungsanordnung in Fig.6 für den Drehzahlbereich, bei dem die im Motor induzierte Spannung höher ist als dessen Nennspannung. Die Ströme in den Spulen MSLi und MSLi pulsieren wegen des Ein-Aus-Schaltens der Thyristoren S\ und Si im Takt mit dem Zerhacker CH, wie in den Zeitdiagrammen (d) und (e) der F i g. 7 dargestellt ist. Abweichend von den Schaltungsanordnungen der Fig.3 und 5, in denen der Spulenstrom gleich dem Motorstrom ist, und in denen zum Verringern der Weiiigkeit des Stroms entweder eine Verkleinerung der Steuerperiode Γ des Zerhackers CH

oder eine Vergrößerung der Spule notwendig ist, ergibi die Steueranordnung der Fig.6 eine nur sehr geringe Welligkeit des Stroms, da der Strom durch die Summe der Spulenströme gegeben ist, wie aus (f) in Fig./ hervorgeht.

Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele zwe Motoren enthalten, kann die Erfindung gleichermaller auch auf den Fall angewendet werden, bei den Motorschaltungen mit zwei oder mehreren Motorer

,o miteinander parallel geschaltet sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Nutzbrems-Steueranordnung mit Gleichstrommotoren und in Reihe geschalteten Spulen, wobei S jede Reihenschaltung über einen gemeinsamen Stromunterbrecher an eine Stromquelle angeschlossen ist und die Impulssteuerung der Motoren durch einen gemeinsamen Zerhacker erfolgt, der an die gemeinsame Verbindung der Motoranktr ange- u> schlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Reihenschaltung (M_x MSLu M₂ MSL₂) über einen elektronischen Schalter (Su Si) mit dem Zerhacker (CH)verbunden ist

2. Nutzbrems-Steueranordnung nach Anspruch 1 mit zwei Reihenschaltungen, gekennzeichnet durch einen Rückstromunterbrecher (DSi) zwischen dem Zerhacker (CH) und der einen Reihenschaltung (M\ MSLx), so daß Strom nur in einer Richtung fließt, und einen bei Absinken der Drehzahl der deichstrommotoren unter einen vorbestimmten Wert geschlossenen weiteren Schalter (K\) zwischen dem einen Ende der einen Reihenschaltung (M\ MSL\) und dem entgegengesetzten Ende der anderen Reihenschaltung (M₂ MSL₂).

3. Nutzbrems-Steueranordnung nach Anspruch 2, bei der die beiden Reihenschaltungen querverbunden sind und jeweils eine Feldwicklung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (Su S₂) Thyristoren sind, die mit ihren Anoden mit den Spulen (MSL], MSL₂) verbunden sind, daß die Anode des Zerhackers (CH) jeweils mit den Kathoden der Thyristoren verbunden ist, daß der Rückstromunterbrecher (DS3) eine erste Diode hat, deren Kathode mit dem Motoranker (M\) der einen Reihenschaltung (M\ MSL\) und deren Anode mit der Kathode des Zerhackers (CH) ucd mit dem Motoranker (M₂) der anderen Reihenschaltung CM₂ MSL₂) verbunden ist, daß eine zweite Diode (DSa) mit ihrer Anode mit der Feldwicklung (Fi) der anderen Reihenschaltung (M₂ MSL₂) und mit ihrer Kathode mit den Spulen (MSLu MSL₂) und der Feldwicklung (F₂) der einen Reihenschaltung (M\ MSLi) verbunden ist, und daß der weitere Schalter (Ki) zwischen der Kathode der ersten Diode und der Anode der zweiten Diode (DS*) liegt (F ig. 6).