DE2403926C3 - 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 Oberstromselbstschalter mit einer Stromquelle und andererseits mit einem gemeinsamen Gleichstromsteller verbunden sind, ist bereits bekannt (Siemens-Zeitschrift, Heft 6, luni 1965, Seiten 625 und 626). Dabei wird der Gleichstromsteller, der beim Fahrbetrieb in Reihe ?.ur 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 Nut/brcms-Stcueranordnung entspricht.

Bei einer anderen Nut/.brcmvStcucranordnung mil 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 dip 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 zurückgeliefert wird. Mit 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, wild 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 werden, 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 einen Zerhacker, der mit den Reihenschaltungen über die elektronischen Schalter verbunden ist, die abwechselnd im Takt mit dem Fin-Aus-Schalten des Zerhackers ein- und ausgeschaltet werden, wodurch der Strom in der Motoren so steuerbar ist, daß cine Nutzbremsung be einer höheren Drehzahl als der Nenndrehzahl mögliel· ist und der Zerhacker dennoch eine kleine Stiomkapazi tat haben kann.

Durch die Erfindung wird also eine einfache Nutzbrems-Sieueranordnung für Elektrofahrzeuge um dergleichen ungegeben, mit der emu wirksame Nutz

iremsung von Motoren kontinuierlich über dem lereich von höheren Drehzahlen als die Nenndrehzahl [er Motoren bis auf eine niedrigere Drehzahl herab

nöglich ist.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher S

erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine Schaltung einer bereits bekannten

Nutzbrems-Steueranordnung,

F i g. 2 eine Schaltung einer weiteren bereits bekannten Nutzbrems-Steueranordnung für den Betrieb bei <° hohen Motordrehzahlen,

Fig.3 eine Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 4 ein Zeitdiagramm zum Erläutern der Arbeitsweise des Zerhackers und der Thyristoren von F i g. 3, >5

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

Fig.6 eine Schaltung eines weiteren erfindungsgemäBen Ausführungsbeispiels der Erfindung und

F i g· 7 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der *o Arbeitsweise der Schaltung von F ι g. 6.

Die Anordnung und Arbeitsweise der bereits bekannten Nutzbrems-Steuerung mit einem Zerhacker wird zuerst anhand von Fig. 1 erläutert, die zwei zu steuernde Motoren enthält, damit ein Vergleich mit der zs erfindungsgemäßen Steueranordnung durchführbar ist. Die Zeichnung zeigt einen Fahrdraht bzw. eine Oberleitung L, einen Scherenstromabnehmer P. einen Unterbrecher K, eine Diode Ds zum Durchlassen eines Nutzbretns-Stroms, einen Zerhacker CH, eine Spule MSL Feldwicklungen Fi, F₂ mit den Ankern M,, M₂ der Motoren und Erde £.

Obwohl die dargestellte Schaltung nur zwei Motoren Mi, Fi und M₂, F₂ enthält, kann jeder der bezeichneten Dren tatsächlich aus einer Reihenschaltung aus zwei τ mehreren Motoren bestehen, deren Anzahl von Nennspannung des Moiors und der Oberleitungsabhängt. Es versteht sich, daß die Bezugnah-1 Motor in der Beschreibung und in den

ebenso für einen Motor oder eine i aus zwei oder mehreren in Reihe 1 Motoren gilt.

Wenn der Unterbrecher K in F i g. 1 geschlossen und der Zerhacker CH betätigt wird, fließt in dem aus den Ankern Mi und M₂, den Feldwicklungen Fi und F₂, der und dem Zerhacker CH bestehenden

bestimmten Wert errecht,

NuSem -Strom und damit der Motorstrom vernn-Nut/brcms-Strom weiter erhöh, wird, so da» cm

dieser N.i«/brems-Sieucrung mU einem Zerhacker muß die Summe aus den induzierten

Spannungen der Anker Mi 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 Neni.drehzahl 750 V beträgt. Mit der in F i g. 1 dargestellten Nutzbrems-Steueranordnung läßt sich dann bei höheren Drehzahlen höher als der Nenndrehzahl keine erfolgreiche Nutzbrems-Steuerung

durchführen.

Eine weitere Schaltungsanordnung, mit der sich die Nutzbrems-Steuerung bei einer höheren Drehzahl als der Nenndrehzahl durchführen läßt, ist in F i g. 2 dargestellt. In dieser Anordnung sind zwei Motorschaltungen, deren jede aus einer Reihenschaltung eines Ankers Mi bzw. M₂ und einer Spule MSLi bzw. MSL2 besteht, parallel geschaltet, wobei jede Reihenschaltung parallel zu einem Zerhacker CHi bzw. CH₂ liegt, und wobei die Feldwicklungen Fi bzw. F₂ der Motoren kreuzweise geschaltet sind. Jede Motorschaltung ist über Dioden DSi 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 Ein-Aus-Schalten der Zerhacker CHi und CH: ahrilich wie in der genau beschriebenen Schallung der F i g. 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 Obarleitungs Spannung von 1500 V ausgesteuert werden, so daß eine Beeinflussung der Nutzbremsung bei doppelter Nenndrehzahl möglich ist. Trotz dieses Vorteils hat die Anordnung wegen des Einsatzes von zwei Zerhackern CHi und CH2 als Nachteil hohe Herstellungskosten.

F.iii 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 F i g. 4 dient zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung von Fig. 3. Die Fig. 3 enthält wie die Anordnung der F i g. 2 zwei Motorschaltungen, deren jede aus einem Motorcnker Mi bzw. M₂ und einer Spule MSLi bzw. MSL2 besteht und die derart parallel geschaltet sind, daß ihre Feldwicklungen Fi, Fj kreuzweise geschaltet sind, und daß ein Zerhacker CV/ über Halbleiterschalter, z. B. über Thyristoren Si bzw. S₂ parallel zu jeder der Motorschaltungen angeschlossen ist. Die Arbeitsweise der Anordnung der F1 g. 3 wird mit Bezug auf F i g. 4 nachstehend erläutert.

Der Zerhacker CH wird mit einer Steuerperiode T entsprechend dem Zeildiagramm (a)der F i g. 4 ein- und ausgeschaltet, während die Thyristoren Si und S₂ abwechselnd und im Takt mit dem tun-Aus-Schalten des > Zerhackers C//ein- und ausgeschaltet werden, wie in (b) und (c) der F i g. 4 dargestel't ist, wobei die Thyristoren Si und S2 durch Abschalten des Zerhackers CH automatisch stromlos gemacht werden.

Somit wird der Strom in jeder MotorschaUung mit ο der Stcucrperiodc 2/"durch das Ini-AusSchiilten tier Thyristoren Si und S₂ gesteuert, so daß wie in der Anordnung von F i g. 2 eine Nutzbrems-Steuerung bei einer Motordreh/.ahl gleich der zweifachen Nenndrehzahl durchführbar ist, wobei die im Motor induzierte (ys Spannung im wesentlichen gleich der Oberleitungs-Spannung von 1500 V ist. In dein Zeitpunkt, in dein die induzierte Spannung des Motors 1500 V betragt, ist die Leitperiode oder F.inschaltzcii des Zcrhnekers (7/und

der Thyristoren Si und S₂ kurz, wie in Fig.4 durch ausgezogene Linien angezeigt ist. Wenn die induzierte Spannung des Motors mit abnehmender Molordrchzahl niedriger als 1500V wird, nimmt die Leitperiode des Zerhackers CH und der Thyristoren Si und 52 zu, wie in Γ 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 Obcrleitungs-Spannung, wird die Leitperiode des Zerhackers CH im wesentlichen gleich der Steuerperiode T, wobei einige 100 μs für das Abschalten der Thyristoren Si und S₂ unberücksichtigt sind, während der leitende Zustand der Thyristoren S₁ und S₂ für eine Periode näherungsweise gleich der Hälfte der Steuerperiode andauert.

Wenn somit in der Anordnung der F i g. 3 die Motordrehzahl so weit verringert ist, daß die induzierte Spannung des Motors unter 750 V absinkt, muß die Leitperiode des Zerhackers über seine Stcuerperiode T hinaus erhöht werden, so daß die Thyristoren S\ und 52 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 DSj. In dem Bereich der Motordrehzahl, in dem die induzierte Spannung des Motors zwischen 1500 V und 750 V liegt, ist der Schalter K_x geöffnet, so daß der Motorstrom bzw. Nutzbrems-Strom durch genau dieselbe Schaltungsanordnung wie in Fig. 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 Fig. 1 eine Nutzbrems-Steuerung bis zu einem Wert der Motordrehzahl möglich ist, bei dem die induzierte Spannung der Motoren fast Null wird. In dieser Betriebsart muß der Thyristor S\ oder der Thyristor S₂ nicht gesteuert werden, vielmehr können diese jeweils geschlossen oder geöffnet sein. Alternativ dazu kann ein zum Thyristor Si parallel liegender Schalter K₂, wie dargestellt, gleichzeitig mit dem Schließen des Schalters K\ geschlossen werden, um den Thyristor Si kurzzuschließen. In diesem Fall kann die Stromstärke des Thyristors Si verringert werden.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß erfindungsgemäß in dem Bereich der Motordrehzahl in dem die induzierte Spannung des Motors höher ist als seine Nennspannung, die Motorschaltungen parallel geschaltet sind, so daß synchron mit dem Ein-Aus-Schalten des parallel zu den Motorschaltungen über Thyristoren Si bzw. S₂ angeschlossenen Zerhackers CH die Thyristoren Si und S2 abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, wodurch die Nutzbrems-Steuerung erfolgt. In dem Bereich der Motordrehzahl, in dem die induzierten Spannungen dor Motoren niedriger sind als deren Nennspannungen, werden die Motorschaltungen in Reihe geschaltet, so daß die Nutzbremsung durch Ein-Aus-Schalten des parallel zu den in Reihe geschalteten Motorschaltungen angeschlossenen Zcrhackcrs CW bewirkt wird. Einer der Vorteile der Erfindung entsteht dadurch, daß die Nutzbrems-Steuerung für zwei Motoren mit einem einzigen Zerhacker CH durchführbar ist. Ferner müssen die Thyristoren S\ und S2 nicht mit irgendwelchen Löschvorrichtungen versehen werden, so daß die erfindungsgemäße Steueranordnung, verglichen mit der Steueranordnung der Fig. 2, nur sehr geringe Herstellungskosten verursacht.

Trotz der Talsache, daß die Leitperiode des Zerhackers, die von der Operationszeit der Löschschaltung abhängt, nicht unter 200 bis 300 μ% 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 veränderlieh ist. Dieser Vorteil wird nachstehend näher mit Bezug auf den Zerhacker erläutert, der beispielsweise zum Steuern eines Elektrofahrzeugs verwendet wird.

Um eine induktive Beeinflussung über die Oberleitung zu verringern, werden die gegenwärtig zürn Steuern von Elektrofahrzeugen verwendeten Zcrhakker mit einer Stcuerungsperiode von näherungsweisc 3 ms betrieben, d. h. mit einer Frequenz, die weit genug von in Nachrichlensystemen verwendeten Frequenzen entfernt ist. Infolgedessen üegl das minimale Tastverhältnis des Zerhackers, d. h. das Verhältnis der minimalen Einschaltzeit des Zerhackers, bezogen auf die Steuerperiode, im Bereich von 200/3000 bss 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 Motorschallungen in der Größenordnung von 0,2 Ω ist, hat der fließende Strom 500 bis 750 A. 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 .n der Größenordnung von 200 bis 300 A zu halten. Derartige Zusatzwiderstände brauchen in der erfindungsgemäßen Steueranordnung nicht eingefügt ?:u werden, da hier die minimale tatsächliche Leitperiode oder das minimale Tastverhältnis des Zerhackers mit 0 beginnen kann, indem das Zünden der in Reihe mit dem Zerhacker liegenden Thyristoren verzögerbar ist Zusätzlich erlaubt die Tatsache, daß die minimale Leitperiode des Zerhackers selbst langer als 200 bis 300 us sein kann, die Verwendung von Thyristoren mil längerer Einschaltzeit, so daß in sehr vorteilhaftei Weise ein billiger Zerhacker einsetzbar ist

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wire mit Bezug auf Fig.6 erläutert. Dieses Ausführungsbei spiel betrifft eine Anordnung zum Verringern de! Welligkeitsfaktors des Motorstroms. Wie aus dei Zeichnung hervorgeht liegen Spulen WSLi und MSU von denen jeweils ein Ende miteinander verbunden ist in Reihe mit einer Motorschaltung. Das Zeitdiagramn der F i g. 7 dient zur Erläuterung der Arbeitsweise de

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 MSL.2 pulsieren wegen des Ein-Aus-Schaltens der Thyristoren Si und S2 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 F i g. 3 und 5, in denen der Spulensirom gleich dem Motorstrom ist, und in denen zum Verringern der Welligkeit des Stroms entweder eine Verkleinerung der Steuerperiode 7"des Zerhackers CH

oder eine Vergrößerung der Spule notwendig ist, ergibt die Steueranordnung der Fig.6 eine nur sehr geringe Weliigkcit des Stroms, da der Strom durch die Summe der Spulenströme gegeben ist, wie aus (f) in F i g. 7 hervorgeht.

Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele zwei Motoren enthalten, kann die KiTindung gleichermaßen auch aiii den lall angewendet werden, bei dem Motorschaltungen mit zwei oder mehreren Motoren miteinander parallel geschaltet sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

KB 626/229

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Nutzbrems-Steueranordnung mit Gleichstrommotoren und in Reihe geschalteten Spulen, wobei 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 Motoranker ange- «o schlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Reihenschaltung (M^ MSL_U M₂ MSL₂) über einen elektronischen Schalter (Si, S₂) mit dem Zerhacker (CH) verbunden ist.

2. Nutzbrems-Steueranordnung nach Anspruch 1 mit zwei Reihenschaltungen, gekennzeichnet durch einen Rückstromunterbrecher (DS₃) zwischen dem Zerhacker (CH) und der einen Reihenschaltung (Mi MSLiJt £o daß Strom nur in einer Richtung fließt, und einen bei Absinken der Drehzahl der Gleich-Strommotoren unter einen vorbestimmten Wert geschlossenen weiteren Schalter (K]) zwischen dem einen Ende der einen Reihenschaltung (M\ MSU) und dem entgegengesetzten Ende der anderen Reihensch altung (M₂ MSL₂).

3. Nutzbrems-Steueranordnung nach Anspruch 2, bei der die beiden Reihenschaltungen querverbunden sind und jeweils eine Feldwicklung aufweisen, diidurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter ('Si, Si) Thyristoren sind, die mit ihren Anoden mit den Spulen (MSL_U MSL₂) verbunden sind, daß die Anode des Zerhackers (CH)jeweils mit den Kathoden der Thyristoren verbunden ist, daß der Rückstromunterbrecher (DSj) eine erste Diode hat, deren Kathode mit dem Motoranker (M\) der einen Reihenschaltung (M] MSL\) und deren Anode mit der Kathode des Zerhackers (CH) und mit dem Motoranker (M₂) der anderen Reihenschaltung (M₂ MSLi) verbunden ist, daß eine zweite Diode (DS*) mit ihrer Anode mit der Feldwicklung (FJ der anderen Reihenschaltung (M₂ MSL₂) und mit ihrer Kathode mit den Spulen (MSL], MSL₂) und der Feldwicklung (F₂) der einen Reihenschaltung (Mi MSL\) verbunden ist, und daß der weitere Schalter (K₁) zwischen der Kathode der ersten Diode und der Anode der zweiten Diode (DS*) liegt (Fig. 6).