DE2500449B2

DE2500449B2 - Gleichspannungssteller zur speisung eines verbrauchers mit gleichspannungsimpulsen variierbarer frequenz

Info

Publication number: DE2500449B2
Application number: DE19752500449
Authority: DE
Inventors: Sten Dipl.-Ing. Västeraas Elvin (Schweden)
Priority date: 1974-01-24
Filing date: 1975-01-08
Publication date: 1977-05-12
Also published as: SE7400892L; US3974435A; SE386786B; GB1487643A; CA1030604A; FR2259479A1; DE2500449A1; CH586123A5

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungssteller der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art. Ein solcher Gleichspannungssteller ist bekannt (DT-AS 18 15 610).

Bei GSeichspannungssteHern zur Speisung eines Verbrauchers mit Gleichspannungsimpulsen besteht der der Gleichspannungsquelle entnommene Speisestrom aus periodischen Impulsf&Jgen, wobei alle Impulse gleiches Vorzeichen haben. Das bedeutet, daß der resultierende Strom außer einem Gleichstromanteil einen überlagerten Wechselstrom hat, der sich aus einer Grundwelle und einer Anzahl Oberwellen zusammensetzt. In bestimmten Anwendungsfällen kann eine Wechselstromwelle von einer bestimmten Frequenz schädlich sein. Dies ist beispielsweise der Fall beim Betrieb von Schienenfahrzeugen, bei denen die Fahrzeugmotoren über eine gleichspannungsführende Fahrleitung oder Stromschiene und einem oder mehreren im Fahrzeug vorhandenen Gleichspannungsumrichtern, die zur Regelung der Motoren dienen, gespeist werden. Jn diesen Fällen werden meistens Signalsysteme verwendet, weiche mit Hilfe eines beispielsweise über die Schienen übertragenen codierten oder modulierten Trägerfrequenzsignals Informationen zum Fahrzeug <>o geben, welche insbesondere Angaben über die zulässige Geschwindigkeit enthalten.

In einem typischen Fall beträgt die Trägerfrequenz 75 Hz. Es ist außerordentlich wichtig, daG' das Signalsystem nicht durch den Laststrom des Fahrzeuges <\s gestört wird. Bei dem eingangs genannten bekannten Gleichspannungssteller wird die Schalteinrichtung derart gesteuert, daß der von der Gleichspannungsquelle kommende Strom aus Impulsgruppen mit einer bestimmten Anzahl von Impulsen (insbesondere zwei) pro Gruppe besteht, wobei die Gruppenimpulse untereinander konstanten Zeitabstand haben, jedoch der Zeitabstand zwischen benachbarten Gruppen veränderlich ist Hierdurch kann eine bestimmte diskrete Frequenz, nämlich die obengenannte Trägerfrequenz, in dem von der Gleichspannungsquelle, kommende Strom völlig vermieden werden.

Dieses bekannte Steuerprinzip zeigt Fig. la in der der von der Quelle fließende Strom / als eine Funktion der Zeit t dargestellt ist Der Strom besteht aus Impulsgruppen mit je zwei Impulsen. Der Zeitabstand Ti zwischen den beiden Impulsen einer Gruppe ist konstant Der Zeitabstand T₂ zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gruppen kann variiert werden, wodurch der Mittelwert der dem Verbraucher zugeführten Gleichspannung gesteuert wird. Der Wechselstromteil des in F i g. 1 a gezeigten Stromes enthält eine

Grundwelle mit der Frequenz -ψ-, die gleich der

Frequenz ist, mit der die Impulsgruppen auftreten, die sogenannte Gruppenfrequenz. Außerdem gibt es eine große Anzahl von Oberwellen. Die Frequenz

wird immer unter diesen Oberwellen fehlen. Dadurch, daß man in dem oben beschriebenen Fall Ti so wählt, daß /0 gleich der Trägerfrequenz des Signalsystems ist, werden Störungen mit dieser Frequenz also völlig vermieden.

Wenn man bei dem beschriebenen bekannten System den Mittelwert der Spannung am Verbraucher erhöhen will, verringern man T₂. Wenn T₂ so weit vermindert ist, daß Ti = 2 Ti ist, so sind die Abstände zwischen allen aufeinanderfolgenden Impulsen gleich groß (siehe Fig. Ib, sogenanntes symmetrisches Pulsieren). Die

Grundwelle mit der Frequenz ~ ist dann ganz

'2 verschwunden, und die Grundwelle hat die Frequenz

Bei weiterer Erhöhung der Belastungsspannung wird der Zeitabstamd zwischen den Impulsen unter Beibehaltung des symmetrischen Pulsierens gemäß Fig. Ic (T₃< Ti) verkleinert.

Ein Problern bei Anordnungen dieser Art besteht darin, daß es häufig nicht genügt, eine einzige diskrete Frequenz zu beseitigen. Zu dem oben angegebenen Signalsystem bei Schienenfahrzeugen gehört meistens ein auf die Trägerfrequenz abgestimmtes Bandpaßfilter welches nur die Trägerfrequenz hindurchläßt. Damit eine Information durch Kodierung der Trägerfrequenz übertragen werden kann, muß das Bandpaßfilter eine gewisse Bandbreite haben. Dies bedeutet, daß die Grundwelle oder die Oberwellen ins Band des Filters gelangen können, selbst wenn man die eigentliche Trägerfrequenz durch gruppenweise Pulsierung beseitigt. Speziell ist es die Grundwelle, die, wenn sich die Gruppenfrequenz f₀ nähert, ins Band des Filters gelangen und das Signalsystem ernsthaft stören kann.

Besonders ernsthaft können die Störungen sein, wenr mehrere voneinander unabhängige Gleichspannungs steller parallel arbeiten und in gleicher Weise gesteuen

Morden, wie es beispielsweise bei einem aus mehreren Triebwagen bestehenden Zug der Fall ist Bei Störungen mit einer Frequenz nahe der Trägerfrequenz treten Schwingungserscheinungen auf, wobei die maximale Amplitude der Störungen von der Summe der Amplituden der störenden Stromkomponenten der verschiedenen Wagen abhängt Ferner · können die Schwingungen des Signalsystems wie eine Modulation oder eine Kodierung der Trägerfrequenz wirken und dadurch z.B. eine Erlaubnis zur Weiterfahrt vertäusehen, obwohl eine solche Erlaubnis nicht an das Fahrzeug gesandt wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungssteller nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 so zu verbessern, daß von dem Gleichspannungssteller in keiner Betriebsstellung eine Wechselstromkomponente erzeugt wird, die innerhalb einer gewissen Bandbreite beiderseits einer bestimmten Frequenz liegt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Vorzugsweise liegt K im Bereich von 0,6 < K < 0,9.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Gleichstromsteller keine Wechselströme mit Frequenzen erzeugt, die gleich einer bestimmten Frequenz sind oder in der Nähe dieser bestimmten Frequenz liegen. Dadurch wird verhindert daß vom Gleichstromsteiler erzeugte Wechselströme das Bandpaßfilter eines Signalsystems passieren und in Wahrheit nicht gegebene Signale vortäuschen können. Zugleich wird bei der Verwendung mehrerer parallel arbeitender Gleichspannungsumrichter die oben geschilderte Gefahr von Schwingungserscheinungen nahe der Trägerfrequenz des Signalsystems vermieden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 2 eine im wesentlichen als Blockschaltbild dargestellte schematische Anordnung nach der Erfindung,

F i g. 3 den Aufbau des Steuergerätes im Detail, F i g. 4 die im Steuergerät auftretenden Signale.

F i g. 1 wurde bereits oben beschrieben.

Fi g. 2 zeigt die an sich bekannten Hauptschaltkreise bei einer Anordnung gemäß der Erfindung. Ein Gleichstrommotor Mist über eine Glättungsdrossel L 1 und einen Hauptthyristor TH an eine Gleichspannungsquelle BA angeschlossen. Parallel zum Motor und der Drossel L1 liegt eine Freilaufdiode Dl. Parallel zum Hauptthyristor TH liegt ein Löschkreis, der in bekannter Weise aus einem Löschkondensator C, einem Löschthyristor TS, einer Umladeinduktivität L 2 und einer Umladediode D2 aufgebaut ist.

Ein Steuergerät A liefert Impulse mit einer Frequenz, die von der Spannung abhängt, welche A vom Steuer widerstand R 1 zugeführt wird, dessen eines Ende '<o an positiver Spannung und dessen anderes Ende an das Potential Null angeschlossen ist. Die Impulse von A werden dem Hauptthyristor TH über ein Steuerimpulsgerät B zugeführt, welches diese Impulse in Impulse mit einer für die Zündung des Hauptthyristors TH zweckmäßigen Länge, Amplitude und Leistungsniveau umwandelt. Die Impulse von A werden auch dem l ftsrhthvristor TS über ein Impulszeitsteuerglied FT zugeführt, das im Prinzip ein Verzögerungsglied mit einer variierbaren Zeitverzögerung zwischen ein- und ausgeheiiden Impulsen ist Die Verzögerung wird von einem Steuersignal gesteuert welches also die Impulslänge tp bestimmt Jeder Impuls von A zündet unmittelbar den Hauptthyristor TH. Nach der Zeit t_p wird ein Zündimpuls von /*Tan dtn Löschthyristor TS gegeben, wobei der Hauptthyristor in bekannter Weise gelöscht wird. Dem Motor Af werden also Spannungsimpulse mit einem zeitlichen Abstand zugeführt der von der Einstellung des Steuerwiderstandes R1 und des Steuergeräts A bestimmt wird, und mit einer Impulslänge tp. die vom Steuersignal an das Glied PT bestimmt wird.

Die gesamte in Fig.2 gezeigte Anordnung mit Ausnahme der Quelle BA kann in einem Schienenfahrzeug angeordnet sein, wobei der Motor M der Antriebsmotor des Fahrzeugs ist Die Quelle BA kann dabei eine gleichspannungsführende Kontaktleitung oder Kontaktschiene sein.

F i g. 3 zeigt den Aufbau des Steuergeräts A in F i g. 2. Dieses ist aus den Integratoren /1-/4, den Schaltgliedern Ni-N4, den bistabilen Gliedern Bl und B2, dem ODER-Glied E und dem Verzögerungsglied T aufgebaut. Signale im Gerät (außer den Eingangssignalen an /1) können einen von zwei Werten annehmen, die mit »0« und »1« bezeichnet werden. Das Ausgangssignal eines Integrators wird Null, wenn ein Signal »1« dem in der Figur an der Unterseite der Integratoren gezeigten Eingang zugeführt wird, und bleibt solange Null, wie dieses Signal »1« ist. Das Ausgangssignal wächst linear mit der Zeit und mit einer dem Eingangssignal proportionalen Geschwindigkeit. Ein Signal »1« am Eingang gibt nach der über den Integratoren in der Figur angegebenen Zeit den Wert »1« des Ausgangssignals. Bei dem Integrator /1 ist 2 ms die Integrationszeit, die man erhält, wenn die Eingangssignale ihre Maximalwerte haben.

Das Ausgangssignal eines Schaltgliedes ist »1«, wenn das Eingangssignal »1« ist, sonst ist es »0«.

Ein bistabiles Glied gibt im Zustand »1« ein Ausgangssignal »1« und im Zustand »0« das Ausgangssignal »0«. Ein kurzzeitiger »1«- Impuls am Eingang an der linken Seite des Gliedes kippt das Glied von dem vorhandenen Zustand in den anderen Zustand. Ein »1 «-Signal am Eingang an der Unterseite des Gliedes hält, solange es andauert, das Glied im Zustand »0«.

Das Ausgangssignal des ODER-Gliedes hat den Wert »1«, wenn ein Eingangssignal oder beide den Wert »1« haben.

Wenn das Eingangssignal des Verzögerungsgliedes FD seinen Wert von »0« nach »1« ändert, so kippt das Ausgangssignal von »0« nach »1« nach der Zeit T, die kurz ist, beispielsweise etwa zehn MikroSekunden. Wenn das Eingangssignal von »1« nach »0« wechselt, geht das Ausgangssignal unmittelbar von »1« nach »0«.

F i g. 4 zeigt die Ausgangssignale der zum Steuergerät gehörenden Glieder. Das Ausgangssignal des Steuergeräts ist das Ausgangssignal vom ODER-Glied Eund ist ganz unten in der Figur gezeigt.

Vor dem Start haben alle Signale des Steuergerätes den Wert »0«, ebenso wie die Spannung am Steuerwiderstand Rl. Zur Zeit i = 0 wird das Gerät eingeschaltet. Die genannte Spannung wird auf einen niedrigen Wert erhöht. Die Integratoren /1, /3 und /4 beginnen zu arbeiten. Bei U = 11,5 ms hat das Ausgangssignal von /3 den Wert »1« erreicht, und über N 3 wird /4 auf »0« gestellt. Zur Zeit <₂, die in bezug auf den

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Einschaltaugenblick > 11,5 ms ist, erreicht /1 den Wert »1«, und das Ausgangssignal von E wird »1«. Beim Zeitpunkt h = h + ^schaltet das Ausgangssigna! von FD auf »1« um, wobei /1 auf »0« gestellt wird und B1 und B 2 in den »1 «Zustand umschalten. Das Ausgangssignal von Ewird »0«. /2 beginnt zu integrieren, /3 wird auf »0« gestellt, und /4 beginnt zu integrieren. Bei J₄ = f₃ + 6,67 ms erreicht /2den Wert »1«, und das Signal von fwird »1«. Bei r₅= U+ Twerden FD, Ii, 12, Bi und B 2 auf »0« gestellt, das Ausgangssignal von Ewird »0«, und /1 und /3 beginnen zu integrieren.

Deutlichkeitshalber ist die Zeit T in F i g. 4 stark übertrieben. Wie man sieht, hat das Steuergerät zwei Impulse mit einem Zeitabstand von 6,67 ms voneinander abgegeben. Unter der Voraussetzung, daß die Spannung vom Steuerwiderstand R1 so niedrig ist, daß /1 mehr als 11,5 ms benötigt, um von »ö« bis »1« zu integrieren, wird der Verlauf wiederholt, und das Steuergerät gibt bei U, und f? zwei weitere Impulse ab mit einem Abstand von 6,67 ms voneinander. In diesem Zustand erzeugt also das Steuergerät Doppelimpulse mit einer Grundwelle, die eine höchste Frequenz

10³

6,67 + 11,5

= 55Hz

hat, und bei denen die Frequenz

10³

2 · 6,67

= 75Hz

völlig eliminiert ist

Vom Zeitpunkt f7 an ist angenommen, daß das Signal vom Steuerwiderstand R 1 so weit erhöht ist, daß die Integrationszeit für /1 etwas kleiner als 11,5 ms ist. Bei te wird ein Ausgangsimpuls vom Steuergerät gegeben. Gleich danach, bei ig, erreicht /4 den Wert »1«, und das Ausgangssignal von N 4 wird »1«. Hierbei wird ßl in der Lage »0« blockiert, und außerdem wird über den Widerstand Ä2 ein Signal zu dem Signal vom Steuerwiderstand addiert. Der Wert des Widerstands R 2 ist so gewählt, daß die Integrationszeit für /1 nun

6,67+11,5

= 9,1 ms

Es wird angenommen, daß das Signal vom Steuerwiderstand R 1 schwächer wird. Die Impulsfrequenz wird kleiner, doch geschieht nichts, bevor die Integrationszeit des Integrators /1 unter 11,5 ms sinkt, was der Frequenz

= 87Hz

wird. Da ßl in der Lage »0« blockiert ist, wird /2 untätig, und Impulse werden bei den Zeiten fio, tu, tu mit gleichem Zeitabstand untereinander und mit der Frequenz

IQ³
9,1

= 110 Hz

erzeugt Durch eine Steigerung des Signals vom Steuerwiderstand kann die Impulsfrequenz über diesen Wert hins us bis auf

10³

= 500Hz

erhöht werden (2 ms ist die kürzeste Integrationszeit für den Integrator Ii). Von der Grundwellenfrequenz von 55 Hz der gruppenweisen Pulsierung ist das Steuergerät nun also direkt auf symmetrische Pulsierung mit der Grundwellenfrequenz von HOHz oder höher übergegangen.

11,5

ίο entspricht. Es wird angenommen, daß die genannte Integrationszeit vom Zeitpunkt /12 an etwas niedriger als 11,5 ms ist. Bei i₎₃ erreicht /3 den Wert »1« und stellt /4 und N 4 auf »0«, wobei die Blockierung von Bi, 12 und N 2 aufgehoben wird. Bei in hat /1 den Wert »1« erreicht und vom Steuergerät wird ein Ausgangsimpuls abgegeben. Nach 6,67 ms hat /2 den Wert »1« erreicht und ein weiterer Ausgangsimpuls (bei Γ15) wird abgegeben.

Das System ist nun also von einer symmetrischen Pulsierung mit der Grundwellenfrequenz von 87 Hz direkt auf gruppenweise Pulsierung übergegangen. Das Zusatzsigiial über R 2 ist nun Null, und die Grundfrequenz geht gleich nach dem Übergang auf ungefähr die Hälfte von 87 Hz, d. h. ca. 43,5 Hz über.

Dadurch, daß man den Übergang von gruppenweiser auf symmetrische Pulsierung mit einem Frequenzsprung von 55 Hz auf 110 Hz vollzieht während man den Übergang von symmetrischer auf gruppenweise Pulsierung mit einem Frequenzsprung von 87 Hz auf 43,5 Hz vollzieht hat das System eine gewisse Hysterese, wodurch man ausgeprägte Übergänge erhält und Schwingungen vermieden werden.

Da die Anzahl Impulse pro Zeiteinheit unmittelbar nach einem Übergang genauso groß ist wie unmittelbar

davor, bewirken die Übergänge zwischen symmetrischer und gruppenweiser Pulsierung keine Änderung der Gleichspannung, die dem Verbrecher zugeführt wird.
Wenn die Impulsfrequenz entsprechend den oben beschriebenen Verläufen sukzessiv von einem niedrigen Wert bis auf ihren Maximalwert (500 Hz in den oben beschriebenen Beispielen) erhöht wird, kann die Impulsbreite t_p zweckmäßigerweise ständig auf ihren Minimalwert gehalten werden. Wenn die Maximalfrequenz erreicht ist kann man in bekannter Weise eine weitere Steigerung der Belastungsspannung durch eine Erhöhung der Impulsbreite vornehmen.

In dem obigen Beispiel steuert das Steuergerät einen einzigen Gleichspannungssteller. In beispielsweise einem Fahrzeug können jedoch mehrere Steller vorhanden sein. Diese können auf eine gemeinsame Last (z. B. die parallelgeschalteten Motoren des Fahrzeugs) Parallelarbeiten, oder jeder Umrichter kann seinen eigenen Verbraucher (z.B. jeder seinen Motor oder seine Motorengruppe) speisen. Das Steuergerät soll dann zweckmäßigerweise sämtliche Steller im Fahrzeug steuern. Dabei wird ein Verteilerglied verwendet welches die impulse vom Steuergerät an die Steller in solcher Weise zyklisch verteilt daß der erste Impuls vom Steuergerät einem ersten Steller zugeführt wird, der nächste Impuls einem zweiten Steller usw., bis jedem Steller ein Impuls zugeführt ist wonach der Umlauf von Neuem beginnt Der insgesamt vom Fahrzeug der Quelle entnommene Strom besteht dann aus Impulsen

f>5 n-iit den ganz unten in F i g. 4 gezeigten Intervallen.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht kann bei einer Anordnung gemäß der Erfindung die Frequenz der Grundwelle niemals in einem breiten Band zu

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beiden Seiten der Frequenz liegen, bei der die Empfindlichkeit gegenüber Störungen maximal ist. Verglichen mit dem bekannten Gleichspannungssteller ist der störende Einfluß daher stark reduziert. Da die Frequenzen der störenden Wellen weit entfernt von der Frequenz liegen, bei der die Empfindlichkeit am größten ist. werden sich die störenden Wellen verschiedener Fahrzeuge außerdem mit ihren Effeküvwerten und nicht mit ihren Amplituden addieren. Dadurch wird eirv-rseits die resultierende Störamplitude niedriger und andererseits werden die niederfrequenten Schwingun-

gen vermieden, die bei dem bekannten System ab Modulation der Trägerfrequenz aufgefaßt werde: konnten. Im absolut ungünstigsten Fall kann die Störamplitude so groß werden, daß das Coden dei Trägerfrequenz maskiert wird. Da Signalsysteme dei hier in Betracht kommenden Art aus Gründen dei Sicherheit so ausgeführt sind, daß sie ein Hallesigna oder ein Signal für niedrigere Geschwindigkeit geben wenn die gecodete Information verschwindet, bedeute¹ dies jedoch keinen größeren Nachteil und stellt absolu keine Gefährdung der Sicherheit dar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

25 OO Patentansprüche:

1. Gleichspannungssteller zur Speisung eines Verbrauchers aus einer Gleichspannungsquelle mit Gleichspannungsimpulsen variierbarer Frequenz, mit einer die Impulse erzeugenden Schalteinrichtung zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Verbraucher, mit einer die Schalteinrichtung steuernden Steuereinrichtung, die zur Vermeidung ι ο einer Wechselstromkomponente mit einer bestimmten Frequenz beim Unterschreiten einer oberhalb dieser Frequenz liegenden Pulsfrequenz selbsttätig von symmetrischer auf gruppenweise Pulsierung und umgekehrt umschaltet, wobei bei gruppenweiser Pulsierung Gruppen aus je zwei Impulsen mit konstantem Zeitabstand zwischen den beiden Impulsen der Gruppe abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (A) derart ausgebildet ist, daß die Umschaltung auf gruppenweise Pulsierung erfolgt,

wenn die Pulsfrequenz einen Wert -=- unterschreitet, wobei 0,5</C<l ist und Ti der konstante Zeitabstand zwischen den beiden Impulsen der Gruppe ist.

2. Gleichspannungssteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (A) derart ausgebildet ist, daß die Umschaltung von symmetrischer auf gruppenweise Pulsierung bei einer niedrigeren Pulsfrequenz erfolgt als die Umschaltung von gruppenweiser auf symmetrische Pulsierung.