DE2500725A1

DE2500725A1 - Schaltung fuer nutzbremsung

Info

Publication number: DE2500725A1
Application number: DE19752500725
Authority: DE
Inventors: Allan Barr Plunkett
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-01-24
Filing date: 1975-01-10
Publication date: 1975-07-31
Also published as: FR2259477A1; JPS5836598B2; FR2259477B1; JPS50108520A; US3890551A; CA1020223A

Description

Schaltung für Nutzbremsung

Bei Antriebssystemen, bei denen ein Motor mit einer Spannungsquelle zum Antrieb eines Fahrzeuges verbunden ist, besteht ein bekanntes Verfahren zur Bremsung der Bewegung des Fahrzeuges in der dynamischen Bremsung, bei welcher der Motor selektiv so geschaltet wird, daß er als ein Generator wirkt, um die kinetische Energie des Fahrzeuges zu verbrauchen. Gewöhnlich sind in der Schaltung Widerstandssätze zur Aufnahme des erzeugten Stroms und zum Verbrauch der Energie in Form von Wärme vorgesehen. Dieses Verfahren wird auch dynamische Bremsung genannt; es besitzt bestimmte Beschränkungen und wird allgemein in Kombination mit anderen ergänzenden Systemen verwendet, beispielsweise mit einer mechanischen Bremse.

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Weiterhin 1st das System einer Nutzbremsung bekannt, bei der die während des BremsVorganges erzeugte Leistung in die Leistungsquelle zurückgegeben wird. Dieses System kann unabhängig oder in Kombination mit einer dynamischen Bremsung verwendet werden. Ein Lösungsweg besteht darin, die Nutzbremsung so lange zu verwenden, wie die dabei erhaltene Bremswirkung ausreichend ist, und dann zur dynamischen Bremsung überzugehen, wenn die Größe der Bremswirkung unter den erwünschten Wert abfällt.

In Leistungswandlereinrichtungen, beispielsweise Invertern, werden die Schalterelemente allgemein durch Kondensatoren kommutiert. Da die Stromkapazität dieser Einrichtungen durch ihre Fähigkeit zur Kommutierung begrenzt ist, bildet die richtige Bemessung der Größe dieser Einrichtungen einen wichtigen Gesichtspunkt für den Entwurf der Anlagen. Insbesondere fließt während der Perioden einer Bremsung der größte Leistungsfluß durch das System.

Die Größe des Systems wird daher durch die Forderungen dieser Betriebsart bestimmt. Beispielsweise kann ein gegebener Inverter groß genug -sein, um alle Stromanforderungen während des Fahrbetriebes zu erfüllen; während der Bremsung bewirkt jedoch der gesteigerte Bedarf für die Kommutierung durch die höheren fließenden Stromstärken, daß das System unzureichend wird,und hierdurch entsteht die unerwünschte Forderung nach einem größeren Inverter mit einhergehenden höheren Kosten.

Es ist daher eine Augabe der Erfindung, ein Inyertersystem zu schaffen, das in der Lage ist, die während des Abbremsbetriebes von einer Maschine erzeugte Leistung zu liefern, wenn diese Bremsleistung größer ist als die Fahrleistung.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steigerung der Bremsleistungskapazität eines Invertersystems zu schaffen ohne die Abmessungen seiner Bauteile zu vergrößern.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Invertersystem mit Möglichkeit zur Steigerung der Größe des Nutzbremsstroms zu schaffen, welcher während des Bremsbetriebes an die Leistungsquelle zurück—geführt wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Antriebssystems mit einer Kommutierung größerer Stromstärken während der Perioden der Bremsung als während der Perioden des Fährbetriebes.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Vorkehrungen . für eine Nutzbremsschaltung zu schaffen, die wirtschaftlich hergestellt werden kann und sehr gut für den Betrieb geeignet ist.

Diese Aufgaben und weitere Gesichtspunkte und Vorteile sind noch ersichtlich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Zusammengefaßt wird gemäß einem Aspekt der Erfindung die Stromübernahmefähigkeit einer Invertereinrichtung während der Perioden der Bremsung zugeordneter Antriebsmotore gesteigert. Dies wird dadurch erreicht, daß die an den Kommutierungskondensatoren der Inverter zugeführte Spannung erhöht wird und daurch die Strorakommutierungsfähigkeit derselben gesteigert wird. Auf diese Weise wird die Größe der Leistung gesteigert, welche erzeugt werden kann ohne hierbei die Abmessungen und Größe der Bauteile der Leistungswandlereinrichtung zu vergrößern.

Ein Verfahren, mit dem die Spannung vergrößert werden kann, besteht in der selektiven Einfügung einer Impedanz in Reihe zwischen dem Inverter und der Leistungsquelle. Die Eingangsspannung wird dann auf einen Wert oberhalb des Spannungswertes der Leistungsquelle erhöht und die Kapazität für die regenerative Stromstärke wird erhöht, um auf diese Weise wirksam die Nennleistung des Systems zu steigern. Während der Perioden des Fährbetriebes wird

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die Impedanz aus der Schaltung herausgenommen und gestattet den freien Zufluß des Stroms zur Invertereinrichtung.

In den nachstehend erläuterten Abbildungen ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt. Es sind jedoch die verschiedenartigsten Abwandlungen und alternativefeauformen möglich, ohne die Konzeption und den Umfang der Erfindung zu verlassen.

Die Figur 1 zeigt einen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Die Figur 2 ist eine Kurvendarstellung der typischen Beschleunigungserfordernisse für verschiedene Geschwindigkeiten eines Fahrzeuges.

Die Figur 3 zeigt die Leistungsanforderung für den Fahrbetrieb und den Bremsbetrieb beim Betrieb eines Fahrzeuges.

Die Figur 4 zeigt die Stromstärke auf der Leitung bei der Nutzbremsung mit und ohne zusätzlichen Widerstand.

Die Figur 5 zeigt die Bremsenergie, wobei der Nutzbremsanteil besonders bezeichnet ist.

Es folgt nachstehend eine Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figur 1. Diese zeigt ein Wechselspannungsantriebssystem, das ein Paar von Dreiphasen-Induktionsmotoren 10 und 11 besitzt, die mit elektrischer Wechselspannungsleistung variabler Frequenz und variabler Spannung von einer Leistungswandlereinrichtung 12 über Fahrtenleiter A, B. C beliefert wird. Die Leistung wird den Eingangsanschlüssen 13 und 14 der Leistungswandlereinrichtung von einer Gleichstromleistungsquelle 16 zugeführt, welche positive bzw. negative Anschlüsse 15 bzw. 20 besitzt. Die Motoren 10 und 11 sind so ausgelegt, daß sie in einem Fahr- oder Antriebsbetrieb während der-

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jenigen Perioden arbeiten, in denen Strom von der Leistungswandlereinrichtung 12 geliefert wird und während des Bremsbetriebes als Generatoren arbeiten, um Leistung an die Gleichstromlelstungsquelle 16 zurückzugeben.

Typischerweise umfaßt die Gleichstromleistungsquelle 16 im Falle von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, beispielsweise Nahverkehrszüge und ähnliche, eine Versorgung mit 600 V Gleichspannung über eine dritte Schiene, wobei diese Spannung zwischen 450 V und 750 V variieren kann und vorübergehende Spitzenamplituden der Spannung von l600 V auftreten können. Die Leistungswandlereinrichtung 12 umfaßt vorzugsweise eine Inverterschaltung zur Umwandlung der elektrischen Gleichstromleiatung von der Gleichstromquelle 16 in eine elektrische Wechselspannungsleistung mit mehreren Phasen, variabler Frequenz und variabler Spannung für die Motoren 10 und 11. Vorzugsweise ist in dem Schaltungskreis zwischen der Versorgungsgleichspannung und dem Inverter ein Tiefpaßfilter 17 vorgesehen, um den Motoren Blindleistung zuzuführen, die Unterdrückung der vom Inverter erzeugten Hochfrequenzströme aus der Leitung zu unterstützen und den Inverter teilweise von vorübergehenden Spannungsänderungen auf der Leitung zu isolieren. In der Abbildung ist ein bestimmtes Filter des L-C-Typs mit einem Induktor 18 in Reihe und einem Kondensator 19 parallel zur Schaltung dargestellt. Ebenso liegt noch ein selbstauslösender Schaltungsunterbrecher 21 in Reihe mit der Schaltung, welcher als Leitungsunterbrecher und als Schutz für den Inverter im Falle eines Ausfalls der Kommutierung an einem Thyristor vor dem Einschalten des entgegengesetzten Thyristors wirkt. Die Korabination des Schaltungsunterbrechers mit dem Filter gemäß der Abbildung begrenzt den Gesamtenergiezufluß zum Inverter auf einen sicheren Wert. Es ist zu beachten, daß das gezeigte Filter die einfachste Bauform darstellt und daß verschiedene andere Konstruktionen und Abwandlungen verwendet werden können, um die Schutzeigenschaften der Schaltung zu erhöhen und das Verhalten des Systems in gewünschter Weise zu verändern.

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Während des Abbremsbetriebes wirken die Motoren 10 und 11 als Generatoren und der. Strom wird durch den Inverter auf die Kraftleitung zurückgegeben. Ein Verfahren zur Verwendung dieser Energie besteht darin, sie durch einen Bremswiderstand 22 zu leiten, wo die Energie als Wärme verbraucht wird, und dieses Verfahren ist allgemein als dynamische Bremsung bekannt. Dies wird dadurch erreicht, daß das Schütz 23 geschlossen und hierdurch der Widerstand 22 im Nebenschluß zur Schaltung eingefügt wird.

Ein weiteres Verfahren zur Verwendung der in die Kraftleitung zurückfließenden Leitung besteht in der Nutzbremsung, bei welcher die Leistung in die Gleichstromleistungsquelle 16 zurückgegeben wird. Während dieses Betriebes kann das Schütz 23 unterbrochen belassen werden und die Leistung fließt von dem Eingangsanschluß 13 durch den Induktor 18 über die Leitung 27, den Schaltungsunterbrecher 21, den Anschluß 15 und in die Gleichstromleistungsquelle 16.

Ein Reihenwiderstand 28 liegt in der Schaltung und eine Diode ist parallel zu dem Widerstand geschaltet. Während der Perioden der dynamischen Bremsung wirkt dieser Reihenwiderstand mit dem Bremswiderstand 22 zusammen zur Aufzehrung der Energie in Form von Wärme. Während der Perioden einer Nutzbremsung bewirkt der Reihenwiderstand 28 eine Erhöhung der Spannung über den Eingangsanschlüssen 13 und 14 und hierdurch wird die Stromkommutierungsfähigkeit der Leistung3wandlereinrlchtung 12 gesteigert, wie dies noch nachstehend im einzelnen erläutert wird. Während der Perioden des Fährbetriebes fließt der Versorgungsstrom durch die Diode 29 und hierdurch wird der Reihenwiderstand 28 praktisch aus der Schaltung herausgenommen. Es ist zu beachten, daß verschiedene andere Schaltungsanordnungen verwendet werden können, um diese Schalterfunktion zu erreichen. Beispielsweise kann die Diode 29 durch einen Thyristor oder Transistor ersetzt und derselbe selektiv gittergesteuert werden, um während des Fahrbetriebes den Aufladestrom für das Filter zu begrenzen und auch noch während des Bremsbetriebes den Reihenwiderstand 28 einzuschalten.

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Der Inverter oder Wandler 12 i3t vorzugsweise ein Typ eines Spannungsinverters mit Sinuswellenform, Impulsbreitenmodulation (PWM) und drei Phasen, wobei die Phasenkreise 31, 32 und 33 den

bzw. a
Phasenleitern A/bzw. C entsprechen und die Gleichstromleistung von den Anschlüssen 13 und 14 über die Zuleitungen 3^» 36, 37 erhalten. Ein Verständnis der Grundprinzipien der Arbeitsweise des Inverters 12 ergibt sich aus der deutsehen Patentschrift P 14 38.446.

Die Inverterphasenkreise 31» 32 und 33 sind in ihrem Aufbau im wesentlichen identisch und umfassen zwei Sätze von in Reihe miteinander verbundenen gittergesteuerten Gleichrichtern 38, 39_s und 42 in Halbleiterbauweise, welche in Reihe mit dem di/dt-Induktor 54 über die Gleichstromeingangsanschlüsse 13 und 14 geschaltet sind. Die gittergesteuerten Gleichrichter sind im wesentlichen PNPN-Halbleitereinrichtungen, bei denen der Stromdurchgang durch die Einrichtung durch Zuführung eines kleinen Gitteroder EinsehaltStroms an einer Gitterelektrode ausgelöst wird, welche einen Teil der Einrichtung bildet. Ein Kommutierungskreis umfaßt einen Induktor 43 und einen Kondensator 44 in Reihenschaltung und ist zwischen dem Verzweigungspunkt 40 der beiden gittergesteuerten Gleichrichter 38 und 39 und dem Verzweigungspunkt 43 der beiden gittergesteuerten Gleichrichter 41 und 42 geschaltet. Ein Paar von Dioden 46 und 47 für die Kommutierung und zur Rückkoppelung des Laststroms oder Verbrauchestroms sind Jeweils mit umgekehrter Polung über die gittergesteuerten Gleichrichter 41 bzw. 42 geschaltet, um die reaktive oder Blindleistung bei induktiven Belastungen an die Gleichstromquelle VS zurückzuführen. Wenn ein Inverter eine induktive Last versorgt, dann muß ein zusätzlicher Stromweg für den Laststrom vorhanden sein, nachdem ein gesteuerter Gleichrichter plötzlich durch den Kommutierungsimpuls gesperrt worden ist. Die Durchlaßpolarität der komplementären gesteuerten Gleichrichter ist nicht ausreichend; ein Rückkopplungsgleichrichter, der unmittelbar oder effektiv umgekehrt gepolt und parallel mit einem solchen komplementären

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gesteuerten Gleichrichter geschaltet ist, ergibt den notwendigen Leitungsweg. Ein ähnlicher Rückkopplungsgleichrichter über dem ersten gesteuerten Gleichrichter wirkt während der anderen HaIbperiode.

Über die entsprechenden gittergesteuerten Gleichrichter 38 und sind Rückstellwiderstände 49 und 51 für die Kommutierung und Dioden 52 und 53 geschaltet. Der Zweck dieser Widerstände und Dioden besteht darin, die Überspannung abzuführen, welche an dem Kommutierungskondensator 44 bei der Kommutierung von Laststrom erscheint.

Im Betrieb besitzt die Phasenschaltung 31 eine Gittersignalquelle zur Lieferung der Gittersignale oder Zündsignale an die Gitterelektroden jedes der entsprechenden gittergesteuerten Gleichrichter 38 bis 42. Wenn die Gittersignalquelle den gittergesteuerten Gleichrichter 41 einschaltet, dann erscheint am Punkt 48 das Potential vom positiven Eingangsanschluß 13 und stellt praktisch die Ausgangsverbraucherspannung dar, welche von dieser Phase des Inverters geliefert wird. Während des Zeitintervalles, in dem der gittergesteuerte Gleichrichter 41 eingeschaltet ist, wird das Potential an den Punkten 48 und 50 praktisch das Potential des positiven Eingangsanschlusses 13 sein, währerid andererseits der Punkt 40 auf dem negativen Potential der Leistungsquelle gehalten wird. Daher wird der Kondensator 44 auf ein Potential entsprechend der Differenz zwischen dem Verzweigungspunkt 40 und dem Punkt 50 aufgeladen. Wenn anschließend der gittergesteuerte Gleichrichter 38 stromdurchlässig gemacht wird_s dann wird das Potential am Verzweigungspunkt 40 auf den Wert des positiven Eingangsanschlusses 13 mit einer Geschwindigkeit gehen, welche durch den di/dt-Induktor 54 und den gittergesteuerten Löschgleichrichter (snubber)(nicht gezeigt) bestimmt wird, und das Potential des Punktes 50 wird über den Wert am positiven Anschluß 13 gemäß der Größe des Potentials über dem Kondensator 44 gehen. Nach diesem Vorgang wird der Kondensator 44 durch einen Strom durch den Induktor 43 und durch die Kommutierungsdiode 46

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und den gittergesteuerten Gleichrichter 38 entladen und wird eine umgekehrte Polarität über dem gittergesteuerten Gleichrichter 41 aufrecht—erhalten dadurch bewirken, daß dieser gittergesteuerte Gleichrichter gesperrt wird. Bei der Entladung durch den Induktor 43 wird um den Induktor herum ein magnetisches Feld aufgebaut, das beim Zusammenbrechen das Aufbauen einer Ladung umgekehrter Polarität über dem Kondensator 44 bewirkt, so daß der Punkt 50 negativ bezüglich des Verzweigungspunktes 40 wird und auf irgendeinen negativen Wert unterhalb Null abfällt. Anschließend wird der nunmehr den Laststrom führende gittergesteuerte Gleichrichter 42 stromdurchlässig gemacht und dies führt zur Verbindung des Punktes 48 mit dem negativen Eingangsansehluß 14. Hierdurch wird sofort das Potential des Punktes 48 von dem vollen positiven Potential des Anschlusses 13 auf das volle negative. Potential am Punkt 14 geschoben. Zu diesem Zeitpunkt wird dann der Kondensator 44 weiter auf den negativen Wert am Anschluß 14 aufgeladen.

Wenn vor der Kommutierung Laststrom durch den gittergesteuerten Gleichrichter 41 fließt, dann wird im Induktor 54 eine Energie

ρ
gleich der Größe 1/2 LI gespeichert. Diese Energie und diejenige Energie, welche im Induktor 43 verbleibt (sie beträgt ebenfalls 1/2 LI ), wird im Augenblick der Kommutierung auf den Kondensator 44 als überspannung übergehen und bewirken, daß der Punkt 40 positiv bezüglich des Punktes 13 1st und dadurch an dem gittergesteuerten Gleichrichter 38 eine Spannung in Sperrichtung aufprägen, um denselben zu sperren. Die überspannung am Kondensator 44 wirddurch die Diode 52 und den Widerstand 49 auf das Potential des Punktes I3 entladen und führt dazu, daß etwa die Hälfte der überschüssigen Energie zurückgewonnen und eine Hälfte im Widerstand 49 aufgezehrt wird. Bei Beendigung der Stromdurchlaßperiode des gittergesteuerten Gleichrichters 42 wird der gittergesteuerte Gleichrichter 39 stromdurchlässig gemacht und es tritt der umgekehrte Vorgang wie oben beschrieben auf.

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Man wird erkennen, daß die Größe der Ladung, welche auf dem Kondensator 44 aufgebaut werden kann, hauptsächlich von dem Spannungspegel abhängt, welcher über den Eingangsanschlüssen 13 und 14 vorhanden ist. Wenn die Eingangsanschlußspannung erhöht wird, dann wird die Fähigkeit des Kondensators 44 zur Stromkommutierung dementsprechend erhöht. Diese erhöhte Stromkapazität ist besonders erwünscht während der Perioden, in denen die Motoren 10 und 11 im Bremsbetrieb oder Generatorbetrieb arbeiten, da dann der von den Motoren erzeugte Strom kommutiert werden muß. Die erreichbare Bremswirkung ist jedoch um so größer, Je höher die Spannung und Stromstärke ist, welche dem Inverter durch die Motoren zugeführt werden kann.

Figur 2 zeigt eine Kurvendarstellung der typischen Betriebskurve für die erforderliche Leistung, ausgedrückt in Beschleunigung über Geschwindigkeit für einen Nahverkehrswagen im Fährbetrieb und im Bremsbetrieb. Die Fahrbetriebskurve besteht aus drei Hauptabschnitten:

(a) einem Abschnitt konstanter Antriebsleistung zur Drehzahl V₁,

(b) einem Abschnitt mit konstanter Leistung in PS von V₁ bis V₂, und

(c) einem Reihenschlußmotorabschnitt von Vp bis zur maximalen Geschwindigkeit oder Drehzahl.

Das Spannungsprofil ist so gewählt, daß die Spannung bis zum Fahrbetriebseckpunkt V₁ linear mit der Drehzahl oder Geschwindigkeit ansteigt; an diesem Punkt ist die maximal erreichbare Spannung erreicht. Dieses Spannungsprofil wird typischerweise so gewählt, um die Inverterstromstärke und damit die räumlichen Abmessungen des Inverters auf ein Minimum zu bringen. Die Form der Drehmoment-Drehzahlkurve beim Fahrbetrieb wird teilweise vorgegeben durch die Kennlinie des Motors und teilweise durch Beschränkungen des Systems für die Leistungsverteilung. Diese Beschränkungen bewirken Begrenzungen für die Konstruktion des Motors. Im wesentlichen wird die Inverterabmessung jedoch nicht durch die Erfordernisse des Fahrbetriebes sondern durch die Er-

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fordernisse der elektrischen Abbremsung bestimmt, wie dies noch nachstehend ausführlicher gezeigt wird.

Die Abbremskurve der Figur 2 besitzt zwei Abschnitte. Der erste Abschnitt ist durch den Buchstaben D bezeichnet und enthält eine konstante Bremsgeschwindigkeit im Geschwindigkeitsbereich von O bis V,. Der zweite Abschnitt E besitzt eine konstante Leistung für Geschwindigkeiten oberhalb V_. Das gezeigte Wechselspannungsprofil für die Bremsung steigt linear mit der Geschwindigkeit bis zur Geschwindigkeit V₁^ an. Bei dieser Geschwindigkeit geht dann der Inverter in den Rechteckwellenbetrieb über und die Spannung steigt mit der Quadratwurzel der Geschwindigkeit (dynamische Abbremsung) auf den maximal zulässigen Wert an. Die Stromstärke steigt ebenfalls mit der Quadratwurzel der Geschwindigkeit von V₁I bis V^. an; dies ist zulässig, da sich die Stromkommutierungskapazität des Inverters mit der Spannung erhöht.

Die Figur 3 zeigt die Erfordernisse anhand einer Kurve Leistung über Geschwindigkeit, welche den Profilformen nach Figur 2 angemessen sind. Aus einem Vergleich der Leistungswerte ist deutlich ersichtlich, daß für die Bemessung des Inverters die Erfordernisse für die Abbremsung den entscheidenden Faktor darstellen. Da der gezeigte und beschriebene Inverter ein Inverter der Bauform mit Impulskommutierung ist, wird der zulässige Wechselstrom durch die eingangsseitige Anschlußgleichspannung an den Anschlüssen 13 und 14 bestimmt. Dies gilt wegen des charakteristischen Verhaltens des sogenannten "McMurray-Inverters", welcher gesteigerte Stromkommutierungsfähigkeiten mit Erhöhung seiner Eingangsspannung besitzt.

Ein Verfahren, nach dem die Invertergleichspannung zu den Eingangsanschlüssen 13 und 14 ohne einhergehende Steigerung der Spannung an der Gleichspannungsleistungsquelle erhöht werden kann, besteht in der Einfügung des Widerstandes 28 in Reihe mit der Kraftleitungsseite des Filters, wie dies vorstehend beschrieben

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wurde. Dieser Widerstand wird einen Teil der Leistung während der dynamischen Abbremsung absorbieren, wenn das Schütz 23 geschlossen ist. Noch wichtiger ist, daß während der Perioden der Nutzbremsung wenn das Schaltschütz 21 geschlossen ist, der Widerstand einen Teil der Leistung absorbieren wird und gestattet, daß der Spannungswert über den Anschlüssen 12 und 14 über den maximal zulässigen Wert der Spannung an der Gleichspannungsleistungsquelle ansteigt. Dies wird wiederum die Stromkommutierungskapazität des Inverters erhöhen und gestattet höhere Spannungen und Ströme am Motor und damit eine Steigerung der Bremsfähigkeit des Systems. Auf diese Weise wird beim Bremsen ein höherer Leistungspegel als beim Fährbetrieb erzielt und es besteht daher eine Tendenz zur Erfüllung der Erfordernisse nach Figur 3.

Es ist zu beachten, daß der Schaltungsunterbrecher 21 zum gleichen Zeitpunkt wie das Schütz 23 geschlossen werden kann, um hierdurch eine Mischung von regenerativer und dynamischer Abbremsung zu erhalten. Da die regenerative Abbremsung eine teilweise Wiedergewinnung des Trägheitsmomentes des Fahrzeuges dadurch gestattet, daß Gleichstrom zurück auf die Kraftleitung geliefert wird, ist sie wirtschaftlicher und wird gegenüber der dynamischen Abbremsung bevorzugt. Es gibt jedoch gewisse Zeiten, zu denen sie nicht verwendet werden kann, beispielsweise wenn die Spannung in der Leitung den maximalen Grenzwert erreicht und diese dann nicht mehr länger empfangsbereit für Nutzbremsströme ist. Weiterhin sind die typischerweise verwendeten Zwischenstäionen nicht aufnahmefähig für regenerierten Strom und daher müssen andere Züge die gesamte Belastung für diesen regenerativen Betrieb liefern. Es kann daher vorkommen, daß keine ausreichende Last zur Absorption der gesamten regenerativen Leistung vorhanden ist. Wenn dies nicht der Fall ist, dann sollte eine Möglichkeit'zur dynamischen Abbremsung vorgesehen sein.

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Die bevorzugten Abmessungen dieser Widerstände 22 und 29 können leicht dadurch ermittelt werden, daß die Leistung auf der Gleicnstromseite des Inverters mit der Leistung gleichgesetzt wird,
welche notwendigerweise an der Schiene erzeugt wird. Der Widerstand 28 wird so bemessen, daß er in dem Nutzbremsbetrieb einen Anstieg der Kraftleitungsspannung auf den maximal zulässigen Wert gestattet (gewöhnlich etwa 700 bis 750 Volt für ein System mit
einer Nennspannung von 600 Volt). Die zwangsläufig an der Schiene entstehende Leistung ist:

P_R = 1,99 WA₃V₅, wobei W = das Wagengewicht (in Tonnen),
A₅ = Beschleunigung bei V, (Meilen pro Stunde/sec) und
V₅ = maximale Geschwindigkeit für volle Bremsleistung (Meilen
pro Stunde) (mph) ist.

Wenn die maximale Bremsleistung nicht bei V₅ auftritt, dann
müssen die Beschleunigung und Geschwindigkeit für den Punkt mit maximaler Bremsleistung für die Werte A, und V, eingesetzt werden. Die an den Inverteranschlüssen anstehende elektrische Leistung wird geringer sein als die Leistungen an der Schiene, entsprechend dem Verlust im Getriebe, mechanischen und elektrischen Verlusten im Motor und Inverterverlusten. Ein System besitzt
typischerweise einen Wirkungsgrad von etwa 85 %.

Die elektrische Leistung für die Abbremsung kann wie folgt ausgelegt werden:

.f^EDCM ²)

Dabei bedeutet

P_E =rPCM "J (Watt)

R₁ +

^EDCM ^{= maxima}l^e Inverterspannung.

Die maximale Inverterspannung für die regenerative Abbremsung
beträgt . ■

^EDCM ⁼ V ¹DC ^{+ E}L

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und die elektrische Leistung ist

2
^PE ^{= 1}DC ^Rl ^{+ 1}DC^L

wobei E_DCM die erwartete Gleiehstromleltungsspannung während des Abbremsens ist, typischerweise etwa 700 Volt Gleichspannung, und I_QC = der Abbremsstrom.

Die Auflösung dieser Gleichungen ergibt gleichzeitig die elektrische Leistung für die Nutzbremsung mit:

P^ = ^EDCM ·V ^EDCM

• V

^Rl
Die elektrische Leistung beträgt etwa

P_E = (Wirkungsgrad)-P_Ri=^ 0,85 · P_R und daher gilt

= ^edcmV^edcm

V^e

169:WA V

^ELM

I69

Unter Verwendung dieser Gleichung kann die Größe der regenerativen Stromstärke für gegebene Abmessungen des Inverters und des Motors errechnet werden. Die Figur k zeigt die regenerative Stromstärke für einen Inverter, der lediglich für die maximalen Fahrerfordernisse bei dem Nennwert der Leitungsspannung ausgelegt ist; die Kurven 1 bzw. 2 zeigen die Verhältnisse mit bzw. ohne Reihenbremswiderstand.

Die Auswirkung des Reihenwider3tandes ist deutlich ersichtlich in^sder gesteigerten regenerativen Stromstärke oberhalb etwa

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etwa 48 km/h (30 mph). Ein Inverter mit dem zweieinhalbfachen Wert der Stromkapazität (und damit der Abmessungen) wäre in der Lage, die gesamte Bremsleistung gemäß der Darstellung in Kurve regenerativ zu erzeugen.

Die Figur 5 zeigt einen Vergleich der Energierückgewinnung der verschiedenen Systeme. Das System (3) (2,4fach-Inverter) kann die gesamte Bremsenergie regenerativ erzeugen. Das System (2), das System mit dem zugefügten Widerstand, kann etwa 65 % der Bremsenergie zurückgewinnen und verbraucht etwa 35 % in dem zusätzlichen Widerstand. Die gesamte Bremsung wird jedoch elektrisch ausgeführt* Das System (1) ohne Widerstand kann etwa k2 % der Bremsenergie rückgewinnen, muß Jedoch die übrige Energie unter Verwendung von Reibungsbremsen aufzehren.

Das Endergebnis ist, daß das System (2) durch Hinzufügung des zusätzlichen Widerstandes die gesamte elektrische Bremsung und mehr rückgewonnene Nutzleistung als das System (1) erzielen kann und den Vorteil der Steigerung der Kommutierungsfähigkeit des Inverters mit entsprechendem Anstieg der Spannung zu einer Steigerung der Lastwechselstromstärke und damit des Gleichstromleitungsstroms ausnutzen kann.

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Claims

- 16 Patentansprüche

ι 1.JNutzbremsschaltung für ein Leistungswandlersystem, welche ^—Süber eine Gleichstromleistungsquelle geschaltet und Leistungen an einen Motor liefert, wobei das System Kommutierungseinrichtungen zur Kommutierung des Stroms zwischen seinen Eingangsund Ausgangsanschlüssen besitzt und die Kommutierungseinrichtung eine gesteigerte Kommutierungsfähigkeit mit gesteigerter Spannung über den Eingangsanschlüssen besitzt, dadurch gekennzeichnet , daß sie Einrichtungen zur Erhöhung der Spannung über den Eingangsanschlüssen des Wandlersystems über denjenigen Wert aufweist, der während der Perioden der Stromerzeugung durch den Motor an der Leistungsquelle vorhanden ist und hierdurch während des Generatorbetriebes höhere Leistungen als während des Fahrbetriebes durch die Kommutierungseinrichtung kommutierbar sind.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Erhöhung der Spannung eine Impedanz (28) umfaßt, die selektiv in Reihe zwischen die Leistungsquelle (16) und die Eingangsanschlüsse (13, I¹O einschaltbar ist.
3· Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Steigerung der Spannung weiterhin eine Diode (29) enthält, welche über die Impedanz (28) zur Leitung des Stroms während der Perioden des Fährbetriebes geschaltet ist.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Leistungswandlersystem ein Inverter (12) zur Umwandlung eines Gleichstroms an den Eingangsanschlüssen auf.Wechselstrom an den Ausgangsanschlüssen ist und weiterhin der Motor ein Wechselstrominduktionsmotor ist.

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5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Inverter (12) ein durch Impuls kommutierter Inverter ist.
6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kommutierungseinrichtung einen Kondensator (44) enthält, der selektiv im Nebenschluß zu mindestens einem gesteuerten Gleichrichter (38, 39, 41, 42) des Inverters (12) zuschaltbar 1st.
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Kommutierungseinrichtung weiterhin zur Bildung eines Schwingkreises eine in Reihe mit dem Kondensator (44) geschaltete Induktivität (43) besitzt.· .
8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß während der Perioden der Stromerzeugung ein Teil der erzeugten Leistung zu der Gleichst romle ist ungs que He (16) zurückführbar ist.

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