DE2506800C2

DE2506800C2 -

Info

Publication number: DE2506800C2
Application number: DE2506800A
Authority: DE
Inventors: Allan Barr Lawrence Park Pa. Us Plunkett
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-02-25
Filing date: 1975-02-18
Publication date: 1989-01-26
Also published as: JPS50124117A; DE2506800A1; FR2262440A1; FR2262440B1; JPS5827756B2; US3899725A; CA1026819A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Anordnung ist bekannt durch die DE-OS 22 25 609.

Elektrische Antriebsfahrzeuge, beispielsweise für den Nahverkehr, müssen in der Regel mit maximaler Beschleunigung anfahren, dann im Fahrbetrieb über eine kurze Strecke mit konstanter Leistung fahren, wobei das Drehmoment umgekehrt proportional zur Drehzahl oder Geschwindigkeit ist, und dann mit maximaler Verzögerung abbremsen. Bei der Beschleunigung und beim Abbremsen wird vorzugsweise ein hohes Drehmoment ausgeübt. Das typische Betriebsverhalten eines derartigen Fahrzeugs, das aus dem Stillstand auf eine maximale zulässige Geschwindigkeit gebracht und wieder abgebremst wird, weist daher ein maximales konstantes Drehmoment bis zu einer ersten Geschwindigkeit, die Zuführung einer konstanten Leistung bis zu einer zweiten Geschwindigkeit und dann das Verhalten eines Reihenschlußmotors auf, bei dem die Leistung im umgekehrten Verhältnis zur Drehzahl bzw. Geschwindigkeit abfällt.

Bei Verwendung eines Stromrichters in der Antriebsordnung können diese drei Betriebsarten dadurch erreicht werden, daß während der Betriebsart 1 die Spannung verändert wird, während der Betriebsart 2 der Motorschlupf verändert wird und während der Betriebsart 3 diese Größen konstant gehalten werden.

Während der Betriebsart 1 kann das Drehmoment auf einem hohen konstanten Wert durch Änderung der Motorspannung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl geregelt werden.

Das Abbremsen wird überwiegend elektrisch bewirkt, und zwar entweder durch Widerstands- oder Nutzbremsung. Ferner ist erwünscht, die maximale Bremskraft bei den höheren Geschwindigkeiten auszuüben. Um dies zu erreichen, müssen größere Drehmomente bei höheren Drehzahlen erzeugt werden, d. h. daß die Betriebsart mit konstantem Drehmoment weiter ausgedehnt wird, um höhere Geschwindigkeiten als in den Fahrbetriebsarten aufzunehmen. Dies wird teilweise erreicht durch Ausdehnung des Bereiches der Impulsbreitenmodulation auf höhere Drehzahlen, wie sie sich aus einer erhöhten Gleichspannung am Stromrichter ergibt, wie es in der DE-OS 25 00 725 beschrieben ist. Diese Ausdehnung reicht jedoch noch nicht aus, um die erforderliche Bremsfähigkeit zu erreichen.

Weitere Schwierigkeiten bei der elektrischen Bremsung treten bei einem Übergang von Widerstandsbremsung auf Nutzbremsung, und umgekehrt, sowie bei Änderungen der Motorspannung auf. Bei einem Übergang von Widerstands- auf Nutzbremsung, und umgekehrt, ändert sich die Spannung am Stromrichter und damit auch das Drehmoment. Das Umschalten zwischen Nutzbremsung und Widerstandsbremsung ist besonders bei abnehmender Drehzahl kritisch, da sich die Stromrichterspannung bei der Drehzahl Null etwa der Motorspannung bei Nutzbremsung, bei Widerstandsbremsung jedoch bei der Drehzahl Null dem Wert null Volt annähert. In ähnlicher Weise bewirkt eine Schwankung der Motorspannung eine Änderung des Drehmoments, das dann höher oder niedriger als das gewünschte konstante Drehmoment liegen kann.

Bei der gattungsgemäßen bekannten Antriebsanordnung nach der DE-OS 22 25 609 kann der Motor im Generatorbetrieb arbeiten, so daß er gebremst wird. Hierbei verringert sich jedoch das Drehmoment des Motors.

Aus der US-PS 37 74 095 ist es bekannt, das Drehmoment des Motors in Abhängigkeit von der Motorstromstärke zu regeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsanordnung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der die maximale Bremskraft bei höheren Drehzahlen erzielt wird, in dem ein Betrieb mit konstantem Drehmoment bis über denjenigen Drehzahlbereich hinaus ausgedehnt wird, über den die Pulsbreitenmodulation durchführbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekenn zeichnet.

Bei dieser Lösung wird der Drehzahlbereich, in dem mit konstantem Drehmoment gearbeitet wird, bis über eine Drehzahl hinaus ausgedehnt, bis zu der die Impulsbreitenmodulation zur Steuerung der Betriebsspannung des Motors wirksam anwendbar ist. Dies wird dadurch erreicht, daß das Motorstrom-Sollwertsignal, und damit der Motorstrom, in einem Maße korrigiert wird, welches der Drehzahl des Motors (bzw. der Geschwindigkeit des von diesem angetriebenen Fahrzeugs) direkt und der Stromrichter-Gleichspannung bzw. der von dieser abhängigen Betriebswechselspannung des Motors umgekehrt proportional ist, wobei die Korrektur während derjenigen Betriebszeiten bewirkt wird, in denen die Drehzahl oberhalb derjenigen Drehzahl liegt, bis zu der eine Pulsbreitenmodulation möglich ist. Die Wähleinrichtung wählt dann aus dem korrigierten und unkorrigierten Motorstrom-Sollwertsignal das jeweils größere aus, so daß das Motorstrom-Sollwertsignal im Pulsbreiten modulationsbetrieb unbeeinflußt bleibt und bei über diesem Betriebsbereich liegender Drehzahl selbsttätig korrigiert wird. Hierbei ergibt sich bei höheren Drehzahlen ein größeres Drehmoment, d. h. ein höheres Bremsdrehmoment, so daß eine rasche Abbremsung bewirkt wird.

Während des Rechteckwellenbetriebs kann die Motorspannung nicht mehr proportional zur Geschwindigkeit oder Drehzahl verändert werden. Daher wird stattdessen die Motorstromstärke modifiziert, um das erwünschte Verhalten mit konstantem Drehmoment zu erhalten. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil, der darin liegt, daß Änderungen der Gleichspannung am Stromrichter, die durch Änderungen der Motorspannung und durch den Wechsel zwischen Widerstands- und Nutzbremsung verursacht werden, durch zugeordnete Änderungen der Motorstromstärke kompensiert werden.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eins bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,

Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufes des Drehmoments in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit während des Fahrbetriebs und des Bremsbetriebs eines Fahrzeugs,

Fig. 3 den Verlauf der Motorspannung, Motorstromstärke und Schlupffrequenz im gesamten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs,

Fig. 4 den Verlauf der Motorspannung, der Stromrichter-Gleichspannung, der Motorstromstärke und der Schlupffrequenz in Abhängigkeit von der Fahrzeug-Geschwindigkeit bei einer Widerstandsbremsung,

Fig. 5 den Verlauf der gleichen Größen wie die nach Fig. 4 bei einer Nutzbremsung,

Fig. 6 ein Schaltbild eines in der Antriebsanordnung vorgesehenen Komparators und

Fig. 7 den typischen Verlauf des nicht korrigierten Drehmoment-Sollwertsignals M _S und des korrigierten Drehmoment- Sollwertsignals M _S in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bei Widerstandsbremsung.

Durch die Antriebsanordnung nach Fig. 1 wird ein Induktionsmotor 11, der ein nicht dargestelltes Fahrzeug antreibt, während des Fahrbetriebs über einen Dreiphasen-Stromrichter 12 aus einer Gleichspannungsquelle 13 und über ein Tiefpaßfilter 14 mit Wechselstrom versorgt, wobei der Stromrichter 12 als Wechselrichter betrieben wird. Während einer elektrischen Abbremsung des Induktionsmotors 11 wirkt dieser als Generator und der Stromrichter 12 als Gleichrichter, so daß der durch den Induktionsmotor 11 erzeugte Wechselstrom durch den Stromrichter 12 gleichgerichtet und wieder in die Gleichspannungsquelle 13 zurückgeführt wird.

Bei der Gleichspannungsquelle 13 kann es sich in üblicher Weise um eine dritte Schiene handeln, die aus Teilstationen gespeist wird, die eine im wesentlichen konstante Gleichspannung mit kurzzeitigen Spannungsänderungen liefern. Das Tiefpaßfilter 14 verhindert Störungen von Signalübertragungssystemen und stellt sicher, daß der Induktionsmotor mit der erforderlichen Blindleistung versorgt wird. Die elektrische Abbremsung erfolgt als Widerstands- und/oder Nutzbremsung. Bei der Widerstandsbremsung ist ein ohmscher Widerstand 16 durch ein Schütz 17 in einem Parallelzweig zur Gleichspannungsquelle 13 eingeschaltet, so daß der während der Bremsung durch den Induktionsmotor 11 erzeugte Strom verbraucht wird, während das Schütz 17 bei einer Nutzbremsung geöffnet ist, so daß der während der Bremsung durch den Induktionsmotor 11 erzeugte Strom über einen zwischen Gleichspannungsquelle 13 und Tiefpaßfilter 14 liegenden Widerstand 18 in die Gleichspannungsquelle 13 zurückgeleitet wird.

Bei der Gleichspannungsquelle 13 kann es sich auch um einen aus einem Wechselstromnetz gespeisten Gleichrichter handeln.

Der Stromrichter 12 enthält steuerbare Halbleiterbauteile, die so gesteuert werden, daß der Induktionsmotor 11 mit einer dreiphasigen Wechselspannung veränderbarer Frequenz und Amplitude betrieben wird, um ihn mit veränderbarer Drehzahl zu betreiben. Die Amplitude und Frequenz der Motorspannung werden gleichzeitig so geregelt, daß sich das gewünschte Drehmoment des Induktionsmotors 11 ergibt und Änderungen der Motorspannung, der Belastung und Spannungsabfälle in den Zuleitungen, im Stromrichter und im Tiefpaßfilter kompensiert werden. Die entsprechende Steuerung des Stromrichters 12 zur Erzeugung der gewünschten Frequenz und Spannung erfolgt mittels eines Funktionsgenerators 19. Dieser erhält Eingangssignale für die gewünschte Statorfrequenz f _St aus einer Frequenzsteuerschaltung 21 und für die gewünschte Spannung U aus einer Spannungs steuerschaltung 22.

Der Frequenzsteuerschaltung 21 und der Spannungssteuerschaltung 22 wird ein Motorstrom-Sollwertsignal I _S in Form einer Gleichspannung zugeführt, die den Sollwert des Motorstroms und damit den Sollwert des Motordrehmoments darstellt. Es wird dadurch erzeugt, daß ein Drehmoment-Sollwertsignal 23 in einer nachstehend noch im einzelnen beschriebenen Weise modifiziert wird. Das Motorstrom-Sollwertsignal I _S ist für den Fahrbetrieb positiv und für den Bremsbetrieb negativ.

Der Frequenzsteuerschaltung 21 wird ferner ein Motorstrom- Istwertsignal I _M in Form einer Gleichspannung und ein Istwertsignal n für die Drehzahl des Motors über ein Tachometer 24 zugeführt.

Das Motorstrom-Sollwertsignal I _S und das Motorstrom-Sollwertsignal I _M werden durch einen Summierer 26 in der Frequenzsteuerschaltung 21 verglichen. Eine Regelabweichung wird dann über eine Leitung 27 einem Integrator 28 zugeführt. Der Integrator 28 enthält einen Eingangswiderstand 29, einen Rechenverstärker 31 und einen Rückführkreis mit einem ohmschen Widerstand 32 und einem Kondensator 33 in Reihenschaltung und stellt die Schlupffrequenz auf einen solchen Wert nach, daß sich der gewünschte Motorstrom und damit das gewünschte Drehmoment ergibt. Die gewünschte Schlupffrequenz f _S wird einer Leitung 34 im Fahrbetrieb als positives Signal und im Bremsbetrieb als negatives Signal zugeführt. Der komplexe Frequenzgang des Integrators 28 hat die Form (S + W)/S, in der S die komplexe Kreisfrequenz und W eine Konstante ist. Dies entspricht dem Übertragungsverhalten eines PI-Gliedes. Die Polstelle bei S = 0 (der I-Anteil) ergibt im stationären Zustand die Regelabweichung null und die Nullstelle von (S + W), d. h. der proportionale Anteil, eine größere An sprechgeschwindigkeit des Regelkreises bei gegebenem Dämpfungsgrad.

Die Frequenz der Betriebsspannung des Induktionsmotors 11 und damit die Statorfrequenz f _St wird durch einen Summierer 36 bestimmt. Bei diesem Summierer handelt es sich vorzugsweise um einen digitalen Addierer, der das Schlupf frequenz-Sollwertsignal f _S mit dem Sollwertsignal n _S für die Motordrehzahl vergleicht, das dem Summierer 36 über eine Leitung 37 zugeführt wird. Das Sollwertsignal f _St für die Statorfrequenz ergibt sich durch Addition von n und f _S für den Fahrbetrieb und durch Subtraktion von n und f _S für den Bremsbetrieb. Zur Erzielung einer hohen Genauigkeit wird die Addition bzw. Subtraktion digital ausgeführt. Das Statorfrequenz-Sollwertsignal f _St wird dann über eine Leitung 38 dem Funktions generator 19 zugeführt, dessen Ausgangssignal dem Stromrichter 12 über eine Leitung 39 als Steuersignal zugeführt wird.

Die Spannungssteuerschaltung 22 erzeugt ein Spannungssteuersignal U für den Funktionsgenerator 19 zur Steuerung der Motorspannung. Die Motorspannung wird bei geringer Drehzahl bzw. Geschwindigkeit durch Impulsbreitenmodulation in Abhängigkeit vom Spannungssteuersignal U der Spannungssteuerschaltung 22 gesteuert. Die gewünschten Verhältnisse werden dadurch aufrechterhalten, daß die Motorspannung proportional zur Statorfrequenz f _St so verändert wird, daß ein konstanter Fluß beibehalten wird. Dabei werden Widerstandsverluste kompensiert.

Die Spannungssteuerschaltung 22 enthält einen Summierer 41, dem das Motorstrom-Sollwertsignal I _S über eine Leitung 42 und das Schlupffrequenz-Sollwertsignal f _S über eine Leitung 43 zugeführt werden. Das Motorstrom-Sollwertsignal I _S auf der Leitung 42 wird durch einen die Verstärkung bestimmenden Widerstand 44 auf der Eingangsseite des Summierers 41 proportional geändert, um die gewünschte lineare Beziehung zwischen f _S und I _S zu erhalten. Der Summierer 41 vergleicht seine Eingangssignale, und das Differenzsignal wird über eine Leitung 46 einem Integrator 47 zugeführt. Dieser enthält einen Eingangswiderstand 48, einen Rechenverstärker 49 und einen Rückführkreis mit einem Kondensator 57. Der Frequenzgang des Integrators 47 hat die Form K/S, in der K ein konstanter Übertragungsbeiwert und S wieder die komplexe Kreisfrequenz sind. Das Ausgangssignal des Integrators 47 stellt ein Flußsignal dar, das über eine Leitung 52 einem Multiplizierer 53 zugeführt und dort mit dem Statorfrequenz-Sollwertsignal f _St multipliziert wird, um das Motorspannungs-Steuersignal U zu bilden, das dem Funktionsgenerator 19 zugeführt wird. Der Multiplizierer 53 ermöglicht die Einhaltung einer konstanten Kreisverstärkung bei Änderung der Drehzahl.

Dieses Bauteil ist für den Betrieb des Spannungsregelkreises nicht unbedingt erforderlich, verbessert jedoch das Betriebsverhalten erheblich.

Ein Teiler 54 ist in den Regelkreis für die Motorspannung einbezogen, um Änderungen der Betriebsgleichspannung während des Betriebs mit Impulsbreitenmodulation sofort zu kompensieren. Die dem Motor zugeführte Wechselspannung entspricht dem Quotienten aus Spannungssteuersignal U und Betriebsgleichspannung. Daher dividiert der Teiler 54 das Spannungssteuersignal U durch die Betriebsgleichspannung (die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 13), um die Wechselspannung am Motor konstant zu halten. Der Teiler 54 kann entweder vor oder hinter dem Multiplizierer 53 angeordnet sein.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Anforderungen an das Drehmoment zusammen mit der zugehörigen Motorspannung, dem Motorstrom und der Schlupffrequenz für den Fahrbetrieb. Hierbei wird in der Betriebsart 1, in einem Geschwindigkeitsbereich von 0 bis 40 km/h (0 bis 25 Meilen pro Stunde), ein konstantes Drehmoment dadurch aufrechterhalten, daß die Motorspannung mittels der Spannungssteuerschaltung 22 direkt proportional zur Geschwindigkeit modifiziert wird. In einem zweiten Geschwindigkeitsbereich des Fahrbetriebs, in der Betriebsart 2 zwischen etwa 40 und 80 km/h (25 bis 50 Meilen pro Stunde), befindet sich der Spannungsregelkreis im Sättigungszustand, und die Wechselspannung am Motor hat den Maximalwert entsprechend der Betriebsgleichspannung erreicht und wird danach praktisch konstant gehalten (siehe Fig. 3). Da es erwünscht ist, in diesem Bereich die mechanische Leistung konstant zu halten, wird das Schlupffrequenz-Sollwertsignal f _S so modifiziert, daß der Motorstrom konstant bleibt und sich eine Kennlinie mit konstanter mechanischer Leistung ergibt. In diesem Betriebsbereich ist f _St proportional zur Geschwindigkeit und das Drehmoment umgekehrt proportional hierzu. In einem dritten Betriebsbereich, in der Betriebsart 3 zwischen etwa 80 und 130 km/h (50 bis 80 Meilen pro Stunde), hat dann die Schlupffrequenz f _St einen Punkt in der Nähe der Kippdrehzahl des Motors erreicht und wird danach konstant gehalten. Der Motorstrom verringert sich dann umgekehrt mit der Drehzahl und das Drehmoment umgekehrt zum Quadrat der Drehzahl.

Nach Fig. 2 sind die Anforderungen an das Drehmoment im Bremsbetrieb größer als im Fahrbetrieb. Zum einen ist das Drehmoment größer und zum anderen auch der Bereich für den Betrieb mit konstantem Drehmoment beträchtlich erweitert, d. h. 80 km/h im Gegensatz zu 40 km/h (d. h. 50 Meilen pro Stunde gegenüber 25 Meilen pro Stunde). Da die Kommutierungsfähigkeit eines Stromrichters im Bremsbetrieb größer als im Fahrbetrieb ist, ist im Bremsbetrieb der Bereich erweitert, in dem die Spannung modifiziert werden kann, wie es aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist. Trotzdem kann der Bereich nicht bis auf den erforderlichen Eckpunkt von 80 km/h (50 Meilen pro Stunde) ausgedehnt werden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Ausdehnung der Kennlinie mit konstantem Drehmoment auf etwa 57 km/h (etwa 36 Meilen pro Stunde) bei Widerstandsbremsung (Fig. 4) wird dadurch bewirkt, daß sich wegen des Bremswiderstandes 16 die Gleichspannung auf der Eingangsseite des Stromrichters erhöht und damit die Ausdehnung des Bereiches, in dem mit Impulsbreitenmodulation gearbeitet werden kann, bis zu dieser Geschwindigkeit gestattet. Nach Fig. 4 bleiben in diesem Bereich der Motorstrom und die Schlupffrequenz konstant und die lineare Beziehung zwischen Phasenspannung und Geschwindigkeit erhalten, so daß sich ein konstantes Drehmoment ergibt. In ähnlicher Weise wird bei der Nutzbremsung (Fig. 5) der Bereich der Impulsbreitenmodulation auf etwa 63 km/h (40 Meilen pro Stunde) ausgedehnt, so daß die Motorphasenspannung bis zu dieser Geschwindigkeit gesteuert werden kann, um ein Betriebsver halten mit konstantem Drehmoment zu erreichen. Der größere Bereich für die Betriebsart Nutzbremsung wird durch den Reihenwiderstand 18 ermöglicht, der die Gleichspannung des Stromrichters anhebt.

Die Impulsbreitenmodulation und damit die direkte Steuerung der Motorspannung geht jedoch in den beiden Betriebsarten Widerstands- und Nutzbremsung verloren, so daß eine andere Variable vorgesehen werden muß, um die Ausdehnung des Betriebsverhaltens mit konstantem Drehmoment auf 80 km/h (50 Meilen pro Stunde) zu ermöglichen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das Motorstrom-Sollwertsignal I _S vergrößert wird, um den Verlust, ausgedrückt in Volt/Hz, zu kompensieren, wie dies noch nachstehend im einzelnen erläutert wird.

Bekanntlich kann die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie eines Induktionsmotors im normalen Betriebsbereich durch eine Gerade angenähert werden. Für alle Betriebsarten gelten nachstehende Näherungsgleichungen:

und

Darin bedeuten:

M
= Drehmoment M _S
i _M	= Motorstrom I _S
K _T	= Konstante
K _I	= Konstante
U₁	= Motorphasenspannung der Grundfrequenz
f _e	= Statorfrequenz f _St
f _se	= Schlupffrequenz f _S

Durch Substitution erhält man:

Wie aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, ist während des Rechteckwellenbetriebs die Motorphasenspannung U₁ proportional zur Gleichspannung U _I am Stromrichter.

Wenn man daher i _M so korrigiert, daß gilt:

dann kann der Betrieb mit konstantem Drehmoment auf den Betriebsbereich mit Rechteckwelle ausgedehnt werden. Da U₁ mit der Quadratwurzel der Drehzahl (Geschwindigkeit) zunimmt, ändert sich das Motorstrom-Sollwertsignal I _S ebenfalls mit diesem Faktor.

Fig. 1 zeigt eine Modifikationseinrichtung 56, die das Motorstrom-Sollwertsignal I _S während des Bremsbetriebs im Impulsbreitenmodulations-Betriebsbereich ändert. Ein Drehmoment-Sollwertgeber 57 wird so eingestellt, daß er das Drehmoment-Sollwertsignal 23 für den Fahrbetrieb oder Bremsbetrieb erzeugt. Eine Begrenzerschaltung 58 gegen Ruckbewegungen kann vorgesehen sein, um automatisch die Änderungsgeschwindigkeit des Drehmoment-Sollwertsignals auf einen Wert zu begrenzen, der für einen Reisenden verträglich ist, beispielsweise etwa 5 km/h/s² (beispielsweise 3 Meilen pro Stunde und Sek.²). Das in seiner Änderungsgeschwindigkeit begrenzte Drehmoment-Sollwertsignal M _S wird dann von der Modifikationseinrichtung 56 aufgenommen und dort über eine Leitung 59 einem Komparator 62 und über eine Leitung 61 einem Multiplizierer 63 zugeführt.

In den Multiplizierer 63 führt ferner eine Ausgangsleitung 64 eines Teilers 66 (Dividierers), der als Eingangsgrößen des Istwertsignals n für die Motordrehzahl über eine Leitung 67 und die Gleichspannung U _I am Stromrichter 12 über eine Leitung 68 erhält.

Im Betrieb wird das Sollwertsignal n _S für die Motordrehzahl durch die Stromrichter-Gleichspannung U _I dividiert und das Resultat im Multiplizierer 63 mit dem Drehmoment-Sollwertsignal M _S multipliziert. Das Produkt wird dann über eine Leitung 69 dem Komparator 62 zugeführt, der das stärkere Negative der beiden Eingangssignale als Motorstrom-Sollwertsignal I _S auswählt. Zum besseren Verständnis des Komparators 62 wird auf dessen ausführlicheres Schaltbild nach Fig. 6 Bezug genommen. In dieser Schaltung wird das negative Drehmoment-Sollwertsignal auf der Leitung 69 mit dem korrigierten Signal

auf der Leitung 69 während der Bremsbetriebsarten verglichen. Während des Fahrbetriebs ist diese Schaltung praktisch nicht vorhanden (abgeschaltet), so daß das positive Drehmoment-Sollwertsignal M _S unmodifiziert als Motorstrom-Sollwertsignal I _S zur Leitung 42 durchgeht.

Nach Fig. 6 enthält die Schaltung des Komparators 62 Differenz-Rechen verstärker 71, 72 und 73, von denen die Verstärker 72 und 73 als Umkehrverstärker geschaltet sind. Dem nichtumkehrenden Eingang des Rechenverstärkers 71 wird das Drehmoment-Sollwertsignal M _S über die Leitung 59 zugeführt, und sein Ausgang ist mit der Kathode einer Diode 74 verbunden, deren Anode über einen Anschluß 76 mit der Leitung 42 verbunden ist. Über einen Widerstand 77 wird dem Anschluß 76 und dem umkehrenden Eingang des Rechenverstärkers 71 eine Betriebsspannung von +15 Volt zugeführt. Das Drehmoment-Sollwertsignal auf der Leitung 59 wird ferner über eine Leitung 78 dem umkehrenden Eingang des Rechenverstärkers 72 zugeführt, dessen Ausgang über einen Rückkopplungswiderstand 79 mit seinem nichtumkehrenden Eingang, über den Rückkopplungswiderstand 79 und einen weiteren Rückkopplungswiderstand 87 mit Masse und ferner direkt mit einem Ausgangswiderstand 81 verbunden ist. Die Rückkopplungswiderstände 79 und 87 bewirken eine Hysterese des Rechenverstärkers 72, um die Anregung von Schwingungen zu verhindern. Der Rechenverstärker 72 erhält für den Fahrbetrieb ein positives Signal auf der Leitung 59. Der Ausgangswiderstand 81 und eine Diode 82 liegen in Reihe zwischen dem Ausgang des Verstärkers 72 und dem umkehrenden Eingang des Verstärkers 73. Die Aufgabe der Diode 82 besteht darin, bei positivem Signal auf der Leitung 59 die Signalübertragung von der Leitung 69 zur Leitung 42 über den Verstärker 73 zu sperren und nur im Bremsbetrieb (bei negativem Signal auf der Leitung 59) die Signalübertragung von der Leitung 69 zur Leitung 42 zu gestatten. Wenn die Leitung 59 positiv ist (Fahrbetrieb) läßt die Diode 82 ein hohes negatives Signal vom Verstärker 72 zum umkehrenden Eingang des Verstärkers 73 durch. Dadurch wird das Eingangssignal auf der Leitung 69 übersteuert und bewirkt, daß der Ausgang des Verstärkers 73 in positiver Richtung in die Sättigung getrieben und die Diode 86 gesperrt wird.

Dem umkehrenden Eingang des Verstärkers 73 wird über die Leitung 69 das korrigierte Signal M _S · n _S/U₁ zugeführt. Der nichtumkehrende Eingang des Verstärkers 73 ist über einen Widerstand 83 geerdet. Ferner hat der Verstärker 73 einen Rückkopplungswiderstand 84. Sein Ausgang ist mit der Kathode der Diode 86 verbunden, deren Anode ebenfalls mit dem Anschluß 76 verbunden ist.

Während des Betriebs lassen die beiden Dioden 74 und 86 das jeweils stärker negative Signal der beiden Ausgangssignale der Verstärker 71 und 73 zum Anschluß 76 durch. Während des Fahrbetriebs wird das positive Signal auf der Leitung 59 im Verstärker 72 umgekehrt und dem Verstärker 73 mit hoher Verstärkung über die Diode 82 zugeführt und im Verstärker 73 wieder umgekehrt, so daß die Diode 86 gesperrt wird und den Korrekturteil der Schaltung abschaltet. Das positive Drehmoment-Sollwertsignal auf der Leitung 59 wird dann durch den Verstärker 71 und die Diode 74 zum Motorstrom-Sollwertsignal I _S. Während des Bremsens ist das Signal auf der Leitung 59 negativ, das Ausgangssignal des Verstärkers 72 positiv und die Diode 82 gesperrt. Wenn das Signal auf der Leitung 69 stärker positiv als das Signal auf der Leitung 59 negativ ist, dann wird die Diode 86 leitend, so daß sie das korrigierte Signal als Motorstrom-Sollwertsignal I _S zur Leitung 42 durchläßt. Ein stetiger Übergang zwischen Impulsbreitenmodulation und Rechteckwellenbetrieb tritt stets auf, da an diesem Punkt beide Signale nahezu den gleichen Wert haben. Der Übergang ist wegen der Verwendung der Stromrichter-Gleichspannung anstelle der Wechselspannung in der Korrekturschaltung stets gewährleistet. Da im Betrieb mit Impulsbreitenmodulation die Wechselspannung stets kleiner als die äquivalente Gleichspannung ist, ist das Ausgangssignal der Modifikationsschaltung für den Betrieb mit Impulsbreitenmodulation kleiner als das Drehmoment-Sollwertsignal M _S. Fig. 7 zeigt die Änderung des Drehmoment-Sollwertsignals M _S und des modifizierten Signals M _S als Funktion der Geschwindigkeit oder Drehzahl. Der Schnittpunkt (Umschaltpunkt) ist die Grenze zwischen dem Betrieb mit Impulsbreitenmodulation und dem Rechteckwellen-Stromrichterbetrieb. Daher ist es bei dieser Schaltung nicht erforderlich, daß man unmittelbar Kenntnis darüber erhält, ob Rechteckwellenbetrieb oder Impulsbreitenmodulationsbetrieb vorliegt, da das Drehmoment pro Motorstromstärke im Impulsbreitenmodulationsbe trieb stets den Maximalwert aufweist. Das Motorstrom-Sollwertsignal I _S wird daher so eingestellt, daß es nur während des Bremsens das nominelle Sollwertsignal über steuert.

Nach Fig. 4 erfolgt eine Widerstandsbremsung mit linear bis zu einer Geschwindigkeit von etwa 57 km/h (36 Meilen pro Stunde) in Abhängigkeit von der Drehzahl ansteigender Phasen- bzw. Motorspannung. An diesem Punkt geht dann die Spannungssteuerung verloren, und die Wechselstromamplitude folgt der Form der Stromrichter-Wechselspannung. Innerhalb dieses Bereiches muß die Schlupffrequenz f _se und daher der Motorstrom mit der Geschwindigkeit vergrößert werden, um ein konstantes Drehmoment aufrechtzuerhalten. Bei etwa 80 km/h (50 Meilen pro Stunde) wird die Spannungsamplitude konstant geregelt, und es beginnt ein Betrieb mit konstanter Leistung, wobei die Schlupffrequenz schließlich bei etwa 130 km/h (80 Meilen pro Stunde) einen Wert erreicht, der dem Kippmoment entspricht. Da die Verlustleistung des Bremswiderstands 16 linear mit der Drehzahl bis auf null abnimmt, nimmt die Stromrichter-Gleichrichtung nach einer Quadratwurzelfunktion bis auf null ab. Infolge von Kommutierungsschwierigkeiten des Stromrichters ist die Widerstandsbremsung nicht bis unter einen unteren Grenzwert der Geschwindigkeit, beispielsweise etwa 24 km/h (15 Meilen pro Stunde), möglich. Der theoretische Kurvenverlauf ist durch gestrichelte Linien bis zum Wert Null extrapoliert.

In ähnlicher Weise stellt Fig. 5 die Kennlinien des Motors bei Nutzbremsung dar, bei der ein Betrieb mit konstantem Verhältnis von Spannung zu Frequenz (linearer Spannungs- Drehzahl-Kennlinie) von 0 bis etwa 24 km/h (0 bis 40 Meilen pro Stunde) erfolgt. Oberhalb von etwa 64 km/h arbeitet der Stromrichter wieder im Rechteckwellenbetrieb, und die Wechselspannungsamplitude folgt der Kennlinie für die Stromrichter-Gleichspannung.

Die Nutzbremsung setzt bei einer oberen Grenze der Motorspannung ein. Wenn das Netz keine Leistung mehr aufnehmen kann, wird zusätzlich eine Reibungsbremsung bewirkt, um die Netzgleichspannung auf dem maximal zulässigen Wert zu halten. Wenn der gewünschte Prozentsatz der Reibungsbremsgeschwindigkeit überschritten wird, schaltet die Antriebsanordnung auf Widerstandsbremsung um. Wenn dann die untere Geschwindigkeitsgrenze, etwa 24 km/h (15 Meilen pro Stunde), für die Widerstandsbremsung erreicht wird, schaltet die Antriebsanordnung auf Nutzbremsung bis zum Stillstand zurück.

Wenn sich die Netzspannung (Spannung der Gleichspannungsquelle) während einer Nutzbremsung und sich die Motorspannungen plötzlich während eines Übergangs von Widerstands- auf Nutzbremsung, und umgekehrt, ändern, wird die Stromstärke automatisch in entgegengesetzter Richtung geändert, um das gewünschte Bremsdrehmoment aufrechtzuerhalten.

Claims

1. Antriebsanordnung mit einem Stromrichter, der mit Puls breitenmodulation betreibbar ist und an den ausgangsseitig ein Wechselstrommotor und eingangsseitig eine Gleichspannungsquelle anschließbar sind, wobei die beim Bremsen durch den Wechselstrommotor erzeugte elektrische Leistung dem Stromrichter zuführbar ist, und mit einer Regel- und Steuerschaltung, die eine Einrichtung zum Erzeugen eines Motorstrom-Sollwertsignals, eine Einrichtung zum Modifizieren des Motorstrom-Sollwertsignals in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und eine Drehmomentsteuerschaltung aufweist und den Motorstrom in Abhängigkeit vom Motorstrom-Sollwertsignal über den Stromrichter steuert, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Stromrichterbetrieb in Abhängigkeit vom modifizierten Motorstrom-Sollwertsignal so steuernde Einrichtung vorgesehen ist, daß der Motorstrom beim elektrischen Bremsen geregelt und das Drehmoment des Motors bis zu einer vorbestimmten Eckpunkt-Drehzahl des Motors konstant gehalten wird, und daß die Einrichtung zum Modifizieren des Motorstrom-Sollwertsignals aufweist:

a) eine Einrichtung (63, 66) zur Korrektur des Motorstrom-Sollwertsignals um einen Faktor, der proportional zur Motor-Statorfrequenz und umgekehrt proportional zur Motorspannung ist, und
b) einen Komparator (62) zum Auswählen des größeren Signals aus korrigiertem und nicht korrigiertem Motor strom-Sollwertsignal.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter (12) oberhalb einer ersten vorgegebenen Motordrehzahl, die kleiner als die Eckpunkt-Drehzahl ist, im Rechteckwellenbetrieb betreibbar ist und daß die Einrichtung zum Modifizieren des Motorstrom-Sollwertsignals auf eine Änderung der Motorspannung derart anspricht, daß das ausgangsseitige Drehmoment oberhalb dieser ersten vorbestimmten Motordrehzahl während einer elektrischen Bremsung konstant bleibt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur Erhöhung des Motorstrom-Sollwertsignals gemäß der Quadratwurzel der Motordrehzahl ent hält.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (63, 66) einen Signaleingang für ein Signal aufweist, das der Gleichspannung (I _S) des Stromrichters (12) entspricht und proportional zur Wechselspannung des Motors ist, wenn der Stromrichter (12) im Rechteckwellenbetrieb arbeitet.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (63, 66) eine Einrichtung zum Empfang eines der Motordrehzahl entsprechenden Eingangssignal aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter (12) bis zu einer ersten vorbestimmten Motordrehzahl, die kleiner als die Eckpunkt-Drehzahl ist, mit Impulsbreitenmodulation und oberhalb dieser Drehzahl mit Rechteckwellen betreibbar ist und das korrigierte Motorstrom-Sollwertsignal nur dann größer ist als das unkorrigierte, wenn der Stromrichter im Rechteckwellenbetrieb arbeitet.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (62) zwei parallele Eingangsdioden (74,86) enthält, die mit demselben Ausgangsanschluß (76) verbunden sind.