DE2514843A1

DE2514843A1 - Schaltungsanordnung zur stromversorgung eines verbrauchers aus einer gleichspannungsquelle

Info

Publication number: DE2514843A1
Application number: DE19752514843
Authority: DE
Inventors: Jacques Lecoeuche; Pierre Margrain
Original assignee: RAGONOT SEB
Current assignee: RAGONOT SEB
Priority date: 1974-04-05
Filing date: 1975-04-04
Publication date: 1975-10-16
Also published as: IT1034802B; GB1493302A; FR2266978B1; FR2266978A1

Description

SEB-Ragonot, 92240 Malakoff, Bid. Gabriel Peri 7 (Prankreich)

"Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines Verbrauchers aus einer Gleichspannungsquelle"

Priorität vom 5. April 197^ aus der französischen Patentanmeldung 7k 12136

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines Verbrauchers, mit einerseits einer Gleichspannungsquelle, η parallelen Schalteinheiten, deren jede aus einem als Schalter dienenden Transistor und einer mit diesem in Serie liegenden Induktivität besteht und die zwischen einem Anschluß der Spannungsquelle und einem Anschluß des Verbrauchers liegen, während der zweite Anschluß der Spannungsquelle mit dem zweiten Anschluß des Verbrauchers verbunden ist und η Dioden vorgesehen sind, von denen jede eine Induktivität und den Verbraucher überbrückt, und mit andererseits einer Steuerschaltung für das öffnen und Schließen dieser η Schalter, die jeden der Schalter mit einer zeitlichen Verschiebung von Schalter zu Schalter periodisch leitend und nichtleitend macht. Bei dem Verbraucher kann es sich beispielsweise auch um den oder die Antriebsmotore eines Schienen- oder Straßenfahrzeugs handeln.

Die Stromversorgung eines Verbrauchers wie etwa.eines Gleichstrommotors mit einem einstellbaren Strom aus einer Gle,ichspannungsquelle geschieht gewöhnlich über einen oder mehrere Schalter, die durch Transistoren oder Thyristoren gebildet wer-

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den. Diese Schalter werden abwechselnd In den leitenden und den nichtleitenden Zustand derart geschaltet, daß der Verbraucher von Stromimpulsen durchflossen ist, deren Frequenz oder deren Breite den mittleren Strom bestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine bessere Ausnutzung der Energie der Spannungsquelle gewährleistet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerschaltung für die η Schalter wenigstens drei Steuersignalgeneratoren umfaßt j nämlich einen Generator für die zumindest mit Sägesahnsignalen der Periode T gebildeten Schließsignale, einen Generator für die Öffnungssignale, bestehend aus Sägezahnsignalen, die die gleiche Steigung und die gleiche Periode T wie die Schließsägezahnsignale haben ₃ jedoch gegenüber diesen um eine Zeit t verzögert sind und einen Generator zur Erzeugung von Impulsen der Periode T, die um eine Zeit t in bezug auf die Schließsignale verzögert sind (sogenannte verzögerte Impulse) und den Generator für die Öffnungssignale steuern.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In der Zeichnung ist die Schaltungsanordnung nach der Erfindung anhand einer beispielsweise gewählten Ausführungsform und erläuternden Diagrammen vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild des ersten Teils einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung zur Stromversorgung eines Motors eines Elektrofahrzeuges aus einer Gleichstromquelle,

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Fig. 2 ein Blockschaltbild des zweiten Teils einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der leitenden Zustände der Schalter der Schaltungsanordnung nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 ein Diagramm der Steuerimpulse einer elektronischen Kippschaltung der Schaltungsanordnung nach den Fig. 1 und 2 und den Arbeitszustand dieser Kippschaltung,

Fig. 5 ein Diagramm der Steuerimpulse der elektronischen Kippschaltungen, die die Schalter der Schaltungsanordnung nach den Fig. 1 und 2 steuern und den Arbeitszustand dieser Schalter,

Fig. 6 ein Diagramm der elektrischen Ströme in den Hauptbestandteilen einer Schaltungsanordnung ähnlich jener nach den Fig. 1 und 2, jedoch nur mit einem einzigen Schalter ausgestattet.

Fig. 7 ein Diagramm der elektrischen Ströme in den Schaltern, dem Motor und der Gleichstromquelle der Schaltungsanordnung nach den Fig. 1 und 2 in einer ersten Steuerungsart dieser Schalter,

Fig. 8 ein Diagramm der elektrischen Ströme in den Schaltern, dem Motor und der Gleichstromquelle der Schaltungsanordnung nach den Fig. 1 und 2 nach einer zweiten Steuerungsart dieser Schalter und

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Ij _

Fig-, 9 ein Diagramm der- elektrischen Ströme in den Schaltern, dem Motor und der Gleichstromquelle der Schaltungsanordnung nach denjFig» 1 und 2 in einer dritten Steuerungsart dieser Schalter=.

In dem in den Pig« 1 und 2 In seinen wichtigsten Teilen dargestellten Beispiel umfaßt die Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines Elektromotors eines Straßen- oder Sohienenelektrofahrzeuges zumindest eine Gleiehspannungsquelle 1, die einen Anker des Elektromotors 2 über η parallel liegende Schalteinheiten ₃ im vorliegenden Beispiel vier_s "versorgt, Die Sehalteinheitsn bestehen jeweils aus einer Induktivität 3, ^₉ 5» 6 und einem mit der Induktivität in Serien liegenden Transistor I₃ 8, 9., 10j wobei die Induktivitäten zwischen dem Anker des Motors 2 und den Transistoren liegen, Der Anker des Motors 2 und jede der Induktivitäten sind jeweils durch eine Diode 11, 12, 13s I^ überbrückt, Eine Schaltungsanordnung mit η Sehalteinheiten umfaßt folglich η Induktivitäten_s η Transistoren und η Dioden, Sobald die Basen dieser η Transistoren auf ein vorbestimmfces Potential gebracht werden, werden die Kollektor-Emitter- Strecken dieser Transistoren leitend, Der Anker des Motors 2 wird dann aus der Gleiehspannungsquelle 1 gespeist. Wenn das Basispotential dieser Transistoren beispielsweise auf Null fällt, sperren die Transistoren und lassen keinen Strom mehr durch. Die Stromversorgung des Ankers des Motors 2 ist folglich unterbrochen. Während des leitenden Zustande der Transistoren 7, 8₃ 9, 10 teilt die der Spannungsquelle 1 entnommene Energie sich in zwei Teile auf_s von denan der eine von dem Anker des Motors 2 aufgenommen und der andere in den Induktivitäten 3, ¹I, 5, 6 gespeichert wird. Sobald die Transistoren 7, 8, 9, 10 nichtleitend werden, wechselt die Spannung an den Anschlüssen jeder der Induktivitäten 3, H₃ 5_S β Ihr Vorzeichen

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und die in diesen Induktivitäten gespeicherte Energie wird auf den Anker des Motors 2 über die Dioden 11, 12, 13, 1*< übertragen. Die in diesen Induktivitäten gespeicherte Energie wird somit rückgewonnen. In dem in Fig.6 dargestellten Beispiel enthält die Schaltungsanordnung einen einzigen Transistor, eine einzige Induktivität und eine einzige Diode. Der Transistor wird mit einer Periode T während einer Zeit r leitend geschaltet. Die vier in Fig. β dargestellten Diagramme A, B, C, D haben denselben zeitlichen Ursprung. Die Kurve A zeigt die periodischen leitenden und gesperrten Zustände des einzigen Transistors. Die Kurve B zeigt den Strom der Spannungsqueile 1 , der durch den Transistor hindurchfließt. Die Kurve C zeigt den Rückgewinnungsstrom, der durch die einzige Diode während des gesperrten Zustandes diesen Transistors hindurchfließt. Die Kurve D zeigt den Strom im Anker des Motors 2. Man stellt fest, daß der der Spannungsquelle entnommene Strom (Kurve B) aus Stromimpulsen besteht, deren Spitzenwert eine beträchtliche Höhe erreicht. Der schlechte Formfaktor dieses Stromes erzeugt erhebliche Wärmeverluste. Die Spannungsquelle wird schlecht ausgenutzt. Außerdem enthält der Strom in dem Motor (Kurve D) einen Sägezahnanteil, der zu Wärmeverlusten (Joule'sehen Verluste) in dem Motor und zu Kommutationsverlusten an denBürsten des Motors führt. Die Welligkeit des Stroms durch den Motor kann entweder durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz oder durch eine Vergrößerung der Induktivität verringert werden, die jedoch gewöhnlich ein schweres, viel Raum beanspruchendes und kostspieliges Bauelement ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist die Zahl η der Schalter gleich vier. Jeder dieser Schalter ist mit einer Periode T abwechselnd leitend während einer Zeit t und nichtleitend während T-t, und zwar derart, daß die von diesen η Schaltern gelieferten Stromimpulse von einem Schalter zum nächsten zeitlich

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um ΐ/ΐ: verschoben.sind« wenn η gleich vier ist_s ist die Zeitvers o2:.i^:.ä&u.ng zwischen auireinaiiasrfolgenden Schaltern T/ii (Fig, 3). Die Längs i" der Impuls6 ist für alls Schalter die gleiche (Fi-To 3) und stc-Xlt den mitt-~_.s."sn Strom in dem Anker= des Motors 2 ein ο In Fi-Vr J- haben die Eu:^;?Tsn E, P₅ Cr _s H denselben Zeitursprung und stell?:" /iS'irsils als mit der Feriodsndauer T aufeinanderfolgenden Zustil"is ΓΪ3Γ Lsitiing ?;ährend der Zeit t und der Sperrung während der Ss.it 1-=™ der Tier- ειιιε dsn Transistoren 7_S 8_S 9? 10 bestehenden Sohi-lter dar 'Figd/c Mannend der Dauer t der Leitung jedes der Ί-^iirLsistDren 7- S₁. J₅ 10 durchfließt der von der SpannungsquelLs L. ::ommenä? S^ro-c den Anker- des Motors 2. Dieser Strom ist in Fiw, 7 durch die Abschnitte s,^ - b„ und c^ - d„ der Kurve I für der Transistor 7_£ die Abschnitte a© ~ bq und cg - 6.q der Kur¥® Γ für den Transistor 8_S die Abschnitte a_o - b_q und e^ ä_c der Kitir/e E für den Transistor 9 und der Abschnitte a, _Q - b_1Q und :,» - d,« der Kurve L-: für- den "Transistor 10 dargestellt. Während des nichtleitenden Zustandss dieser Transistoren fließt der VOK. den Induktivitäten 3_S ^₅ 5_S 6 kommende RückgewinnungsstroiE über die Dioden II, IS₅ 13_s I^ in den Anker des Motors 2. In Fig« 7 ist der Rückgewinniingsstrom durch die Abschnitte b„ C₇ und cU - e„ der Kurve I für die Diode 11, die Abschnitte bo -

ι ϊ* f °

C₈ und an - e_Q der Kurve J für die Diode 12, die Abschnitte n_o a„ und Dq - Cg der Kurve K für die Diode 13 und die Abschnitte n,_n - a_ir» und b,,~ - C^_n. der Kurve L für die Diode 14 dargestellt,

XU XU XO XU

In Fig. 7 haben die Kirven I, J, K, L, M, N denselben zeitlichen Ursprung. Die Abschnitte a_? - b„, a« - bg, a_q - bg und a,q b₁₀ sind um T/k verschoben, entsprechend der zeitlichen Verschiebung in der Steuerung der Transistoren 7_S 8, 9> 10 in den leibenden Zustand. Die Kurve I stellt den in den Anker des Motors 2 abwechselnd über den Transistor 7 und die Diode 11 fließenden Strom dar. Die Kurve J stellt den- in den Anker des Motors 2 abwechselnd über den Transistor 8 und die Diode 12 fließenden Strom dar. Die Kurve K stellt den in den Anker des Motors 2 ab-

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wechselnd über den Transistor 9 und die Diode 13 fließenden
Strom dar. Die Kurve L stellt den in den Anker des Motors 2 abwechselnd über den Transistor 10 und die Diode 14 fließenden
Strom dar. Der Gesamtstrom im Anker des Motors 2, der durch die Kurve M in Fig. 7 dargestellt ist, ist die Summe der in den
Kurven I, J, K und L dargestellten Ströme. Vom Zeitpunkt t,
bis zum Zeitpunkt t„ sind die Transistoren 7 und 8 leitend und
die sie durchfließenden Ströme sind im Anwachsen begriffen während die Transistoren 9 und IO gesperrt sind und die Rückgewinnungsströme im Fallen begriffen sind. Die Resultierende
dieser vier Ströme ergibt im Motor einen leicht anwachsenden
Strom. Vom Zeitpunkt t„ bis zum Zeitpunkt t, ist lediglich der
Transistor 8 leitend und besitzt einen anwachsenden Strom, während die anderen Transistoren 7, 9 und 10 gesperrt sind und die Rückgewinnungsströme im Fallen begriffen sind. Die Resultierende ergibt im Motor 2 einen leicht fallenden Strom. Dieser Zyklus wiederholt sich zwischen t, - tu und tu - t^ und so fort.

Die VJelligkeit des resultierenden Stroms im Anker des Motors 2
(Kurve M in Fig.7) ist im Maximum gleich einem Viertel der Welligkeit (delta i) des Stromes in einem der Transistoren, beispielsweise dem Transistor 7 (Kurve I). Diese Welligkeit (delta i) des Stromes in einem der Transistoren der Schaltungsanordnung der Fig. 1 ist ihrerseits im Vergleich mit einer Schaltungsanordnung, die mit einem Schalter bestehend aus einem einzigen Transistor ausgerüstet ist, gleich einem Viertel der Welligkeit des Stromes in diesem einzigen Transistor (Kurve B in
Fig.6) der zweiten Schaltungsanordnung. Die Welligkeit des Stromes in dem Motor bei der Schaltungsanordnung mit einem einzigen Transistor (Kurve D in Fig.6) ist demzufolge sechzehn mal größer als die Welligkeit des Stromes in dem Motor 2 der Schaltungsanordnung mit vier Transistoren nach Fig. 1. Die Frequenz der
Welligkeit des Stromes in dem Motor mit der Schaltungsanordnung

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mit einem einzigen Transistor beträgt ein Viertel derjenigen der Welligkeit des Stromes in dem Motor 2 mit der Schaltungsanordnung mit vier Transistoren nach Fig. 1.

Die Kurve N in Fig. 7 zeigt den Strom der Spannungsquelle 1 der Schaltungsanordnung nach Fig. 1. Vom Zeitpunkt t, bis zum Zeitpunkt tp ist dieser Strom gleich der Summe der die Transistoren 7 und 8 durchfließenden Ströme (Kurven I und J) und vom Zeitpunkt tp bis zum Zeitpunkt t, ist der Strom gleich dem den Transistor 8 durchfließenden Strom. Die Welligkeit des Stromes (Kurve N in Fig.7) der Spannungsquelle 1 ist gleich dem einen der vier Transistoren durchfließenden Spitzenstrom, dargestellt in einer der Kurven I, J, K, L in Fig.7. Diese Welligkeit des Stromes (Kurve N) der Spannungsquelle 1 ist bei einem Vergleich der Anordnung mit vier Transistoren gemäß Fig. 1 mit einer Anordnung mit einem einzigen Transistor ein Viertel der Welligkeit des Stromes der Spannungsquelle dieser zweiten Anordnung. Bei der Schaltungsanordnung der Fig. 1 besitzen die die Transistoren durchfließenden Ströme nicht gleichzeitig ihren Höchstwert. Für eine Dauer t des leitenden Zustandes der Transistoren 7, 8, 9, 10 gleich TM (Fig.9), T/2 (Fig.8) oder 3 T/M wird der resultierende Strom im Anker des Motors 2 ein Gleichstrom (Kurve M).

Die in Fig.l dargestellte Schaltungsanordnung zur Speisung eines Elektromotors umfaßt außerdem eine Steuerschaltung (Fig.2) für das Schließen und öffnen der η Schalter, die letztere mit einer Periode T während einer einstellbaren, jedoch für alle η Schalter gleichen Dauer t einstellbar macht, und zwar derart, daß die Zeitpunkte, in denen die Schalter leitend sind, gegeneinander um T/n verschoben sind. Für η gleich vier sind die leitenden Zustände dieser Schalter wie etwa der Transistoren 7» 8, 9, 10 durch die vier Kurven E, F, G, H in Fig.3 veranschaulicht.

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Bei der Steuerschaltung für das öffnen und Schließen (Fig.2) ist jedem der η aus Transistoren bestehenden Schalter eine elektronische Kippschaltung zugeordnet, die zwei stabile elektrische Zustände "1" und "0" besitzt. Der Ausgang dieser Kippschaltung ist direkt oder über eine bekannte Schaltung mit der Basis des als Schalter dienenden Transistors verbunden. Wenn die Kippschaltung in den Zustand "1" übergeht, macht ihr Ausgangssignal den Transistor leitend. Wenn die Kippschaltung in den Zustand "0" übergeht, sperrt ihr Ausgangssignal diesen Transistor. Im Beispiel der Fig. 2 sind den vier aus den Transistoren 7, 8, 9, 10 gebildeten Schaltern vier elektronische Kippschaltungen 15, 16, 17, 18 zugeordnet, die zwei stabile elektrische Zustände "1" und "0" besitzen. Jede dieser bistabilen Kippschaltungen besitzt zwei Eingänge, von denen der eine die Schaltung in den Zustand "1" überführt, wenn er einen Impuls erhält und der andere die Kippschaltung in den Zustand ¹¹O" überführt, wenn dieser einen Impuls erhält. Die Kippschaltung 15, 16, 17, 18 bzw. ihre Ausgänge 19, 20, 21, 22 gehen in den Zustand "1" über, sobald ihren Eingängen 23, 24, 25, 26 ein Impuls zugeführt wird und gehen in den Zustand "0" über, sobald ihren Eingängen 27, 28, 29, 30 ein Impuls zugeführt wird. Die Schaltungaanordnung nach der Erfindung umfaßt wenigstens drei Steuersignalgeneratoren. Ein erster Generator 31 für die Schließsignale besitzt zwei Ausgänge 31 und 33. Dieser Generator 31 liefert an seinem Ausgang 32 Signale, die aus Impulsen, den sogenannten Pilotimpulsen, mit der Periode T bestehen und an seinem Ausgang 33 Synchronsignale sägezahnförmigen Verlaufs mit der Amplitude V und derselben Periode T wie die Pilotimpulse. Die von dem Ausgang 32 abgegebenen Pilotimpulse werden einerseits dem Eingang 23 der Kippschaltung 15 und andererseits einem der zwei Eingänge, nämlich dem Eingang J>k> eines zweiten Generators 35 für aus Impulsen bestehende Signale zugeführt. Der Ausgang 19 der elektronischen Kippschaltung 15 ist mit dem zweiten Eingang 36 des Impulsgenerators 35 verbunden,

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während der Ausgang 37 dieses Generators 35 mit dem Eingang 27 der Kippschaltung 15 verbunden ist. Der Impulsgenerator 35 ist gesperrt, solange sich der Ausgang 19 der Kippschaltung 15 auf dem Zustand "0" befindet. Der Generator 35 wird entsperrt, sobald der Ausgang 19 der Kippschaltung 15 sich im Zustand "1" befindet. Sobald der Eingang 23 der Kippschaltung 15 einen Pilotimpuls vom Generator 31 erhält, nimmt der Ausgang 19 dieser Kippschaltung den Zustand "1" an. Der dann folglich entsperrte Generator 35 liefert an seinem Ausgang 37 einen um eine mittels eines Potentiometers 38 einstellbare Zeit t in bezug auf seine Entsperrung verzögerten Impuls, also ein Impuls, der um diese Zeit t gegenüber dem Pilotimpuls des Generators 31- verzögert ist. Ein derartiger von dem Generator 35 gelieferter Impuls, der auf den Eingang 27 der Kippschaltung 15 gelangt, läßt diese in den Zustand "0" kippen. Die Kippschaltung 15 blockiert folglich den Impulsgenerator 35. Aus einem dem Eingang 23 der Kippschaltung 15 zugeführten Pilotimpulszug des Generators 31 erhält man somit am Ausgang 37 des Generators 35 einen um eine mittels des Potentiometers 38 einstellbare Zeit t verzögerten Impulszug. Der Generator 35 kann somit als Generator zur Erzeugung verzögerter Impulse bezeichnet werden.

Die Pilotimpulse des Generators 31 werden außerdem dem Eingang 34 des Generators 35 zugeführt, der beim Eintreffen jedes der Pilotimpulse gesperrt wird. Wenn demzufolge die Verzögerungszeit t zwischen einem Pilotimpuls und einem verzögerten Impuls auf einen Wert eingestellt wird, der größer als die Periode T der Pilotimpulse ist, wird der Generator 35 gesperrt, bevor er einen Impuls abgibt. In diesem Fall werden die verzögerten Impulse unterdrückt.

Die Steuerschaltung (Fig.2) umfaßt weiterhin eine andere elektronische Kippschaltung 39, die zwei stabile Zustände "1" und "0"

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besitzt und einen Ausgang 40 sowie zwei Eingänge 41 und 42 hat. Der Eingang 4l ist nit dem Ausgang 37 des Generators 3.5 verbunden, erhält also die von diesem Generator gelieferten verzögerten Impulse. Die Kippschaltung 39 bzw. der Ausgang 40 kippt in den Zustand "1", sobald ihr Eingang 41 einen Impuls erhält und kippt in den Zustand "0"sobald ihr zweiter Eingang 42 einen Impuls erhält. Der Ausgang 40 der Kippschaltung 39 ist mit dem Eingang 43 eines dritten Signalgenerators, nämlich dem Generator 44 für Sägezahnsignale, die sogenannten Öffnungssignale, verbunden. Dieser Generator 44 ist gesperrt, sobald der Ausgang 40 der Kippschaltung 39 in den Zustand "0" kippt. Dieser Generator 44 liefert an seinem Ausgang 45 ein Sägezahnsignal, sobald der Ausgang 40 der Kippschaltung 39 sich im Zustand "1" befindet. Die Steigung dieser, sägezahnförmigen, von dem Generator 44 gelieferten Öffnungssignale und die Periodendauer T dieser Signale stimmen mit der Steigung und der Periodendauer der sägezahnförmigen Schließsignale überein, die der Generator 31 an seinem Ausgang 33 liefert.

Bei der Steuerschaltung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind die zwei Eingänge der dem ersten der η Schalter zugeordneten Kippschaltung mit den Ausgängen einerseits des Generators zur Erzeugung der Pilotimpulse und andererseits des Generators zur Erzeugung der verzögerten Impulse verbunden, während von den zwei Eingängen jeder der übrigen n-1 Kippschaltungen für die übrigen n-1 Schalter der eine über eine Schwellwertschaltungsanordnung mit dem Ausgang des die sägezahnförmigen Schließsignale liefernden Generators, der andere über eine andere Schwellwertsehaltungsanordnung mit dem Ausgang des die sägezahnförmigen Öffnungssignale liefernden Generators verbunden ist. Es sind demnach n-1 Schwellwertschaltungsanordnungspaare vorhanden. Der Schwellwert des Schwellwertschaltungsanordnungspaares für die erste der n-1 Kippschaltungen ist auf einen Wert gleich * ein-

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gestellt, worin V die Amplitude der sägezahnförmigen Schließsignale ist, Die Differenz der Sehwellwerte von zwei Schwellwertsehaltungsanordnungspaaren für zwei aufeinanderfolgende der n-1 Kippschaltungen ist ebenfalls gleich -, derart ₃ daß der Schwellwert des Schwellwertschaltungsanordnungspaares für die zweite

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dar n-1 Kippschaltungen gleich ~ ist und der Schwellwert des Schwellwertschaltungsanordnungspaarss für die letzte der n-1 lippsehaltimgsn gleich Szä. y ist. Im Beispiel der Fig,2 ist der Ausgang 33 des Generators 31 für die Schließsignale mit den Eingängen 2U_} 25j 26 der Kippschaltungen l6₃ -17, 18 über jeweils sine 8ehwel2wert3olialtmigsan©2⁵äraing 46 ₃ 4?₃ 48 Terbunclen. Der Ausgang 45 3es Generators 44 ίνα? üis 'jffnungssignale ist mit den !Eingängen 28₃ 29_S 30 der Zippsshal-siiaaen l€_ä TJ₃ 13 über jeweils

suiialtuKgsaiiGrtlaiiiaa -J9₃ 3O₃ 31 ^srbimflsn. 3ie der SchTielI^ept^uhaltrXgsanordnungen beträgt T/4 für die zwei SchwellTier^^^LalivLvigE-anospdmmsaiii 46 ynd 49 ₃ öis die Zippschaltung 16' steuern₃ 7/5 .iün? dia siisi Schwellweriscliai' anordnungen 47 und 50 ₃ die dia Zipps-äufa 1? stsue^n und

für dis 3^9i 3ehwell?ierii3üi:aZ,^?3im33a22ü3?finunge2i 43 uadl 5 -3is Kippschaltung 18 3ts3j,e:?;i₃ :?oo©i 7 -Me Ämplituis der

Sägesahnsignals am Ausgang 33 S®3 Jilotssnerators 31

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Der Ausgang der SGhTioll^si^su^mltuiigsaiioMziiing 51 ist auSs^uam ::dt -i'sm Singftiig 43 lsp XippseiialtiiEig 39 TS2?suKitlsn₃ 2i.:i 7©n des O'snsrator 3? abgegebener TarsSga^öss? Taipuls₃ da? auf visa Eingang -1 dar Zippsohaltung 39 aelangt., last äisss in des Zustand. "1" l:ippsn, Dsp "«nsrat·or ΐ!4 füi³ ciia uffnuKgssignala wird ©Eitsperrt, Dia Spannung an seinem Ausgang 45 uäQhs'z linear» Ssbald diese Spannung den ¥srt 37/4 erreiefct, siat dl'3 Seh^sll^ertschalcimgs™ anordnung 51 einen Impuls ζά 3θ:·ϊ 3ijiga_ais 42 ds? Iippischaliung 39 ab, Diese %br% In -ien 2ustaBü ⁷¹O'³ üqsio Ds2? Qsnepator 44 sird gesperrt. Der Zyklus "b-agiKint toji aansza aiit iTaa li?itreffsn sinss ::euen *7ersSgei»^-bän Iispiilsas τ^:: i^n -lsnas^ou? 35» Sez³ Sägsaahn

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am Ausgang des Generators 44 hat dementsprechend eine auf 3V/4 begrenzte Amplitude und einen Anfang, der synchron mit demjenigen der verzögerten Impulse ist, mit anderen Worten einen Anfang, der um eine Zeit t in bezug auf den Anfang eines von dem Generator 31 gelieferten Pilotimpulses verzögert ist. Die Dauer dieses Sägezahns ist somit auf drei Viertel der Periode T der Pilotimpulse, der Schließsignale des Generators 31 und der verzögerten Impulse des Generators 35 begrenzt. In Fig. 4 stellt die Kurve 0 die sägezahnförmigen Signale der Amplitude V und der Periode T dar, also der sogenannten Schließsignale, die der Generator 31 an seinem Ausgang 33 liefert. Die Kurve P stellt die vom Ausgang 32 des Generators 31 gelieferten Pilotimpulse dar. Die Kurve Q stellt die um eine Zeit t verzögerten, vom Ausgang 37 des Generators 35 gelieferten Impulse dar. Die Kurve R stellt die vom Ausgang 45 des Generators 44 gelieferten, sägezahnförmigen Öffnungssignale dar. Die Kurve S stellt die vom Ausgang der Schwellwertschaltungsanordnung 51 gelieferten Impulse dar. Die Kurve T stellt die Zustände "1" und ¹¹O" der Kippstufe 39 dar.

Die Generatoren 31 und 44 liefern somit an ihren zugehörigen Ausgängen 33 und 45 sägezahnförmige Signale der Periode T, deren zeitlicher Ursprung um eine einstellbare Zeit t verschoben ist (Kurven 0 und R).

Sobald das sägezahnförmige Schließsignal im Verlauf seines Anwachsens den Wert V/4 erreicht hat (Fig.5» Kurve O) liefert die Schwellwertschaltungsanordnung 46 einen Impuls, der somit um eine Zeit T/4 in bezug auf den zeitlichen Anfang des sich bildenden Schließsignales und damit auch in bezug auf den Pilotimpuls am Ausgang 32 des Generators 31 verzögert ist, da das Schließsignal und der Pilotimpuls synchron sind (Fig.5» Kurven T und U 46).

Der von der Schwellwertschaltungsanordnung 46 gelieferte Im-

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puls läßt die Kippschaltung 16 in den Zustand "1" kippen und macht demzufolge den Transistor 8 leitend (Fig.5, Kurven U 46 und Pg). Das Schalten des Transistors 8 in den leitenden Zustand ist folglich um eine Zeit T/4 in bezug auf das Schalten des Transistors 7 in den leitenden Zustand, hervorgerufen durch einen- Pilotimpuls, der die Kippschaltung 15 in den Zustand "1" gekippt hat» verzögert (Fig. 5_S Kurven P und E„).Sobald dieses Schließsignal im Verlauf seines Anwachsens einen Wert V/2 erreicht hat, liefert die Sbhwellwertschaltungsanordnung 47 einen Impuls, der um eine Zeit T/4 in bezug auf den von der Schwellwert schaltungsanordnung 46 erzeugten Impuls oder um eine Zeit T/2 in bezug auf den auf die Kippschaltung 15 einwirkenden Pilotimpuls verzögert ist (Fig.5, Kurven ü 47 und Gg). Der Impuls der Schwellwertschaltungsanordnung 47 läßt die Kippschaltung 17 in den Zustand "1" kippen und schaltet demzufolge den Transistor 9 in den leitenden Zustand. Dieses Sehalten der Transistoren 7_S8,9 in den leitenden Zustand ist um eine Zeit T/4 vom ersten zum zweiten und vom !zweiten zum dritten dieser Transistoren verzögert.

Sobald das Schließsignal im Verlauf seines Anwachsens einen Wert 3V/4 erreicht hat, liefert die Schwellwertschaltungsanordnung 48 einen Impuls, der um eine Zeit T/4 in bezug auf den von der Schwellwertschaltungsanordnung 47 erzeugten Impuls und um eine Zeit T/2 inobezug auf den von der Schwellwertschaltungsanordnung 46 erzeugten Impuls und um eine Zeit 3T/4 in bezug auf den Pilotimpuls verzögert ist (Fig.5, Kurve U 48 und H.q). Der Impuls der Schwellwertschaltungsanordnung 48 läßt die Kippschaltung 18 in den Zustand "1" kippen und schaltet demzufolge den Transistor 10 mit einer zeitlichen Verzögerung von T/4 in bezug auf den Transistor 9 in den leitenden Zustand.

Sobald das Öffnungssignal im Verlauf seines sägezahnförmigen Anwaehsens einen Wert V/4 erreicht (Fig.5» Kurven R und W 49) lie-

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fert die Schwellwertschaltungsanordnung 49 einen Impuls, der um eine Zeit T/4 in bezug auf den zeitlichen Anfang des sich gerade bildenden Öffnungssignales und somit in bezug auf den den Eingang 41 der Kippschaltung 39 abgegebenen verzögerten Impuls verschor ben ist (Fig.5, Kurve Q). Der von der Schwellwertschaltungsanordnung 49 gelieferte Impuls kippt die Kippschaltung 16 in den Zustand "0" und sperrt demzufolge den Transistor 8 (Fig.5, Kurven W 49 und Pg)* während der verzögerte Impuls (Fig.5»Kurven Q und E„) eine Zeit T/4 zuvor den Transistor 7 nach einer Zeitdauer t dessen leitenden Zustande gesperrt hat. Wie sich aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt, erfolgt das Schalten des Transistors 8 in den leitenden Zustand mit einer zeitlichen Verzögerung von T/4 in bezug auf das Schalten des Transistors 7 in den leitenden Zustand und das Sperren des Transistors 8 erfolgt ebenfalls mit einer zeitlichen Verzögerung von TM in bezug auf das Sperren des Transistors 7, wobei die Zeit t des leitenden Zustandes der Transistoren 7 und 8 folglich die gleiche ist.

Sobald das sägezahnförmige Öffnungssignal im Verlauf seines Anwachsens einen Wert V/2 erreicht hat, liefert die Schwellwertschaltungsanordnung 50 einen Impuls, der um eine Zeit T/4 in bezug auf den von der Schwellwertschaltungsanordnung 49 erzeugten Impuls oder um eine Zeit T/2 in bezug auf den verzögerten Impuls 'Fig.5, Kurve B 50) verschoben ist und der von der Schwellwert-schaltungsanordnung 50 abgegebene Impuls läßt die Kippschaltung 17 in den Zustand "0" kippen und sperrt daher den Transistor 9 (Fi<-. 5, Kurve G 9)· Das Durchschalten und das Sperren des Transistors 9 ist ebenfalls um eine Zeit T/4 in bezug auf das Durchschalten und das Sperren des Transistors 8 verschoben und die Zeitdauer t des leitenden Zustandes der Transistoren 8 und 9 ist die gleiche. Sobald das öffnungssignal im Verlauf seines Anwachsens einen Wert 3V/4 erreicht hat, liefert die Schwellwertschaltungsanordnung 51 einen Impuls (Fig.5, Kurve W 51 und H 10),

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der um eine Zeit T/4 in bezug auf den von der Schwellwertschaltungsanordnung 50 erzeugten Impuls verschoben ist. Der Impuls der Schwellwertschaltungsanordnung 51 kippt die Kippschaltung 18 in den Zustand "0" und sperrt demzufolge den Transistor 10 mit einer zeitlichen Verzögerung von T/4 in bezug auf den Transistor 9. Das Durchschalten und das Sperren des Transistors 10 ist somit ebenfalls um eine Zeit T/4 in bezug auf das Durchschalten und das Sperren des Transistors 8 verschoben und die Zeitdauer t des leitenden Zustandes der Transistoren 9 und 10 ist die gleiche.

Diese Zeit t ist somit für die vier Transistoren 7, 8, 9, 10 die gleiche und mittels eines Potentiometers 38 des Generators 35 einstellbar und bildet außerdem eine zeitliche Verschiebung zwischen einem von dem Generator 31 gelieferten Pilotimpuls und einem von dem Generator 35 gelieferten verzögerten Impuls. Die Pilotimpulse werden einerseits dem Eingang 3*t des Generators 35 zugeführt um diesen zu sperren und andererseits dem Eingang 23 der Kippschaltung 15 zugeführt um den Generator 35 zu entsperren, wenn die Zeit t der Verschiebung zwischen einem Pilotimpuls und einem verzögerten Impuls größer als die Periode T der Pilotimpulse ist, so daß der Generator 35 ständig gesperrt bleibt und keine verzögerten Impulse liefert. Das Fehlen der verzögerten Impulse am Eingang 4l der Kippschaltung 39 bewirkt eine Aufrechterhaltung des Zustandes "0" am Ausgang 40 der Kippschaltung 39 und demzufolge der Sperrung des Generators 44, mit anderen Worten das Verschwinden der sägezahnförmigen Öffnungssignale am Ausgang 45 dieses Generators und an den Eingängen der Schwellwertschaltungsanordnungen 4*9, 50, 51. Die Kippschaltungen 16, 17, 18 behalten somit ihren Zustand "1" bei und die Transistoren 7, 8, 9, 10 bleiben ständig leitend.

Zum Schutz gegen zu hohe Augenblicksströme umfaßt die Schaltungs-

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anordnung nach der Erfindung für jeden als Schalter dienenden Transistor eine Schwellwertschaltung, die das Sperren dieses Transistors auslöst, sobald die Spannung am Eingang dieser Schwellwertschaltung einen voreingestellten Wert erreicht. Im dargestellten Beispiel der Fig.4 sind den vier Transistoren 7, 8, 9j 10 vier Schwellwertschaltungen 52, 53, 5^» 55 zugeordnet. Ihre Ausgänge 56, 57, 58, 59 sind mit den jeweiligen Eingängen 27, 28, 29, 30 der Kippschaltungen 15, 16, 17, 18 verbunden, während ihre Eingänge 60, 61, 62, 63 jeweils mit den Verbindungspunkten CH, 65, 66, 67 der Emitter der Transistoren 7, 8, 9, 10 und der Widerstände 68, 69, 70, 71 verbunden sind. Die Eingänge 60, 61, 62, 63 der Schwellwertschaltungen 52, 53, 5¹*, 55 erhalten somit .Spannungen, die von den die Transistoren 7, 8, 9, 10 durchfließenden Strömen abhängen. Sobald eine dieser Spannungen den voreingestellten Schwellwert der Schwellwertschaltungen überschreitet, gibt die Schwellwertschaltung, die diese Spannung an ihrem Eingang erhält, an ihrem Ausgang einen Impuls ab, der die zugehörige Kippschaltung in den Zustand "0" kippt und demzufolge den entsprechenden Transistor sperrt. Dieser Transistor ist somit gegen unzulässige überströme geschützt. Der betreffende Transistor wird zu Beginn des folgenden Zyklus erneut leitend, d.h. sobald die zugeordnete Kippschaltung einen Schließimpuls erhält und in den Zustand "1" übergeht.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist die Stromversorgung eines Gleichstrom-Antriebsmotors insbesondere desjenigen eines Schienen- oder Straßenelektrofahrzeuges. Die Schaltungsanordnung gestattet die Erzielung einer Verbesserung des Formfaktors der dem Motor zugeführten Ströme, eine erhebliche Verminderung der Wärmeverluste und eine bessere Ausnützung der elektrischen Spannungsquelle. Da die Energieentnahme aus der elektrischen Spannungsquelle nicht mehr

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stoßweise erfolgt wie'bei den bekannten Speiseschaltungen, sondern zeitlich gestaffelt, sind die Verluste durch Leitung und Strahlung geringer. Außerdem sind die die Schalter bildenden Transistoren wirksam gegen unzulässige überströme geschützt.

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Claims

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PAT £N1 AiMAU \z

D»G·'RiCH LiIWi ^;S;sY

HhIHZ-A^\^n.r1^L^ .fjj. 4. April 1975

8274-IV/K !Π - Ragonot

Patentansprüche:

ι l) Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines Verbrauchers, mit einerseits einer Gleichspannungsquelle, η parallelen Schalteinheiten, deren jede aus einem als Schalter dienenden Transistor und einer mit diesem in Serie liegenden Induktivität besteht und die zwischen einem Anschluß der Spannungsquelle und einem Anschluß des Verbrauchers liegen, während der zweite Anschluß der Spannungsquelle mit dem zweiten Anschluß des Verbrauchers verbunden ist und η Dioden vorgesehen sind, von denen jede eine Induktivität und den Verbraucher überbrückt, und mit andererseits einer Steuerschaltung für das öffnen und Schließen dieser η Schalter, die jeden der Schalter mit einer zeitlichen Verschiebung von Schalter zu Schalter periodisch leitend und nichtleitend macht, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung für die η Schalter wenigstens drei Steuersignalgeneratoren umfaßt, nämlich einen Generator (3D für die zumindest mit Sägezahnsignalen der Periode T gebildeten Schließsignale, einen Generator (44) für die Öffnungssignale, bestehend aus Sägezahnsignalen, die die gleiche Steigung und die gleiche Periode T wie die Schließ-Sägezahnsignale haben, jedoch gegenüber diesen um eine Zeit t verzögert sind und einen Generator (35) zur Erzeugung von Impulsen der Periode T, die um eine Zeit t in bezug auf die Schließsignale verzögert sind (sogenannte verzögerte Impulse) und den Generator (44) für die Öffnungssignale steuern.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (3D für die Schließsignale zwei Ausgänge

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aufweist und an seinem einen Ausgang (32) sog. Pilotimpulse der Periode T und an seinem anderen Ausgang (33) synchrone Sägezahnsignale derselben Periode T und der Amplitude V abgibt .

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (35) zur Erzeugung der verzögerten Impulse erstens zwei Eingänge aufweist, an deren einem (3*0 Pilotimpulse der Periode T anliegen, die von dem Generator (3D für die Schließsignale kommen, und den Generator (35) für die verzögerten Impulse periodisch sperren, und an deren anderem' Eingang (36) entweder zu den Pilotimpulsen synchrone Entsperrsignale oder Sperrsignale anliegen, und daß der Generator (35) zweitens einen Ausgang (37)» der in bezug auf die Entsperrsignale um eine Zeit t verzögerte Impulse liefert und drittens ein Potentiometer (38) zur Einstellung der Verzögerungszeit t besitzt.

Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 3, in welcher jeder der η Schalter mit dem Ausgang einer bistabilen Kippschaltung verbunden ist, in deren Zustand "1" der Schalter geschlossen und leitend und in deren Zustand "0" der Schalter offen und gesperrt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einerseits eine elektrische Verbindung zwischen dem einen der zwei Eingänge der dem ersten der η Schalter zugeordneten Kippschaltung (15) und dem Ausgang (37) des Generators (35) für die verzögerten Impulse, die die Kippschaltung in den Zustand "Q" kippen, und zwischen dem anderen der zwei Eingänge und dem Ausgang (32) für die Pilotimpulse des Generators (3D, die die Kippschaltung in den Zustand "1" kippen, besitzt und andererseits für jede der n-1 Kippschaltungen für die übrigen n-1 Schalter zwei Schwellwert schalt ungs anordnungen umfaßt, deren eine den Generator (31)

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■al·.·

für die Schließ-Sägezahnsignale mit dem jeweils ersten Eingang (24, 25» 26) der betreffenden Kippschaltung, der diese in den Zustand "1" zu überführen bestimmt ist, verbindet, und deren andere den Generator (44) für die Öffnungs-Sägezahnsigna-Ie mit dem jeweils zweiten Eingang (28, 29» 3o) der betreffenden Kippschaltung, der diese in den Zustand "0" zu überführen bestimmt ist, verbindet.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils einer der Kippschaltungen für einen der n-1 Schalter zugeordneten zwei Schwellwertschaltungsanordnungen den gleichen Schwellwert besitzen und daß der Schwellwert des ersten der n-1 Schwellwertschaltungsanordnungspaare auf einen Wert - der Spannungsamplitude V der Schließ-Sägezahnsignale

und der Schwellwert des letzten Paares auf einen Wert

dieser Spannungsamplitude V eingestellt ist und der Unterschied zwischen den Schwellwerten aufeinanderfolgender der n-1 Sc]
trägt.

n-1 Schwellwertschaltungsanordnungen gleichbleibend - be-

Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Generator (44) für die Öffnungs-Säge zahnsignale eine Schwellwertschaltung (51) nachgeschaltet ist, deren Schaltschwelle ^- der Spannungsamplitude V der Schließsignale ist und daß dem gleichen Generator (44) eine Kippschaltung (39) vorgeschaltet ist, deren Ausgang (40) mit dem Eingang (43) dieses Generators (44) verbunden ist, und deren einer Eingang (41) die verzögerten Impulse erhält, die die Kippschaltung in den Zustand "1" kippen um den Generator (44) anlaufen zu lassen und deren anderer Eingang (42) die Impulse der Schwellwertschaltung (51) erhält, die die Kippschaltung (39) in den Zustand "0" bringen um den Generator (44) für die Öffnungssignale stillzusetzen.

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-A -

•Of* ·

7·' Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung für jeden der den Schalter bildenden Transistoren eine Schwellwertschaltung (52, 53, 54, 55) enthält, deren Eingang mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Emitter und einem Widerstand (68, 69, 70, 71) verbunden ist und deren Ausgang mit demjenigen Eingang der zugehörigen Kippschaltungsanordnung verbunden ist, der beim Auftreten der Schwellwertspannung diesen Transistor sperrt, wobei der Schwellwert der"Schwellwertschaltung auf den maximal zulässigen Strom durch den Transistor eingestellt ist.

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