DE2516552B2

DE2516552B2 - Nutzbremssteuersystem fur einen Gleichstromreihenanschlußmotor

Info

Publication number: DE2516552B2
Application number: DE2516552A
Authority: DE
Inventors: Toru Higuchi; Hiroshi Narita; Takashi Tsuboi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-04-17
Filing date: 1975-04-16
Publication date: 1978-09-28
Also published as: FR2269817B1; US3983465A; DE2516552A1; SE408000B; FR2269817A1; CA1021393A; SE7504376L

Description

Widerstandes mit zunehmender Geschwindigkeit, bei der die Nutzbremsung bewirkt werden soll, zunehmend vergrößert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nutzbremssteuersystem für einen Gleichstrommotor mit hohem Nutzbremswirkungsgrad zu schaffen und eine ausreichende Bremskraft auch bei Motorgeschwindigkeiten zu gewährleisten, die über der Nenngeschwindigkeit liegen, und zwar selbst dann, wenn der in Reihe zum Motor geschaltete Widerstand zum Zeitpunkt der Nutzbremsung eine nur kleine Kapazität aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Nutzbremssteuersystem der gattungsgemäßen Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 getöst.

Das erfindungsgemäße Nutzbremssteuersystem unterscheidet sich von dem in der älteren, nicht zum Stand der Technik gehörenden DE-AS 24 48 646 vorgeschlagenen, bei dem mit der Schalteinrichtung zur Steuerung des Widerstandes nach dem Kurzschließen eines Widerstandsabschnittes der Arbeitszyklus des Zerhakkers auf einen zulässigen Minimalwert gebracht wird, hauptsächlich durch die zusätzliche Verwendung eines Feldreglers.

Die wichtigsten Elemente der Anlage der Erfindung sind also eine Reihenschaltung, in der eine Glättungsdrossel in Reihe mit der Gleichstromquelle, ein Gleichstrommotor mit in Reihe geschaltetem Anker und geschalteter Feldwicklung sowie ein Widerstand liegen. Parallel zu dieser Reihenschaltung liegt ein Zerhacker. Zwischen die Gleichstromquelle und den die Reihenschaltung und den Zerhacker umfassenden Parallelkreis ist eine Diode geschaltet. Für die Auslösung der Nutzbremsung wird der Zerhacker ein- und ausgeschaltet. Die Verbesserung dieser Konzeption wird durch einen Feldregler zum Regeln des Erregerfeldes und einen Widerstandsregler zur Regelung des Widerstandswertes des in der Reihenschaltung liegenden Widerstandos bewirkt, wobei die Nutzbremsung durch die kombinierte Anwendung des Feldreglers und des Widerstandsreglers herbeigeführt wird.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Nutzbremssteuersystems sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die wesentlichen Elemente einer Schaltung nach dem Stand der Technik,

Fig.2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik,

F i g. 3 Kennlinien zur Erklärung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach dem Stand der Technik,

F i g. 4 die wesentlichen Elemente eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig.5 ein Blockschaltbild der in Fig.4 gezeigten Steueranlage,

F i g. 6 Betriebskennlinien der in F i g. 4 gezeigten Steuerung,

Fig.7 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels der in F i g. 4 gezeigten Steuerung,

F i g. 8 Betriebskennlinien der in F i g. 7 gezeigten Steuerung,

Fig.9 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der in F i g. 4 gezeigten Steuerung,

Fig. 10 die Betriebskennlinien des in Fig.9 gezeigten Ausführungsbeispiels,

F i g. 11 ein weiteres Ausführungsbeisniel des Feldreglers und des Widerstandsreglers der Erfindung,

Fig. 12a bis 12c die Eingangs- und Ausgangskennlinien des im Ausführungsbeispiel der F i g. 11 verwendeten Funktionsgenerators,

-, Fig. 13 die wichtigsten Elemente eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 14 die Betriebskennlinien der in Fig. 13 gezeigten Schaltung,

Fig. 15 die wichtigsten Elemente eines weiteren ι (i Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 16 ein Blockschaltbild der Steuervorrichtung aus Fig. 15,

Fig. 17 ein Impulsdiagramm zur Verdeutlichung der Betriebsweise der in F i g. 16 gezeigten Steuerung,
ι·-, Fig. 18 Impulsdiagramme der in Fig. 17 gezeigten Art,

Fig. 19 die wesentlichen Elemente einer gegenüber dem in Fig. 15 gezeigten Ausführungsbeispiel modifizierten Schaltung,

_>o Fig.20 ein Blockschaltbild der in der in Fig. 19 gezeigten Vorrichtung verwendeten Steuerung,

Fig.21 Impulsdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der in F i g. 20 gezeigten Steuerung,

Fig.22 Impulsdiagramme der in Fig.21 gezeigten >■> Art,

Fig.23 ein Schaltbild einer Modifizierung der in F i g. 13 gezeigten Schaltung,

Fig. 24a eine weitere Modifizierung des in Fig. 13 gezeigten Ausführungsbeispiels und
ίο Fig.24b eine weitere Modifikation des in Fig. 13 gezeigten Ausführungsbeispiels.

In der F i g. 1 ist die bekannte Schaltung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges dargestellt, dessen Motor über einen Scherenstromabnehmer Paus einem j-) Fahrdraht L gespeist wird. Der Gleichstrommotor hat den Anker M und die Feldwicklung F. In Reihe zum Anker M und zur Feldwicklung F liegen eine Glättungsdrossel MSL und ein Widerstand R. Die Schaltung enthält weiterhin den Zerhacker CH und eine 4(i Diode Ds, um eine Motorstromumkehr bei eingeschaltetem Zerhacker aus dem Fahrdraht L zur Erde zu unterbinden und um den Motorstrom zum Fahrdraht bei ausgeschaltetem Zerhacker zurückzuleiten. Der Widerstand R kann über die Schalter RS₁, RS₂ RS_n

4) stufenweise kurzgeschaltet werden. Die Schaltung enthält außerdem eine Drossel Lf sowie einen Kondensator Cf, die einen Filter bilden.

Zum Nutzbremsen wird in der in F i g. 1 gezeigten Schaltung zunächst der Zerhacker CH eingeschaltet. ίο Dabei wird der den Motor, die Glättungsdrossel MSL und den Widerstand R enthaltende Reihenschaltungskreis kurzgeschlossen. Die Energie wird in zunehmendem Maße über den Motorstrom Im in der Glättungsdrossel MSL aufgenommen. Nach dem Abschalten des •>5 Zerhackers veranlaßt mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung die Glättungsdrossel MSL einen Rückfluß des Motorstromes Im zum Fahrdraht L in Form eines Rückkopplungsstromes Is. Der Motorstrom Im wird zu dieser Zeit durch die Zeitkonstante der Motorspannung bo Em und der Fahrdrahtspannung Es vermindert. Zu Beginn des Nutzbremsvorganges sind alle Schalter RS\, ...,RS_n of fen.

In der F i g. 2 ist anhand eines Blockschaltbildes der Steuerungsvorrichtung nach F i g. 1 die Wirkungsweise b5 und das Regelprinzip des Widerstandes R gezeigt.

Im Komparator 1 wird der Sollstromwert I_P des Motors mit dem Istwert des Motorstromes I_M verglichen. Mittels des Phasenschiebers 2 wird der

Arbeitszyklus γ nach Maßgabe des am Komparator 1 auftretenden Ausgangssignals festgelegt. Im Detektor 3 wird der Arbeitszyklus des Zerhackers CH unter Ansteuerung durch das am Ausgang des Komparators 1 auftretende Signal ermittelt. Nach Maßgabe der ·-> Iststromabweichung von der Sollstromabweichung stellt der Phasenschieber 2 den Arbeitszyklus γ des Zerhackers CH fest. Wenn der Motorstrom Im kleiner als der Sollstrom //■ ist, wird der Arbeitszyklus γ erhöht. Die Beaufschlagungsperiode des Zerhackers CH wird in also verlängert, wodurch auch der Motorstrom Im erhöht wird.

Selbst wenn also eine Herabsetzung der Motorspannung f/wbei der Verlangsamung des Motorumlaufes den Motorstrom Im erniedrigt, kann der Arbeitszyklus γ ii verlängert werden, so daß eine Bremswirkung bei Konstanthaltung des Motorstromes Im erfolgen kann.

Nach Erreichen eines bestimmten oberen Grenzwertes des Arbeitszyklus γ entscheidet der Detektor 3, daß die Beaufschlagungsphase des Zerhackers CH nicht weiter verlängert werden darf. Wenn der Detektor 3 das Erreichen dieses oberen Grenzwertes des Arbeitszyklus γ feststellt, wird der Schalter RS\ geschlossen, so daß der Widerstandswert des Widerstandes R verringert wird.

Mit abnehmendem Widerstandswert am Widerstand r> R nimmt der Motorstrom Im zu. Infolgedessen wird der Arbeitszyklus γ erneut so weit verkürzt, daß der Motorstrom Im gleich dem durch Steuerbefehl vorgegebenen Sollwert des Stromes /pist.

Anschließend werden dann analoge Vorgänge mit κι Schließen der Schalter RS₂ RS_n für die Durchführung der Nutzbremsung vorgenommen.

Bei dem zuvor beschriebenen Nutzbremssystem ist ein Abbremsen aus über der Nenngeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeiten dadurch ermöglicht, daß r> man den Widerstand Äin Reihe zum Gleichstrommotor schaltet. Der einfachere Fall, daß lediglich das Ein- und Ausschalten des Zerhackers CHzur Bremsung herangezogen wird, ist anhand der folgenden Gleichungen näher beschrieben.

Die Spannung über den Zerhacker CH (Fig. 1) betrage Ech- Die Motorspannung sei Em und der Motorstrom Im- Der Gesamtwiderstand der Schaltung einschließlich des inneren Widerstandes des Motors sei R. Es gilt also:

.w — Ecu +

(D

E_u = Φ (/,,) V,

(3)

4)

Daraus ergibt sich für die Zerhackerspannung:
E₁;, = E_s (1- _r). (2)

Dabei ist Es die Leitungsspannung des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges und γ der Arbeitszyklus des Zerhackers CH.

Die Zerhackerspannung Ech kann also kontinuierlich im Bereich von 0<Ech<Es durch Regelung des Arbeitszyklus γ des Zerhackers CH im Bereich von 0<y< 1 verändert werden.

Die Gleichung 2 zeigt also, daß selbst beim Einsatz t,o eines idealen Zerhackers, dessen Arbeitszyklus γ im Bereich von Null bis Eins veränderbar ist, die Zerhackerspannung Ech nur bis zur Grenze der Fahrdrahtspannung Es erhöht werden kann.

Auf der anderen Seite ist die Motorspannung b5

Feldes und V die Geschwindigkeit des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges sind.
Die Bremskraft ßfist bekannterweise gegeben als

IiE = Φ (I,-) Iμ·

Daraus ergibt sich für die Geschwindigkeit V, wenn Ir= Im ist

V =

/'s(I -/l-l-R/.,,
Φ Um)"""

Die Gleichung 5 zeigt, daß zur Erhöhung de Geschwindigkeit V der Arbeitszyklus γ zu vermindern ist. Da aber selbst beim idealen Zerhacker der kleinst Arbeitszyklus Null ist, ist die höchste Geschwindigkeit bei der eine elektrische Nutzbremsung möglich ist kleiner als die Nenngeschwindigkeit, wenn der Ankerstrom Im gleich dem Nennstrom ist. Folglich ist de Ankerstrom Im kleiner als der Nennstrom und fällt die Bremskraft bei Geschwindigkeiten über der Nennge schwindigkeit ab.

Beim Zuschalten des Widerstandes R ist die Motorspannung /Twdagegen

hi = £<■// + (Kn + Rn) Im .

wobei Ir der Feldstrom, Φ der magnetische Fluß des wobei Rb der Widerstandswert des Widerstandes R und Ro der innere Widerstand des Motorkreises ist.

Dadurch daß der Spannungsabfall über den Wider stand R die Spannungsdifferenz Em— Ecu aufnimmt, kann eine elektrische Bremsung auch bei deutlich über der Nenngeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeiten bewirkt werden.

Je größer der Wert des Widerstandes R ist, desto größer ist der Spannungsabfall über diesen Widerstand. Dadurch wird die Grenze der Höchstgeschwindigkeit, aus der eine Nutzbremsung erfolgen kann, erhöht. Dieser Vorteil wird jedoch durch den erhöhten elektrischen Leistungsverbrauch erkauft. Der Wir kungsgrad der Nutzbremsung wird also spürbar verringert. Ein weiterer Nachteil dieser Maßnahme lieg darin, daß ein Widerstand mit großer Kapazitä entsprechend dem Geschwindigkeitsmaximum für die Nutzbremsung erforderlich ist. Diese Verhältnisse sind im Zusammenhang mit der F i g. 3 näher beschrieben.

Wirksamer Bestandteil der Bremsung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges sind die Reibungskräfte zwischen den Rädern des Fahrzeuges und dei Lauffläche, bei einem Schienenfahrzeug also beispiels weise die Reibungskräfte zwischen den Rädern und der Schienen. Diese Reibungskräfte sind für die wirksamer Bremskräfte entscheidend. Die Reibungskräfte weiser jedoch einen Grenzwert auf, der als Adhäsionsgrenzt bezeichnet wird. Die Adhäsionsgrenze ist eine Funktior des Reibungskoeffizienten μ und des Achsgewichtes VV Die Adhäsionsgrenze nimmt in der in F i g. 3 inDiagramm a gezeigten Weise mit zunehmende Geschwindigkeit ab. Wenn eine Bremskraft erzeug wird, die größer als die Adhäsionskraft der Räder au der Lauffläche ist, beginnen die Räder zu gleiten, so dal keine wirksame Bremsung erzielt werden kann. Es is daher von entscheidender Bedeutung, die Bremskraf allmählich mit zunehmender Geschwindigkeit zu ver kleinern. Die Bremskraft B muß also in der in den Diagramm a der F i g. 3 gezeigten Weise etwa entlanj der unterbrochen gezeichneten Kurve B verringer werden. Die im Diagramm a der F i g. 3 gezeigte

Bremskraftkennlinie zeigt den Brcmskraftbcrcich fli bis Bi, dessen Lage und Ausdehnung sich nach dem erwünschten Bremsweg und dem Reisekomfort ergeben. Oberhalb des Punktes H< wird die Bremskraft durch die Adhäsionsgrenze bzw. durch die Haftung der Fahrzeugräder auf der Lauffläche bestimmt. In dem Diagramm b der Fig.3 ist die Brcmskennlinic eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges mit relativ geringer Geschwindigkeit dargestellt. Der Bereich der durch die Haftgrenze bestimmten Bremskraftfunktion ist relativ schmal. Der Motorstrom Im ist in der im Diagramm b der F i g. 3 durch eine unterbrochene Linie dargestellten Weise durch den Motorstrom Im steuerbar. Der Nulzbremsstrom Is ist durch eine ausgezogen dargestellte Linie veranschaulicht. Die Unstctigkeiten im Verlauf des Stromes Is, seine Stufigkeil, ist auf die aufeinanderfolgende Schaltung des Widerstandes R, der stufenweise kurzgeschlossen wird, zurückzuführen. Im Bereich Null bis P (Diagramm b in Fig.3) ist die Motorspannung Em kleiner als die Fahrdrahtspannung Es. Der Widerstand R ist vollständig überbrückt. Die Steuerungswirkung wird ausschließlich durch die vom Zerhacker CH bewirkte Regulierung herbeigeführt. Dagegen wird im Geschwindigkeitsbereich oberhalb des Punktes Pder Widersland R zugeschaltet und der Motorstrom nach Maßgabe der Haftgrenze durch Betätigen der Schalter RS\ RS_n und des Arbeitszyklus des Zerhackers CH in der zuvor beschriebenen Weise geregell. Im allgemeinen entspricht die Geschwindigkeit am Punkt Pder Nenngeschwindigkeit des Motors. Die Geschwindigkeit im Punkt P wird gebräuchlicherweise auf einen Wert von etwa 30 bis 50% der Höchstgeschwindigkeit eingestellt.

Im Diagramm eder Fig. 3 ist der Fall gezeigt,daß das elektrisch angetriebene Fahrzeug aus einer relativ hohen Geschwindigkeit abgebremst wird. Der Punkt P nähert sich der Adhäsionsgrenze an und kann in manchen Fällen sogar bereits in dem Bremsbereich liegen, der durch die Haftung des Fahrzeuges auf der Lauffläche bestimmt ist.

In dem Bereich, in dem die Bremskraft durch die Adhäsionsgrenze beeinflußt ist, muß der Motorstrom hi also verringert werden. Der Nutzbremsstrom /.yist also

so daß also auch die Nutzbrcmsleistung EsIs verkleinert ist. Die Abnahme dieser Rückkopplungsnutzkraft führt zu einer Erhöhung des Anteils der vom Widerstand R aufgenommenen Gesamtleistung EmIm, die vom Motor aufgebracht wird. Damit wird der Wirkungsgrad der Nutzbremsung verringert. Außerdem werden Widerstände mit größeren Kapazitäten benötigt.

Der grundlegende Erfindungsgedanke liegt angesichts dieser Sachlage nun darin, daß man zur Regelung der Nutzbremsung eines Gleichstrommotors nicht nur den Widerstandswert eines in Reihe zum Motor geschalteten Widerstandes verändert, sondern gleichzeitig den Feldstrom der Feldwicklung des Motors regelt, wodurch einerseits der Wirkungsgrad der Leistungsrückkopplung für die Nutzbremsung verbessert wird und andererseits gleichzeitig ein Widerstand kleinerer Kapazität eingesetzt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden beschrieben.

In Fig.4 ist ein Schaltplan dargestellt, der den Hauptschaltkreis eines Ausführungsbeispicls der Erfindung zeigt. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 gezeigten Schaltkreis enthält die in Fig.4 gezeigte Schaltung einen zur Feldwicklung F parallclgeschaltcten Widerstand FR mit den Schaltern FSi FS_n. Mittels dieses

Nebenkreises kann der in der Feldwirkung Ffließende ^r, Strom geregelt werden. Die übrigen in der Fig.4 gezeigten Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 versehen und haben gleiche Bedeutung. Durch den in Fig.4 gezeigten Nebenkreis wird der Motorstrom Im in einen in der Feldwicklung F

ίο und einen im Nebenkrciswidcrstand FR fließenden Anteil geteilt. Auf diese Weise wird der in der Feldwicklung Ffließende Feldstrom //durch fortschreitendes Durchschalten der Schalter FSi bis FS2 geregelt, da durch diese Schaltvorgängc der Widerstandswert des

π Nebenkreiswiderstandes FR variabel einstellbar ist.

In der Fig. 5 ist ein Schaltwerk zur Steuerung des

Betriebes der Schalter FSt FS_n und der Schaller RS₁,

..., RS_n dargestellt. In einem ersten Komparator FC wird ein Öffnungssignal für die Feldschalter FSi,..., FS_n erzeugt, wenn die Motorspannung unter einen bestimmten Grenzwert fällt, der unterhalb der Summe der Fahrdrahtspannung Fv und des Spannungsabfalls über den Widerstand R liegt, der also öffnet, wenn die Differenz dieser Spannungssumme zur Motorspannung

>-, einen ersten gesetzten Grenzwert überschreitet. Ein zweiter Spannungskomparator /geliefert ein Öffnungssignal für die Schalter RSt,..., RS_n, wenn die mittlere Spannung am Zerhacker CH um einen zweiten vorgegebenen Toleranzwert kleiner als die Fahrdraht-

j(i spannung Es wird. Die Stellrelais RYt RYb dienen

zum Stellen der Schalter FSi FS_n und RSi,..., RS_n.

Die Reihenfolge der Zuschaltung der einzelnen Schalter

wird durch eine Folge von UND-Gliedern AND2

ANDb festgelegt. Wenn jeder in der Schalterfolge vor

η einem bestimmten Schalter, dem ein bestimmtes UND-Glied zugeordnet ist, im jeweils vorgegebenen Schaltzustand Geöffnet oder Geschlossen vorliegt und in diesem Zustand gleichzeitig am Ausgang eines der Spannungskomparatoren FC oder RC ein Öffnungssigiiai oder entsprechend ein Durchschaltsignal auftritt, wird dann vom jeweils zugeordneten UND-Glied der

Kette AND2 ANDb auf den jeweiligen Schalter das

entsprechende Stellsignal geprägt.

Die Funktion der in F i g. 5 gezeigten Schaltung ist (7) 4i anhand der in Fig.6 gezeigten Bremskennlinien näher beschrieben. Vor dem Beginn der Nutzbremsung sind alle Schalter FSi, · · ·, FS_n geschlossen, während alle Schalter RSt,..., RS_n geöffnet sind. Die Nutzbremsphase setze bei einer höchsten Geschwindigkeit ein, die etwas über der Geschwindigkeit Vi liege. Der Arbeitszyklus γ des Zerhackers CH wird durch ein in den Figuren nicht dargestelltes Stromsteuerungssystem geregelt. Der Motorstrom Im wird dabei konstant gehalten. Zu diesem Zeitpunkt liegt der Feldstrom Ir, wie aus dem Diagramm a der F i g. 6 ersichtlich, auf seinem Minimum. Das von der Wicklung aufgebaute Magnetfeld liegt also im schwächsten Zustand vor. Der Rückkopplungsstrom Is und die Motorspannung Em werden dagegen in der aus den Diagrammen 6 und eder

ho F i g. 6 ersichtlichen Weise mit zunehmender Abbremsung verkleinert. Mit Abnahme der Motorspannung Em wird der Arbeitszyklus γ erhöht, und zwar in der Weise, daß das in der Gleichung 2 beschriebene Spannungsgleichgewicht aufrechterhalten wird.

b5 Selbst wenn die Geschwindigkeit Vi erreicht ist und die Motorspannung Em so weit verkleinert ist, daß der Feldschalter FSi geöffnet ist und dadurch eine Verstärkung des Magnetfeldes bewirkt, bleibt noch

immer die Beziehung Em<Es+ RIm erfüllt. Wenn die Spannungsdifferenz bzw. der Grad der Ungleichung den ersten gesetzten Grenz- bzw. Toleranzwert überschreitet, wird dies also am Spannungskomparator FC ermittelt. Am Ausgang des Spannungskomparators FC -> tritt ein Öffnungssignal auf, das das Stellrelais RY\ beaufschlagt, wodurch der Feldschalter FSi geöffnet wird. Durch dieses öffnen wiederum wird der Feldstrom //•in der im Diagramm ader Fig.6gezeigten Weise um eine Stufe erhöht, während gleichzeitig die Motorspan- i<> nung Em in der im Diagramm c- der F i g. 6 gezeigten Weise ansteigt. Auch der Motorstrom Im wird dabei erhöht. Infolgedessen wird der Arbeitszyklus γ über ein in den Figuren nicht dargestelltes Stromreglersystem in der Weise verkleinert, daß die Zerhackerspannung Ecu r> zusammen mit der Motorspannung Em erhöht wird, so daß der Motorstrom Im konstant gehalten wird. Außerdem wird der Rückkopplungsstrom Is in der im Diagramm b der F i g. 6 gezeigten Weise erhöht, so daß die Rückkopplungsnutzleistung Ps ebenfalls erhöht _>(> wird.

Wenn die Geschwindigkeit dann bis auf den Wert V₂ abgenommen hat, tritt am Ausgang des Spannungskomparators FC wiederum ein Öffnungssignal auf. Durch dieses Öffnungssignal tritt am Ausgang des UND-Glie- _>> des AND₂ ebenfalls ein Signal auf, da am Ausgang des Relais RY\ ein den Schaltzustand des Relais anzeigendes Signal auftritt. Das am Ausgang des UND-Gliedes AND₂ auftretende Signal betätigt das Relais RY₂. Dadurch wird der Feldschalter FS2 geöffnet. In analoger m Weise wird dann anschließend das Feld stufenweise weiter verstärkt, wobei die aufgebrachte Bremskraft also stufenweise jeweils bei den Geschwindigkeiten Vi, V2 und V3 in der im Diagramm d der F i g. 6 gezeigten Weise erhöht wird. r>

Bei Geschwindigkeiten unterhalb Vi wird die Zerhackerspannung Ecu mit der Fahrdrahtspannung Es im Spannungskomparator RC verglichen. Unter Steuerung durch den Komparator RC werden dann die Schalter RS\,..., AS_n aufeinanderfolgend geschlossen, wobei das -to Gleichgewicht der Spannungen gemäß Gleichung 2 dadurch aufrechterhalten wird, daß man den Arbeitszyklus des Zerhackers CH selbst dann regelt, wenn eine Stufe des Widerstandes R überbrückt ist. Es wird also für die Einhaltung der Beziehung 4i

(E_x — Ecu) > I RI\t (H)

Sorge getragen, wobei in dieser Gleichung AR der überbrückte Widerstandsabschnitt bzw. die überbrückte -,0 Widerstandsstufe ist.

Wie zuvor bereits kurz erwähnt, wird die im Diagramm d der Fig.6 dargestellte Bremskennlinie durch die kombinierte Feld- und Widerstandsregelung erhalten. Die Bremskraft kann also der Adhäsionsgren- τ> ze bzw. der Grenze der Fahrzeughaftung auf der Lauffläche entsprechend geregelt werden, ohne daß der Motorstrom Im und entsprechend der rückgekoppelte Nutzstrom Is verkleinert zu werden brauchen, ohne daß also eine Verkleinerung der Nutzbremskraft Ps in Kauf wi genommen zu werden braucht. In dem in den Diagrammen der F i g. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Konstanthaltung des Motorstromes Im zugrunde gelegt. Alternativ kann der Motorstrom /«jedoch auch nach einem vorgegebenen Programm erhöht oder μ erniedrigt werden, und zwar als Funktion der Geschwindigkeit nach Maßgabe der erforderlichen oder gewünschten Bremskraftkennlinie, wodurch ein für alle beliebigen Fälle anpaßbares Bremsverhalten einstellbar ist.

In dem in Fig. 5 gezeigten Allsführungsbeispiel wird beim Einsetzen der Bremsung bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten zunächst die Feldregelung und erst anschließend die Widerstandsregelung eingesetzt. Die Geschwindigkeit Vb (Fig. 6), hei der der Widerstand vollkommen überbrückt ist, liegt bereits im Bereich der konstanten Bremskraft. Diese Art der Bremsregelung wird vorzugsweise für elektrisch angetriebene Fahrzeuge verwendet, die relativ langsam fahren und Bremslinien der im Diagramm b der Fig. 3 gezeigten Art aufweisen.

Ein abgewandeltes Steuersystem zur Bremsregelung der Erfindung ist im Blockschallbild der F i g. 7 gezeigt. Diese Bremsregelung wird vorzugsweise zum Abbremsen elektrisch angetriebener Fahrzeuge eingesetzt, die vergleichsweise hohe Geschwindigkeiten erreichen und einen breiten, von der Grenzhaftung auf der Lauffläche beeinflußten Geschwindigkeitsbereich besitzen. Die in Fig. 7 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente wie im Zusammenhang mit der Fig. 5 beschrieben. Der in Fig. 7 gezeigte Spannungskomparator RC steuert die schrittweise Überbrückung des Widerstandes und vergleicht die Zerhackerspannung Ecu und die Fahrdrahtspannung Es miteinander. Wenn die Zerhackerspannung Ecu unter einen bestimmten Toleranzgrenzwert unter der Fahrdrahtspannung Es abfällt, die Differenz der Fahrdrahtspannung und der Zerhackerspannung also einen bestimmten gesetzten zweiten Grenzwert überschreitet, werden die Schalter

RS , RS_n der Reihe nach geschlossen. Danach wird

am Komparator FC ermittelt, daß die Motorspannung Em um mehr als den ersten gesetzten Grenz- oder Toleranzwert unter die Fahrdrahtspannung Es gesenk! worden ist. Dabei werden dann jeweils die Schalter FSi, ..., FS_n zur Verstärkung des Magnetfeldes der Reihe nach geöffnet. Wenn man den Motorstrom Im konstant hält, werden mit der in F i g. 7 gezeigten Schaltung die in den Diagrammen der F i g. 8 gezeigten Bremskennlinien erhalten. Die Bremskraft B wird also bei einem vergleichsweise niedrigen Geschwindigkeitspunkt in der im Diagramm c der F i g. 8 gezeigten Weise erniedrigt. Durch diese Maßnahme werden Bremskennlinien erhalten, die ein Abbremsen elektrisch angetriebener Fahrzeuge mit hohen Höchstgeschwindigkeiten (Diagramm ein F i g. 3) ermöglichen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Blockschaltbild der Fig.9 gezeigt. Die Feldregelung und die Widerstandsregelung werden alternierend vorgenommen. Die in F i g. 9 verwendeten Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie im Zusammenhang mit den vorhergehenden Figuren beschrieben. Die in F i g. 9 gezeigte Anlage ist dadurch gekennzeichnet,

daß die Schalter RS) RS_n alternierend mit den

Schaltern FS , FS_n geschaltet werden. Die entsprechenden Bremskennlinien für diese Schaltung sind in der Fig. 10 dargestellt. Es wird bei dieser Schaltung vor allem ein flacherer Verlauf der Bremskraft B erhalten als in den Bremskraftkennlinien der Fig.6 oder 8. Dadurch kann eine die Grenzhaftung berücksichtigende Bremskraftregelung erhalten werden.

Welches der zuvor beschriebenen Bremsregelungssysteme im Spezialfall zu wählen ist, hängt von der für das jeweilige elektrisch angetriebene Fahrzeug erforderlichen Ausbildung der Bremskraftkennlinie ab.

Außerdem können sowohl der Widerstand als auch das Feld statt in der zuvor beschriebenen stufenweisen

Art kontinuierlich geregelt werden. Ein Ausführungsbeispiel für eine solche kontinuierliche Regelung ist in Fig. Il dargestellt.

In dem in F i g. 11 dargestellten Blockschaltbild ist der Zerhacker RCH so ausgelegt, daß er an einem Widerstand R kontinuierlich einen äquivalenten Widerstandswert einregulieren kann. Entsprechend ist der Zerhacker FCH für eine kontinuierliche Regulierung des Feldstromes durch kontinuierliches Stellen des Widerstandes FR ausgelegt. Die Arbeitszyklen der Zerhacker RCH und FCH werden durch die Phasenschieber RPS und FPS geregelt. Die Regelfrequenz der Zerhacker RCH und FCH wird durch den Funktionsgenerator FG bestimmt, der seinerseits durch die Ausgangsspannung V₁- des Komparatorverstärkers AMP gesteuert wird. Der Komparatorverstärker AMP vergleicht den als Führungsgröße durch die Bremssteuerung vorgegebenen Sollwert des Motorstronies //> mit dem Ist-Motorstrom Im- Die aus dem Vergleich beider Ströme abgeleitete Spannungsdifferenz wird verstärkt und tritt als Ausgangssignal auf.

In den Fig. 12a, 12b und 12c sind typische Eingangsund Ausgangskennlinien für den Funktionsgenerator FG wiedergegeben. Im Falle des in Fig. 12a gezeigten Funktionsgenerators wird zunächst die Spannung Va eingestellt, wodurch der Arbeitszyklus des feldregelnd wirkenden Zerhackers FCH vergrößert wird, so daß das magnetische Feld F geschwächt wird. Wenn mit abnehmender Geschwindigkeit der Arbeitszyklus verkleinert und das magnetische Feld verstärkt werden, so daß die die Stromdifferenz bildende Spannung Vc erhöht wird, wird die Spannung V₁-1 nachgestellt, so daß der Arbeitszyklus des den Widerstand regelnden Zerhackers RCH vergrößert wird. Der äquivalente Widerstandswert des Widerstandes R wird also entsprechend verkleinert. Wie in dem in F i g. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird also von einer Feldregelung auf eine Widerstandsregelung übergegangen.

Wenn dagegen ein Funktionsgenerator FG mit der in F i g. 12b gezeigten Kennlinie eingesetzt wird, wird eine kontinuierliche Regelung erhalten, die der in Fig. 7 erläuterten Stufenregelung entspricht. Die in Fig.9 gezeigte Stufenregelung kann kontinuierlich durch den Einsatz eines Funktionsgenerators bewirkt werden, der die in Fig. 12c gezeigte Kennlinie aufweist.

Bei dieser kontinuierlichen Regelung ist es nicht unbedingt erforderlich, den Zerhacker CH zu regeln. Vielmehr kann der Arbeitszyklus des Zerhackers fest auf einen Minimalpegel im Bereich der Widerstandsoder Feldregelung eingestellt werden. Eine kontinuierliche Regelung kann dann auch mit den in den F i g. 6, 8 oder 10 gezeigten Schaltungen, also ohne Ausbildung der Sägezahnkurven, erhalten werden, so daß der Motorstrom Im im wesentlichen gleichmäßig verläuft. Dadurch kann zusätzlich eine weitere Erhöhung der rückgekoppelten Nutzbremsleistung /^erzielt werden.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist also, daß die Bremskraft, ohne auch den Rückkopplungsstrom zu verkleinern, verkleinert werden kann. Bei Verringerung der Bremskraft braucht also die Bremsnutzleistung auch im Bereich der hohen Geschwindigkeiten, in denen die Bremskraft begrenzt ist, nicht vermindert zu werden. Dies ermöglicht eine spürbare Verbesserung des Wirkungsgrades des Nutzbremseffektes. Außerdem ist der im zum Gleichstrommotor in Reihe geschalteten Widerstand verbrauchte Energieanteil spürbar kleiner, so daß die Größe des Widerstandes verkleinert werden kann. Für die technische Ausführung des Feldreglers ist weiterhin von Vorteil, daß in der Regel der üblicherweise zur Steuerung der Leistungsaufnahme eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges bereits vorhandene Feldregler, der für den Hochgeschwindigkeitsbereich vorgesehen ist, auch als Feldregler für die Bremsreglung verwendet werden kann, wobei lediglich einige zusätzliche Schalter zur Überbrückung des Widerstandes zusätzlich vorgesehen zu werden brauchen.

In den Fig.4 bis 12 sind Schaltungen gezeigt, in denen das Magnetfeld kontinuierlich oder stufenweise von schwachen bis zu starken Pegeln veränderlich ist. Im Gegensatz dazu ist das Magnetfeld in der in Fig. 13 gezeigten Ausbildung der Erfindung lediglich über einen einzigen Schalter FS und einen Nebenkreiswiderstand FR auf einen vorgegebenen festen niedrigen Pegel einstellbar. Bei dieser Vorrichtung wird zu Beginn der elektrischen Nutzbremsung der Schalter FS geschlossen, so daß das Magnetfeld auf einen niedrigen Wert gesetzt ist. Anschließend wird der Widerstand R

aufeinanderfolgend über die Schalter RS> RS₁, zur

Steuerung des Bremseffektes überbrückt.

Die Betriebskenndaten und die Funktionsweise des in Fig. 13 gezeigten Ausführungsbeispiels ist anhand der in Fig. 14 gezeigten graphischen Darstellung näher erläutert. In der Darstellung ist der Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit Vi und dem Motorslrom /λ» wiedergegeben.

Die Kurve A\ beschreibt den Schaltzustand, in dem der Schalter FS unter Einstellung des schwachen

Magnetfeldes geschlossen ist. Die Schalter RS RS_n

sind dabei alle geöffnet, so daß der gesamte Widerstand R eingeschaltet ist. Die Kurve Ai zeigt den Fall, daß der Schalter FS unter Einstellung des vollen Magnetfeldes geöffnet ist und die Schalter RSu..., RS_n ebenfalls alle geöffnet sind, so daß der Widerstand R vollkommen eingeschaltet ist. Die Kurve Ai beschreibt den Fall, bei dem der Schalter FS geschlossen ist, also das schwache Magnetfeld eingestellt ist, und der Schalter RS_n geschlossen ist, so daß der Widerstand R vollständig überbrückt ist. Die Kurve A^ zeigt schließlich den Fall, bei dem der Schalter FS unter Einstellung des starken Magnetfeldes geöffnet ist und der Schalter RS_n geschlossen ist, so daß der Widerstand R überbrückt ist.

Die Kennlinie A₄ zeigt also den Fall, bei dem die Nutzbremsung ausschließlich durch die Ein-Aus-Steuerung durch den Zerhacker CH bewirkt wird. Die Kennlinie A) beschreibt also den Fall, daß zusätzlich zur Ein-Aus-Steuerung durch den Zerhacker CH ein schwaches Magnetfeld zugeschaltet wird. Die Kennlinie Ai zeigt den Fall, der auch in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung verwirklicht ist, daß zusätzlich zur Ein-Aus-Steuerung durch den Zerhacker CH der in Serie geschaltete Widerstand geregelt wird. Die Kurve A\ zeigt schließlich die Kennlinie der Erfindung, bei der die Bremsung zusätzlich zur Ein-Aus-Steuerung durch den Zerhacker CH durch die Regelung sowohl des Widerstandes als auch des Magnetfeldes bewirkt wird.

Die Fig. 14 zeigt, daß zum Einsetzen einer Nutzbremsung bei einer Geschwindigkeit Vi ein Motorstrom Im2 erforderlich ist, der größer als der Motorstrom 4n ist, der bei vollem Magnetfeld, und nicht wie im Fall des Motorstromes Im2 bei abgeschwächtem Magnetfeld erforderlich ist. Wenn der Widerstand R kontinuierlich veränderbar ist, wird die Nutzbremsung von der Geschwindigkeit V₁ abwärts in der Weise durchgeführt, daß der Motorstrom Im auf der Linie g-h-j und der Nutzbremsstrom Is entlang der Linie e-h-o im Falle des

voll eingeschalteten Magnetfeldes verändert wird.

Wenn dagegen das schwache Magnetfeld eingeschaltet ist, wird der Molorstrom Im auf der Linie a-b-c und wird der rückgekoppelte Nutzstrom Is auf der Linie a-b-h-o verändert. Das führt dazu, daß der Rückkopp- ; lungsstrom As um die durch die Eckpunkte g-j-b-h definierte Fläche und dementsprechend auch die rückgekoppelte Brcmsleistung im Fall des schwachen Magnetfeldes größer sind als im Fall des voll eingeschalteten Magnetfeldes. m

Die zuvor beschriebene Erscheinung, daß die Nutzbremsung des Gleichstrommotors bei kombinierter Regelung des Widerstandes und des magnetischen Feldes nach der Erfindung zu einer größeren elektrisch nutzbaren Rückkopplungsleistung führt, ist im folgen- r, den näher erläutert.

Der Faktor der Feldabschwächung sei W, so daß die Motorspannung f.udurch die Gleichung

gegeben ist, wobei Φ(\νΐ^) der magnetische Fluß als Funktion des Feldabschwächungsfaktors W und des Motorstromes/λ,ist.

Die Geschwindigkeit Vist damit j->

Γ =

wobei Ro der innere Widerstand des Motorkreises ist. χι Die Bremskraft ß£fist damit

(II)

Die Gleichung 11 zeigt, daß durch eine Feldabschwä- r, chung, um den Faktor W, die gleiche Kraft erhältlich ist, die bei konstantem starken Magnetfeld durch eine Erhöhung des Motorstromes Im erhältlich ist. Es sei als Beispiel angenommen, daß der Magnetfluß Φ dem Feldstrom //-proportional sei und daß -κι

'/' = Wl

(12)

gelte. Durch Einsetzen der Gleichung 12 in die Gleichung 11 erhält man damit ·

BE =

(12')

Es sei weiter angenommen, daß BE\ die Bremskraft für den Motorstrom Im\ bei starkem (vollem) Magnetfeld und Im 2 der Motorstrom sei, bei dem die Bremskraft BE₁ bei einem Feldabschwächungsfaktor W erhalten wird. Dann ist

BE_x = WIj₁₁= /,?,,
Aus Gleichung 13 erhält man

(13)

Die Werte für den magnetischen Fluß als Funktion des Feldabschwächungsfaktors W werden dann aus den Gleichungen 12 und 14 wie folgt erhalten:

0, = H'/,„, = |H7,

15)

Die Gleichung 15 zeigt, daß der magnetische I⁷IuB i»> in Gegenwart eines wirksamen Fcldabschwächungsfaklors H' um den Faktor \\^ΛΙ7 vom magnetischen Fluß Φ\ abweicht, der bei vollem Magnetfeld erhalten wird. Der Feldfaktor H'ist kleiner als Eins, so daß der magnetische Fluß Φ_> zum Hinstellen der gleichen Bremskraft bei einem schwachen Magnetfeld kleiner ist als der in Gegenwart des unvermindert starken Magnetfeldes erforderliche magnetische Fluß Φ\.

In der Gleichung IO ist also der Nenner bei abgeschwächtem Magnetfeld kleiner als bei nicht abgeschwächtem Magnetfeld, ist also die Geschwindigkeit V größer. Mit anderen Worten ist also eine Nutzbremsung bei abgeschwächtem Magnetfeld aus höheren Geschwindigkeiten möglich, als sie lediglich durch Zuschalten eines Widerstandes R erhältlich sind. Es kann also im Bremssystem der Erfindung ein größerer Anteil der vom Motor erzeugten elektrischen Leistung in den Fahrdraht L rückgeführl werden, so daß also ein verbesserter Wirkungsgrad des Nutzbremseffektes erzielbar ist. Auch im Vergleich zu der in Fig. 1 gezeigten Auslegung der Vorrichtung, bei der lediglich in Reihe ein Widerstand R zugeschaltet ist, kann die erforderliche Maximalbelastbarkeil des Widerstandes R wesentlich kleiner gehalten werden, wenn aus der gleichen Fahrgeschwindigkeit abgebremst werden soll. Das in Fig. 13 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist weiterhin den Vorteil auf, daß durch die Feldregulierung über die Betätigung nur eines einzigen Schalters FS und Einstellung eines vorgegebenen schwachen Magnetfeldes die Schaltopcrationen insgesamt anlagetechnisch wesentlich vereinfacht werden können.

Statt des parallel zur Feldwicklung geschalteten Widerstandes zur Erzeugung des schwachen Magnetfeldes kann das Feld auch durch einen Zwischenabgrifl oder einen Teiler abgeschwächt und als schwaches Magnetfeld erzeugt werden, ohne daß irgendein Teil dei vollen Feldwicklung eingesetzt zu werden braucht.

Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung sehen vor, daß der Widerstandswert des Widerstandes R stufenweise durch die Überbrückungsschalter RS], ■ ■., RS_n oder kontinuierlich durch der Zerhacker RCH geregelt wird. Im folgenden ist eir weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, das insofern wirtschaftlicher als die zuvoi beschriebenen Ausführungsbeispiele ist, als der Wider standswert allein durch den Zerhacker CH geregeli wird, ohne daß die Überbrückungsschalter RSu .., RS₁ oder der Zerhacker RCH eingesetzt werden müßten.

Ein solches Ausführungsbeispiel ist in F i g. 15 gezeigt bei dem im Zerhacker auch in Spcrrichtung zündbarc Thyristoren eingesetzt sind. Der in Sperrichtunf durchschaltbare Hauptthyristor 77ii liegt parallel zt einer Reihenschaltung, in der der Gleichstrommotor mi dem Anker M und der Feldwicklung F, eine Glättungs drossel MSL und ein Widerstand R in der in Fig. IJ gezeigten Weise hintereinandergeschaltet sind. Dei ebenfalls im Sperrichtung durchschaltbare Hilfsthyri stör Tti2 ist parallel zum Widerstand R geschaltet unc mit dem Ende einer Reihenschaltung verbunden, in de die Kommutierungsdrossel Lo und der Kommutierungs kondensator Qi liegen. Das andere Ende diese Reihenschaltung ist auf einen Abgriff zwischen dem ii Sperrichtung durchschaltbaren Hauptthyristor Th\ um der Glättungsdrossel MSL geschaltet. Das gegenüber liegende Ende dieser Reihenschaltung ist auf einei Abgriff zwischen dem Anker /Wund dem Widerstand /

bzw. auf einen Abgriff zwischen dem Widerstand R und dem in Sperrichtung durchschaltbaren Hilfsthyristor 77)2 geschaltet. Die in Sperrichtung zündbaren und durchschaltbaren Thyristoren sind im folgenden abkürzend lediglich als »Thyristoren« bezeichnet.

Ein Blockschaltbild eines Stroinreglers zur Regelung des Motorstromes Im durch Stellen der Zündung der Thyristoren 77?i und 77?2 ist in F i g. 16 dargestellt.

Im Komparator CMP\ wird der Wert des Stell- oder Steuerstromes Ip mit dem aktuellen Motorstrom Im verglichen. Die Differenz Epsilon zwischen diesen beiden Strömen wird auf den Phasenschieber APS gegeben, der die Breite der Durchschaltphase des Thyristors 77/2 nach Maßgabe der im Komparator ermittelten Abweichung Epsilon stellt. Je höher die Abweichung Epsilon ist, um so größer ist die Stromflußbreite des Thyristors TZi₂. Im Komparator CMPi wird die Fahrdrahtspannung Es mit der Motorspannung Em verglichen. Wenn die Fahrdrahtspannung Es größer als die Motorspannung Em ist, tritt am Ausgang des Komparators CMPi ein Signal auf, durch das das Relais Ry beaufschlagt wird. Dabei schließt der in Ruhestellung geöffnete Kontakt Rya des Relais Ry. Die Leistungsfrequenz des Phasenschiebers APS wird über den Oszillator OSC gesteuert. Damit wird also durch den Oszillator OSC auch die Arbeitsfrequenz des Zerhackers gesteuert. Die Schwingungsperiode Γ des Oszillators OSC bleibt konstant, solange E_M größer als Es ist. Wenn E_s größer als E_M ist, wird diese Schwingungsperiode ^dagegen variabel gestellt. Wenn Es also größer als E_M ist, tritt am Ausgang des Komparators CAiP₂ ein Signal auf, das ein Anziehen des Relais Ry und ein Schließen des in Ruhestellung geöffneten Kontaktes Rya bewirkt. Die festgestellte Abweichung Epsilon wird auf den Oszillator OSC gegeben, dessen Schwingungsperiode unter Führung durch diese Abweichung Epsilon gestellt wird. Je größer die Abweichung Epsilon ist, desto kleiner wird die Schwingungsperiode T. Im Differenzierungsglied DI wird das am Oszillator OSCauftretende Ausgangssignal differenziert und in der differenzierten Form als Steuersignal dem Thyristor 77»ι aufgeprägt.

Die Funktionsweise dieser Vorrichtung ist im Zusammenhang mit den F i g. 17 und 18 erläutert, wobei in der Fig. 17 die Betriebsimpulse für den Fall dargestellt sind, daß Em größer als Es ist und in der Fig. 18 die in der Schaltung auftretenden Impulse für den Fall wiedergegeben sind, daß £5 größer als Em sind.

Es sei zunächst der Fall betrachtet, daß die Motorgeschwindigkeit höher als die Nenngeschwindigkeit, also die Motorspannung E_M größer als die Fahrdrahtspannung Es ist. Der Kontakt Rya des Relais Ry ist geöffnet und die Schwingungsperiode T des Oszillators OSC konstant. Am Ausgang des Oszillators OSC treten die im Diagramm a der Fig. 17 gezeigten Impulse mit der konstanten Schwingungsperiode Tauf, die als Steuersignale auf den Thyristor 77?i geprägt werden.

Der Thyristor 77ji wird auf diese Weise für die Dauer 7o aktiviert, die in der im Diagramm b der F i g. 17 bo gezeigten Weise durch die Schwingungsperiode Lo-Co bestimmt ist.

Das Steuersignal für den Thyristor 7Tj₂ wird dabei auf der anderen Seite vom Phasenschieber APS für eine Einschaltphase geliefert, die der Differenz Epsilon b5 zwischen dem Motorstrom Im und dem Steuerstrom Ip entspricht (Diagramm din Fig. 17). Der Thyristor 7Tj₂ ist während der Periode 71 gezündet, wobei diese Periode zusätzlich die Periode 7o einschließt (Diagramm ein Fig. 17).

Die Einschaltphase Γι des Thyristors 7Tj₂ wird nach Maßgabe der Abnahme der Motorspannung Em erhöht Wenn die Motorspannung E_M gleich der Fahrdrahtspannung £5 wird, wird die Einschaltphase Tj des Thyristors 7Tj₂ gleich T, so daß der Widerstandswert des Widerstandes R auf Null reduziert wird.

Wenn die Motorspannung Em auf einen Wert gesenkt wird, der kleiner als die Fahrdrahtspannung us ist, wenn also die Motorgeschwindigkeit auf einen Wert unterhalb der Nenngeschwindigkeit verringert ist, schließt der in Ruhestellung offene Kontakt Rya des Relais Ry. Auf den Oszillator OSC wird die Differenz Epsilon zwischen dem Steuerstrom Ip und dem Motorstrom Im geprägt. Die Schwingungsperiode bzw. der Impulsabstand Tdes Oszillators ist nicht mehr konstant, sondern eine Funktion der Stromdifferenz Epsilon. Der Thyristor Th\ wird während der Periode 7o in der im Diagramm c der Fig. 18 gezeigten Weise aktiviert. Während dieser Zeit liegt in der im Diagramm d der F i g. 18 gezeigten Weise am Thyristor 7Ti₂ ein kontinuierliches Steuersignal, so daß die Impulsbreite 71 des Thyristors 7Tj₂ gleich T wird, so daß der Widerstandswert des Widerstandes R auf Null verringert wird. Tatsächlich ist der zweite Thyristor Thi jedoch für die Dauer eines Viertels der Schwingungsperiode T₀ deaktiviert, wobei diese Zeitspanne etwa 30 bis 50 ^s beträgt und im Vergleich zur Periode Γ vernachlässigbar ist, so daß dadurch in der Praxis keine Schwierigkeiten auftreten. Solange Es größer als £W ist, ist der Arbeitszyklus des Zerhackers CH durch die Schwingungsperiode 7* gesteuert, und zwar in der Weise, daß sie nach Maßgabe der Verringerung der Motorgeschwindigkeit vergrößert wird.

In der zuvor beschriebenen Ausführung der elektrischen Nutzbremsung wird also das Thyristorpaar eines Zerhackers abwechselnd zur Widerstandsregelung verwendet, wodurch eine besonders preisgünstige Schaltungsrealisierung ermöglicht wird.

Die in Fig. 15 dargestellte Schaltung erfordert jedoch, daß der Thyristor TA₂ bei Geschwindigkeiten unterhalb der Nenngeschwindigkeit ständig eingeschaltet ist.

Nur unter dieser Bedingung kann der Arbeitszyklus, nämlich die Periode 7*des Thyristors Th\, und damit die Betriebsfrequenz des Zerhackers CH gesteuert werden. Dabei kann das Problem einer von der Betriebsfrequenz abhängigen induktiven Störung auftreten.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das Problem dieser induktiven Störungen berücksichtigt, ist in Fig. 19 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 15 gezeigten Ausführungsbeispiel im wesentlichen dadurch, daß parallel zum Widerstand R ein Schalter K liegt und der Verbindungspunkt zwischen dem Thyristor 7Ä₂"und der aus der Kommutierungsdrossel Lo und dem Kommutierungskondensator Co bestehenden Kommutierungsvorrichtung über die Diode Dr auf den Widerstand R geschaltet ist.

Ein Blockschaltbild des in Fig. 19 verwendeten Stromreglers ist in Fig. 20 wiedergegeben. Die Bezugszeichen entsprechen den im Zusammenhang mit der Fig. 16 erläuterten Bezugszeichen und bezeichnen gleiche Bauteile. Eine Treiberspule Mk stellt den Schalter K. Das Relais Ry enthält die in Ruhestellung geöffneten Kontakte Rya 1 und Rya 2 sowie die in

Ruhestellung geschlossenen Kontakte Ryb 1, Ryb 2 und Ryb 3.

Im Zusammenhang mit der Fig. 15 ist oben beschrieben, daß bei Geschwindigkeiten über der Nenngeschwindigkeit die Einschaltphase des Thyristors Th₂ gesteuert werden muß, während bei Geschwindigkeiten unterhalb der Nenngeschwindigkeit die Einschaltphase des Thyristors Th\ gesteuert werden muß. Zu diesem Zweck sind die Ausgänge des Phasenschiebers APS und des Oszillators OSC zur Aufprägung der in Steuersignale für die Thyristoren Th₁ und Th₂ je nach Schaltzustand des Relais Ry gegeneinander umschaltbar. Wenn Em größer als £5 ist, ist das Relais Ry unter Steuerung durch das Ausgangssignal vom Komparator CMP₂ beaufschlagt, so daß die in Ruhestellung offenen ιί Kontakte Rya 1 und Rya 2 (F i g. 20) schließen. Dadurch wird der Ausgang des Phasenschiebers APS auf den Steuereingang des Thyristors Thi geschaltet, während das am Ausgang der Differenzierungsschaltung Dl auftretende differenzierte Signal des Oszillators OSC als Steuersignal auf den Steuereingang des Thyristors Th\ geprägt wird.

Wenn dagegen die Spannung Es größer als Em ist, ist das Relais Ry nicht eingeschaltet, so daß nur die in

Ruhestellung geschlossenen Kontakte Ryb 1 Ryb3 r>

geschlossen sind. Der Ausgang des Phasenschiebers APS ist auf den Steuereingang des ersten Thyristors Th\ geschaltet, während der Ausgang der Differenzierungsschaltung Dl auf den Steuereingang des zweiten Thyristors Thi geschaltet ist. Durch das Schließen des in jo Ruhestellung geschlossenen Kontaktes Ryb 3 wird gleichzeitig die Treiberspule Mk erregt.

Die Funktion der in Fig.20 gezeigten Schaltung ist anhand der in den Fig.21 und 22 dargestellten Impulsfolgen näher beschrieben, wobei in der F i g. 21 r> der Fall dargestellt ist, daß Em größer als £5 ist, während in der F i g. 22 der Fall beschrieben ist, daß Em kleiner als Es ist.

Wenn zunächst die Ist-Geschwindigkeit größer als die Nenngeschwindigkeit, also die Motorspannung Em größer als die Fahrdrahtspannung Es ist, sind die in Ruhestellung geöffneten Kontakte Rya i und Rya 2 geschlossen, so daß ein Steuersignal mit konstantem Abstand bzw. konstanter Schwingungsperiode Tauf den Thyristor Th\ in der im Diagramm a der Fig.21 gezeigten Weise gelangt. Dadurch wird der Thyristor Th\ für die Periode 7J eingeschaltet, entsprechend der Schwingungsperiode Lo-Ci in der im Diagramm cder Fig.21 gezeigten Art. Gleichzeitig wird auf der anderen Seite der Thyristor Th₂ mit einem Steuersignal w vom Phasenschieber APS beaufschlagt, das der Differenz Epsilon zwischen dem Stell- oder Steuerstrom Ipund dem tatsächlichen Motorstrom Im entspricht. Das führt dazu, daß die Einschaltphase des Thyristors 7Tj₂ die Länge T₁ (Diagramm e der Fig.21) hat und nach « Maßgabe der Verringerung der Motorspannung Em verlängert wird. Wenn die Motorspannung E_M gleich der Fahrdrahtspannung £5 wird, wird die Einschaltphase Ti des Thyristors Th₂ gleich T, was dazu führt, daß der Widerstandswert des Widerstandes R auf Null erniedrigt wird. Solange die Spannung Em größer als Es ist, dient der Thyristor Th₂ als Hauptthyristor und der Thyristor Th\ als Kommutierungsthyristor.

Wenn die Motorspannung Em kleiner als die Fahrdrahtspannung E_s ist, sind die in Ruhestellung b5

geschlossenen Kontakte Ryb 1 Ryb3 des Relais Ry

geschlossen. Das führt einerseits dazu, daß die Spule Mk des Schalters K erregt ist, so daß der Widerstand R durch den Schalter K überbrückt ist. Andererseits bewirkt der Schaltzustand des Relais gleichzeitig, daß durch die geschlossenen Kontakte Ryb 1 und Ryb2 ein Steuersignal mit einer konstanten vorgegebenen Schwingungsperiode T in der im Diagramm d der F i g. 19 gezeigten Art vom Oszillator OSC auf den Thyristor Th₂ geprägt wird. Auf den Thyristor 7Tj, wird dabei als Steuersignal das Ausgangssignal des Phasenschiebers APS geprägt. Auf diese Weise wird bei Abnahme der Motorspannung üV/die Einschaltphase 7! des Thyristors Th\ in der im Diagramm c der F i g. 22 gezeigten Art gesteuert. Der zweite Thyristor Th₂ ist für die Periode To eingeschaltet, die sich aus der Schwingungsperiode in der im Diagramm e der F i g. 22 gezeigten Art bestimmt. In diesem Fall dient der Thyristor Th\ als Hauptthyristor und der Thyristor 7Ti₂ als Kommutierungsthyristor.

Die Diode Dr verhindert eine Entladung des Kommutierungskondensators Co, die sonst während der Durchschaltung des Thyristors Th\ über die geschlossene Stromschleife C₀, L₀, Th,, Kund C₀ auftreten würde.

Wesentliches Merkmal der in Fig. 19 gezeigten Schaltung, die zusätzlich den Schalter K und die Diode Dr enthält, ist also, daß die Thyristoren Th\ und Th₂ abwechselnd und unterschiedlich als Hauptthyristor und Kommutierungsthyristor bei Geschwindigkeiten über bzw. unter der Nenngeschwindigkeit geschaltet werden, so daß die Steuerung bei vorgegebener konstanter Arbeitsfrequenz des Zerhackers bewirkt werden kann. Dadurch wird die Aufgabe der Umgehung induktiver Störungen gelöst.

Der Gleichstrommotor wirkt während der Dauer der Nutzbremsung als Gleichstromgenerator. Während der Anfangsphase der Nutzbremsung beträgt die Motorspannung Em jedoch nur einige zehn Volt, und zwar selbst dann, wenn die Motorgeschwindigkeit größer als die Nenngeschwindigkeit ist. Selbst wenn also die Nutzbremsung bei einer über der Nenngeschwindigkeit liegenden Motorgeschwindigkeit einsetzt, befindet sich die in Fig. 19 gezeigte Schaltung in einem Schaltzustand, der Geschwindigkeiten unterhalb der Nenngeschwindigkeit entspricht, in dem vor allem der Schalter K geschlossen sein muß. Der Schalter K muß dabei so lange geschlossen bleiben, bis die Motorspannung Em vollständig aufgebaut ist und einen Wert über der Fahrdrahtspannung Es unter Regelung durch den Zerhacker erlangt hat. Zum Aufbau der Motorspannung Em sind für gebräuchliche Motoren in der Größenordnung von 100 kW für elektrisch angetriebene Fahrzeuge etwa einige hundert Millisekunden erforderlich. Auf der anderen Seite vergehen bis zum Schließen des Schalters K einige zehn bis einige hundert Sekunden. Es zeigt sich also, daß ein wesentliches Problem der Ausführung elektrischer Nutzbremsungen bei über der Nenngeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeiten eine sorgfältige Einstellung der zeitlichen Abstimmung der Schaltzustände des Schalters K bei Verwendung der in F i g. 20 gezeigten Anlage ist. In der F i g. 23 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das dieses Problem berücksichtigt. Die in Fig.23 gezeigte Schaltung unterscheidet sich von der in Fig. 19 gezeigten Schaltung dadurch, daß zusätzlich zum Schalter K parallel zum Widerstand R ein Hilfsthyristor ThR geschaltet ist.

Bei der in Fig. 23 gezeigten Schaltung ist der Schalter K geöffnet und der Hilfsthyristor Th_R gezündet, so daß der Widerstard R überbrückt ist, wenn die Nutzbremsung bei einer über der Nenngeschwindigkeit

liegenden Geschwindigkeit einsetzt. Nach Aufbau der Motorspannung Em bis auf einen über der Fahrdrahtspannung umliegenden Wert wird der Hilfsthyristor Thn unter Einschaltung des Widerstandes R gesperrt Das Sperren des Hilfsthyristors 77/« erfolgt gleichzeitig mit dem Sperren des Thyristors TI12. Der Thvristor Thi wird dabei unter Beaufschlagung durch den Sperrstrom der Stromschwingung ausgeschaltet, die in der in Fig.21 gezeigten Weise durch die Zündung des Thyristors Th\ verursacht wird. Ein solcher Sperrstrom fließt auch in der Schleife Ca, D«, 77?«, 77? 1, U, und C₀. Dadurch wird der Hilfsthyristor 77?«gesperrt.

Da diese Sperrung stets während der Einschaltphase des Zerhackers auftritt, muß am Steuereingang des Hilfsthyristors 77?« stets ein Steuersignal liegen. Wenn dann die Motorgeschwindigkeit unter die Nenngeschwindigkeit sinkt, wird der Schalter K geschlossen und der Widerstand R überbrückt. Wenn ein schnelles Aniprechverhalten beim Schließen des Schalters K

erforderlich ist, kann der Hilfsthyrtstor 77?« zunächst gezündet werden und dann erst anschließend der Schalter K geschlossen werden.

Der Hilfsthyristor 77?« braucht nur relativ klein ■> ausgelegt zu werden, da seine Einschaltphase nur so lang zu sein braucht, wie Zeit zum Aufbau der Motorspannung erforderlich ist.

Der Widerstand R kann statt auf der negativen Seite

auch auf der positiven Seite der Spannungsquelle vor die Reihenschaltung mit dem Gleichstrommotor und der Glättungsdrossel MSL gesetzt werden. Die zuvor für den Fall der Schaltung auf der negativen Seite beschriebenen Ergebnisse werden durch ein Einschalten des Widerstandes auf der positiven Seite der Stromquelj Ie nicht beeinflußt

Die entsprechenden Schaltungen im positiven Zweig der Vorrichtung sind in den F i g. 24a und 24b dargestellt.

Hierzu 10 BUiIt Zeichnungen

Claims

I Patentansprüche:

1. Nutzbremssteuersystem für einen Gleichstromreihenschlußmotor, dem ein Widerstand mit wenigstens einem durch eine Schalteinrichtung kurzschließbaren Abschnitt in Reihe geschaltet ist, mit einer zu der Reihenschaltung von Gleichstromreihenschlußmotor und Widerstand parallelgeschalteten Zerhackereinrichtung zur Impulssteuerung des Gleichstrommotors und einer Einrichtung zur Steuerung des Arbeitszyklus der Zerhackereinrichtung, gekennzeichnet durch einen Feldregler (FR) zur Regelung des Feldes der Feldwicklung (F), und durch einen Widerstandsregler (RS) zur Regelung des Widerstandswertes des Widerstandes, wobei die Nutzbremsung durch kombinierten Einsatz des Feld- und des Widerstandsreglers bewirkt wird, und der Feld- und der Widerstandsregler (FR, RS) derart steuerbar sind, daß das Magnetfeld mit abnehmender Motorgeschwindigkeit verstärkt und die Widerstandswerte des Widerstandes (R) mit abnehmender Motorgeschwindigkeit herabgesetzt werden.

2. Nutzbremssteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung bei Erreichen einer vorgegebenen Motorgeschwindigkeit von Feld- auf Widerstandsregelung bzw. umgekehrt umschaltbar ist.

3. Nutzbremssteuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldregler einen Zerhacker (FCH) enthält, mit dem das Feld kontinuierlich regelbar ist und dessen Arbeitszyklus mit abnehmender Motorgeschwindigkeit verkürzt wird, und daß der Widerstandsregler einen Zerhakker (RCH) enthält, mit dem der Widerstandswert des Widerstandes (R) kontinuierlich regelbar ist und dessen Arbeitszyklus mit abnehmender Motorgeschwindigkeit verlängert wird (F i g. 11).

4. Nutzbremssteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Feld- und Widerstandsregler (FR, RS) stufenweise regelbar sind (F ig. 5,7,9).

5. Nutzbremssteuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld stufenweise aufgrund der Differenz zwischen der Motorspannung (Em) und der Summe der Quellenspannung (Es) und des Spannungsabfalls (RIm) am Widerstand (R) und darauf oder alternierend stufenweise der Widerstand (7?,) aufgrund der Differenz zwischen der Quellenspannung (Es) und der mittleren Spannung (Ecu) &m Zerhacker regelbar ist (F i g. 5,9).

6. Nutzbremssteuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R) stufenweise aufgrund der Differenz zwischen der Quellenspannung (Es) und der mittleren Spannung (Εοη)άπ\ Zerhacker (CH) und darauf stufenweise das Feld (F) aufgrund der Differenz zwischen der Quellenspannung (Es) und der Motorspannung (Em) am Zerhacker regelbar ist (F i g. 7).

7. Nutzbremssteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Feldwicklung aufgebaute Feld durch den Feldregler (FR, FS) auf einen unteren Pegel fest einstellbar ist, während der Widerstand (R) derart regelbar ist, daß die Widerstandswerte mit abnehmender Motorgeschwindigkeit von einem höheren auf einen niedrigeren Pegel abnehmen (F ig. 13).

Die Erfindung bezieht sich auf ein Nutzbremssteuersystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus Conference Record IEEE International Semiconductor Power Converter Conference vom 8. bis 10. Mai 1977, Seite 3-7-1 bis 3-7-10 bekannten Art.

Die Verwendung eines Thyristorzerhackers zur Steuerung und Regelung der Leistungsbeaufschlegung und der Nutzbremsung von Gleichstrommotoren, insbesondere eines Gleichsti'omantriebsmotors für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, ist bekannt. In solchen Anlagen ist der Zerhacker in Reihe zum Motor geschaltet und wird während der Leistungsbeaufschlagung des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges oder der elektrisch angetriebenen Anlage ein- und ausgeschaltet. Der Arbeitszyklus des Zerhackers wird dabei so verändert daß die am Motor liegende Spannung kontinuierlich von Null bis zur Netz- oder Leitungsspannung geregelt werden kann. Dadurch ist eine Beschleunigung bis zur vorgesehenen Grenzgeschwindigkeit erzielbar.

Zur Bewirkung einer Nutzbremsung ist der Zerhakker dagegen parallel zum Gleichstrommotor geschaltet. Der Zerhacker wird dabei ein- und ausgeschaltet. Die im Motor in der Weise eines Generators mit Eigenerregung erzeugte Spannung wird dadurch angehoben. Der Nutzbremsstrom wird in die Strecke rückgeführt.

Für eine stabile Steuerung und Regelung der Nutzbremsung durch einen Zerhacker liegt das zentrale Problem darin, den Motorstrom auch während der Ausschaltphase des Zerhackers fehlerfrei zu verringern. Dazu ist erforderlich, daß die im Motor erzeugte Spannung (im folgenden kurz »Motorspannung«) stets kleiner als die Leitungsspannung ist. Üblicherweise ist der Motor so ausgelegt, daß bei Regelung des Motorstromes auf einen Nennstrom die im Motor erzeugte Spannung praktisch gleich der Leitungsspannung bei der Nenngeschwindigkeit ist. Eine nutzbare Bremsleistung kann also nur dann erhalten werden, wenn die Nutzbremsung nicht bei einer Geschwindigkeit versucht wird, die größer als die Nenngeschwindigkeit ist. Nichtsdestoweniger ist es häufig beobachtete Praxis, elektrische Fahrzeuge oder Fahranlagen bei Geschwindigkeiten zu betreiben, die über der Nenngeschwindigkeit der Feldsteuerung des Motors liegen. Es ist daher unbedingt erforderlich, eine wirksame Nutzbremsung auch aus Geschwindigkeiten zu ermöglichen, die über der anlagenspezifischen Nenngeschwindigkeit liegen.

Zur Erzeugung einer ausreichenden Bremsleistung bei über der Nenngeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeiten ist bekannt, einen Widerstand in Reihe zum Motor zuzuschalten. Die Bremsoperation mit dem Nennstrom wird also bei der über der Nenngeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit dadurch ermöglicht, daß der Spannungsabfall über den Widerstand die Differenz zwischen der Motorspannung und der mittleren über den Zerhacker auftretenden Spannung aufnimmt.

Je höher also der Widerstandswert des zugeschalteten Widerstandes ist, um so höher ist der Anteil des Spannungsabfalls über den Widerstand an der Nutzbremsung bei Geschwindigkeiten über der Nenngeschwindigkeit. Außerdem wird ein höherer Anteil der gesamten im Motor erzeugten Leistung vom Widerstand aufgenommen. Dabei führt aber diese erhöhte Leistungsaufnahme durch den Widerstand zu einer spürbaren Herabsetzung des Wirkungsgrades der Nutzbremswirkung. Außerdem muß die Kapazität des