DE2600139A1

DE2600139A1 - Gleichstromgespeiste antriebsanordnung

Info

Publication number: DE2600139A1
Application number: DE19762600139
Authority: DE
Inventors: Sten Dipl Ing Elvin
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1976-01-03
Publication date: 1976-07-22
Also published as: US4019108A; SE7500545L

Description

G-leichstromgespeiste Antriebsanordnung

Die Erfindung betrifft eine gleichstromgespeiste Antriebsanordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art«, Eine solche Anordnung ist aus der französischen Patentschrift 1 373 565 bekannt.

Bei der bekannten Anordnung liegt parallel zu der Feldwicklung eines Gleiehstromreihensehlußmotors ein steuerbares Halbleiterventil (Thyristor mit Löschkreis)„ Im Drehzahlbereich mit Feldschwächung, also bei hohen Drehzahlen, wird der Thyristor im sogenannten Takt- oder Pulsbetrieb betrieben, wodurch man einen veränderlichen Nebenschluß zur Feldwicklung erhält»

Während der Leitintervalle des Thyristors ist die Spannung an der Feldwicklung Null,, Während der Sperrintervalle des Thyristors fließt der volle Motorstrom über die Feldwicklung, und die Spannung an der Feldwicklung ist relativ hoch« Sie beträgt in einem typischen Fall einige Dekaden VoIt₀ Die Spannung an der Feldwicklung variiert also periodisch zwischen Null und dem

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letztgenannten Wert. Sie enthält also eine kräftige Wechselspannungskomponente. Es hat sich gezeigt, daß diese Wechselspannungskomponente zu erheblichen Kommutierungsschwierigkeiten für den Motor führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleichstromgespeiste Antriebsanordnung der eben genannten Art zu entwickeln, bei der die Spannungsschwankungen an der Feldwicklung wesentlich herabgesetzt sind und somit die genannten Schwierigkeiten verringert oder völlig beseitigt werden,,

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine gleichstromgespeiste Antriebsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den 'Unteransprüchen genannte

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung soll diese näher beschrieben werden. Es zeigen:

Pig. 1 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei dem im Falle eines Ausfalls der Hauptspeise-

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spannung das für den Nebenschluß der Feldwicklung dienende Halbleiterventil zur Speisung des Motors aus einer Batterie "benutzt wird,

Pig. 3a bis 3c zeigt drei Schaltungsbeispiele, in denen das zum Nebenschluß der Feldwicklung dienende Halbleiterventil alternativ für eine elektrische Bremsung verwendet wird.

Fig. 1 zeigt zwei gleichspannungsführende Schienen 1 und 2, zwischen welchen eine Anordnung gemäß der Erfindung angeschlossen ist. Die Schiene 1 kann eine Stromschiene oder eine Fahrdrahtleitung sein, auf der ein Stromabnehmer gleitet. Die Anordnung kann auf einem Schienenfahrzeug montiert sein und von der Schiene 1 über einen Stromabnehmer SA gespeist werden. Die Schiene 2 kann das Gleis sein.

Die Anordnung enthält einen Gleichstromreihenschlußmotor als Antriebsmotor und eventuell auch zum Bremsen des Fahrzeugs_o Der Motor hat den Anker A und die Feldwicklung F. In einem typischen Fall kann der Motor für eine Speisespannung von 600 V zwischen den Schienen 1 und 2 ausgelegt sein und eine maximale Leistung von 100 kW haben. In Reihe mit dem Motor liegt ein im Pulsbetrieb arbeitendes steuerbares Halbleiterventil S1. Dieses kann in bekannter Weise ein Thyristor mit einem Löschkreis und mit Steuer-

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gliedern sein, um durch. Variation des Verhältnisses von Leitzeit zur Periodendauer die am Motor liegende Spannung zu steuern. In Reihe mit dem Motor liegt eine Drossel L2 zur Glättung des Motorstroms. Die Drossel L2 kann entfallen, wenn die Induktivität des Motors hinreichend groß ist. Äntiparallel zun Motor liegt eine Freilaufdiode D1.

Gemäß der Erfindung ist eine Drossel L1 in Reihe mit einem steuerbaren Halbleiterventil S2 parallel zur Feldwicklung F geschaltet. Die Induktivität der Drossel L1 soll mindestens von gleicher Größenordnung sein wie die Induktivität der Feldwicklung F, vorzugsweise gedoch bedeutend größere Das Ventil S2 ist vorzugsweise ein Thyristor mit an sich bekanntem Löschkreis und Steuergliedern, um den Thyristor im sogenannten Puls- oder Taktbetrieb mit einem variablen Verhältnis von Leitzeit zur Periodendauer zu steuern. Durch ein Variieren des genannten Verhältnisses kann der Teil des Motorstroms, der an der Feldwicklung F vorbei nebengeschlossen wird, kontinuierlich auf den gewünschten Wert gesteint werden. Bei einer Motordrehzahl zwischen Null und einem bestimmten Wert, der Grunddrehzahl, ist S2 in bekannter Weise ständig gesperrt, so daß der gesamte Motorstrom die Feldwicklung durchströmt. Wird die Motordrehzahl über die Grunddrehzahl hinaus erhöht, so steigt das Verhältnis Leitzeit/ Periodendauer für das Ventil S2 von Null auf einen solchen Wert an, daß in einem typischen Fall etwa 60-70 $> des Motorstroms an der Feldwicklung vorbei fließt.

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Während der Sperrinterva des Ventils S2 fließt der Gleichstrom über die Drossel L1, eine Diode D2 und eine Last, die aus einer Akkumulatorenbatterie B bestehto Die Batterie wird also vom Motorstrom über den IS-Umrichter aufgeladen, der aus den Lohaltungselementen L1, S2 und D2 bestehto Der Ladevorgang setzt ein, sobald der Motor seine &runddrehzahl überschreitet, und dadurch, daß das Ventil S2 im Pulsbetrieb arbeitet, wird der Strom an der Feldwicklung F vorbei geleitete

Die Batteriespannung beträgt in einem typischen Fall 72 V₀ Die Schaltungselemente L1, S2 und D2 müssen dann für diese Spannung und den maximal nebengeschlossenen Strom (z.B_o 60-70 ^ des maximalen Motorstroms) ausgelegt sein.

Die Batterie B kann zur Speisung einer Hilfseinrichtung im Fahrzeug und/oder, wie es nachstehend noch erläutert wird, zur Speisung des Antriebsmotors bei Ausfall der Hauptspeisespannung 1, 2 benutzt werden.

Um eine Überladung der Batterie zu vermeiden, ist ein Widerstand R vorhanden, der mit Hilfe eines Schalters K, der in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie betätigt wird, zur Batterie parallelgeschaltet wird. Der Widerstand R ist vorzugsweise für den maximal möglichen, vom LS-Umrichter S1-S2-D2 zur Batterie B fließenden Strom ausgelegte

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Um die Batterie bei Bedarf laden oder im geladenen Zustand halten zu können, kann ein Batterieladegerät BL verwendet werden.

Wie oben erwähnt, enthält die Spannung an einem im Pulsbetrieb arbeitenden Ventil eine kräftige Wechselspannungskomponente„ Dadurch, daß gemäß der Erfindung eine Drossel L1 in Reihe mit dem Ventil S2 angeordnet ist, verteilt sich die Wechselspannungskomponente auf die Induktivitäten der Feldwicklung und der Drossel L1. Nur ein Teil der WechselSpannungskomponente fällt daher der Feldwicklung ab, und dieser Teil wird um so kleiner, je größer die Induktivität der Drossel L1 ist. Gemäß der Erfindung kann also eine wesentliche Verkleinerung der Wechselspannungskomponente an der Feldwicklung erreicht werden.

:2ine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn man gemäß Fig. 1 einen Widerstand R¹ zur Feldwicklung parallelschaltet. Dieser Widerstand wird beispielsweise so dimensioniert, daß er 5-10 $

das
des Feldstroms übernimmt. Da /Ventil S2 in der Praxis mit hoher Taktfrequenz arbeitet, sind die Reaktanzen der Feldwicklung F und der Drossel L1 normalerweise groß,verglichen mit der Resistanz des Widerstandes R¹. Die Drossel L1 wird daher den Hauptteil der Wechselspannungskomponente aufnehmen, und nur ein geringer Teil fällt an der Feldwicklung ab.

Unter der Voraussetzung, daß die in die Batterie B eingespeiste Energie ausgenutzt werden kann, arbeitet der Feldnebenschluß bei

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einer Anordnung gemäß der Erfindung im Prinzip verlustlos und in der Praxis mit sehr geringen Verlusten.

Wenn die Leistungsverluste eine kleinere Rolle spielen oder wenn es aus anderen G-ründen angebracht ist, kann die Batterie B fortgelassen werden und als Last statt dessen ein mit dem Ventil S2 parallelgeschalteter Widerstand dienen, der so dimensioniert ist, daß er die nebengeschlossene Leistung aufnehmen kann. Die Diode D2 ist.dann überflüssig. Der Widerstand kann so gewählt werden, daß man einen dauernden lieb ens chluß von ca. 5-10 $ des Peldstroms erhält.

Alternativ kann zu dem zuletzt genannten Widerstand ein Kondensator parallelgeschaltet werden. Um eine schlagartige Entladung des Kondensators zu vermeiden, wenn das Ventil S2 leitend wird, kann eine Diode oder ein weiterer Widerstand mit der Parallelschaltung aus dem Kondensator und dem erstgenannten Widerstand in Reihe geschaltet werden. Der Kondensator verhindert hohe Spannungsspitzen an den Schaltungselementen des Gleichstrom-Umrichters S2-L1.

o 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Batterie, die von dem nebengeschlossenen Strom geladen wird, zur Speisung des Antriebsmotors benutzt werden kann_o Der Bedarf für einen solchen Betrieb kann bei Ausfall der Stromschie-

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nenspannung (bzw« Fahrdrahtspannung) auftreten oder dann, wenn das Fahrzeug kürzere Strecken passieren soll, die keine Stromschiene haben. Die Schaltung in Fig. 2 ist dieselbe wie in Figo 1 mit Ausnahme der Schalter K1, K2 und K3. Wenn diese Schalter die in der Figur gestrichelten Lagen einnehmen, so stimmt die Schaltung völlig mit der in Figo 1 überein,. Wenn der Schalter K3 in der in Fig. 2 gezeigten Lage liegt, ist die Antriebsanordnung von der Kontaktschiene abgeschaltet und kann nicht von ihrer normalen Speisequelle gespeist werden. Dasselbe gilt, wenn die Kontaktschienenspannung ausfällt oder wenn keine Kontaktschiene vorhanden ist₀ Die Schalter K1 und K2 werden dann in die in Fig. 2 gezeigte Lage gelegt. Die Batterie B wird dann über das Ventil S2 an den Motor angeschlossen und speist diesen, wobei der Motor mit Hilfe des Ventils S2 auf gleiche Vie is e gesteuert wird wie bei normalem Betrieb durch das Ventil S1.

Die Schaltung hat den Vorteil, daß das Ventil S2 und dessen Löschkreise so dimensioniert sind, daß sie bei normalem Betrieb bei einer Spannung arbeiten, die mit der Batteriespannung übereinstimmt, und mit einem Strom von derselben Größenordnung wie der Nennstrom des Motors (z.B. 60-70 $ des Nennstromes). Dies bedeutet, daß die Schaltung bei der niedrigen Spannung, die herrscht, wenn der Motor von der Batterie B gespeist wird, tadellos arbeitet, und daß der Motor mit einem Strom gespeist wird,

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und somit eine Zugkraft entwickelt, die in derselben Größenordnung liegen wie "bei Normalbetrieb.

Das Ventil S1 mit seinen Löschkreisen ist für die im Vergleich zur Batteriespannung hohen StromsGhienenspannung dimensioniert. Bei üblichen Löschkreisen ist die Größe des Stroms, der gelöscht werden kann, proportional der Speisespannungo Wenn das Ventil S1 zur Speisung des Motors aus der Batterie verwendet würde, würde der Motorstrom folglich we£;en der niedrigen Batterie spannung auf einen sehr niedrigen Wert begrenzt werden, was eine niedrige Zugkraft zur Folge haben würde_o

Wenn man entsprechend Pig. 2 dasselbe Ventil sowohl zum liebenschließen bei ETormalbetrieb wie zur Steuerung des Motors bei Batteriespeisung verwendet, erhält man somit bedeutende Vorteile,,

An sich ist es bekannt, den Antriebsmotor zum Bremsen des Fahrzeuges.zu benutzen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Feldwicklung F von der Batterie B gespeist wird, da dann die elektrische Bremsung unabhängig von der Stromschienenspannung ist. Die Spannung der Batterie B ist der niedrigen zulässigen Spannung für die Feldwicklung F auch besser angepaßt als die hohe Spannung der Stromschiene·

Flg. 3a zeigt einen Fall reiner Widerstandsbremsung, wobei parallel zum Anker A ein Bremswiderstand R^ geschaltet ist. Der Feldstrom

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und somit die Bremskraft werden mit dem Ventil S2 gesteuerte
Als Freilaufdiode D kann entweder die Diode D1 oder D2 verwendet werden und als Drossel L entweder die Drossel 11 oder L2₀

Fig. 3b zeigt eine Erweiterung der Schaltung nach Fig. 3a, wobei das Ventil S1 parallel zu dem Bremswiderstand E-g geschaltet ist. Dadurch erhält man auch bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Bremskraft, da das Ventil S1 den wirksamen Widerstand des Bremswiderstandes R_n durch Taktbetrieb kontinuierlich verkleinern kann_o
a

Figo 3c zei^t eine Schaltung mit Nutzbremsung, bei der in das
Gleichstromnetz 1,2 zurückgespeist wirdo

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Claims

Patentansprüche:

1oy Grleiclistromgespeiste Antriebsanordnung mit einem Gleichstromreihenschlußmotor und einem parallel zur Feldwicklung angeordneten, im Pulsbetrieb arbeitenden steuerbaren Halbleiterventil, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterventil (S2) in Reihe mit einer Drossel (L1) parallel zur Feldwicklung (P) geschaltet ist und daß eine Last (B) parallel zum Halbleiterventil (S2) liegt.
2. Gleichstromgespeiste Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die last ein Widerstand ist.
3. Gleichstromgespeiste Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Widerstand ein Kondensator parallelgeschaltet isto
4. Gleichstromgespeiste Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last eine Akkumulatorenbatterie

(B) ist, die mit einem die Batteriespannung sperrenden Halbleiterventil (D2) in Reihe geschaltet ist»
5. Gleichstromgespeiste Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltelemente zum alternativen Anschluß der Batterie (B) an den Motor über das im Pulsbetrieb arbeitende steurbare Halbleiterventil (S2) zur Speisung des Motors aus der Batterie vorhanden sind.

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6o Gleichstromgespeiste Antriebsanordnung nach Anspruch 4 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß dieselben Schaltelemente zum alternativen Anschluß der Batterie (B) an die Feldwicklung (i¹) über das im Pulsbetrieb arbeitende steuerbare Halbleiterventil (S2) zwecks elektrischer Bremsung dienen.

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