-
-
Fahrschaltung für eine Gleichstrom-Reihenschlußmaschine
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Fahrschaltung fEr eine Gleichstrom-Reihenschlußmaschine,
die von einer vorgegebenen charakteristischen Drehzahl ab im Feldschwächbereich
betrieben wird, mit einem Gleichstromsteller, der in der Verbindung zwischen einer
Gleichspannungsquelle und der Ankerwicklung der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine
liegt, mit einem ersten Freilaufventil, das der Ankerwicklung der Gleichstrom-Reibenschlußmaschine
parallel geschaltet ist, und mit einem zweiten Freilaufventil, das parallel zur
Erregerwicklung der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine liegt.
-
In den meisten Fällen sind Gleichstrom-Reihenschlußmaschinen so ausgelegt,
daß sie bereits bei einem Bruchteil ihrer höchst zulässigen Drehzahl die volle Gegenspannung
erzeugen. Diese Drehzahl wird im folgenden als "charakteristische Drehzahl" bezeichnet.
Die Gleichstrom-Reihenschlußmaschine wird häufig von der Drehzahl Null an bis zur
charakteristischen Drehzahl mit dem maximal zulässigen Ankerstrom betrieben Dadurch
ergibt sich die größtmögliche Beschleunigung. Um auch oberhalb der charakteristischen
Drehzahl die größtmögliche Beschleunigung zu erhalten, wird von der charakteristischen
Drehzahl ab das Erregerfeld kontinuierlich it zunehmender Drehzahl geschwächt (Feldschwächbereich).
Dir Feldschwächung wird so vorgenonnen,
daß der Ankerstrom den Wert
des maximal zulässigen Ankerstrome nicht überschreitet und auf diesem Wert konstant
bleibt. Da im Feldschwächbereich der Ankerstrom und die Spannung an der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine
konstant sind, bleibt auch die Maschinenleistung konstant, während das abgegebene
Drehooment, das vom Erregerstrom bestimmt ist, mit steigender Drehzahl abnimmt.
Bei weiter steigender Drehzahl ist zu beachten, daß der Feldschwächgrad, das ist
das Verhältnis von Feld strom zu Ankerstrom, eisen vorgegebenen Mindestwert nicht
unterschreiten darf. Ist dieser Mindestwert bei einer bestimmten hohen Drehzahl
erreicht, so wird mit steigender Drehzahl auch der Ankerstrom reduziert. Bei der
höchst zulässigen Drehzahl hat somit weder der Erregerstrom noch der Ankerstrom
den maximal zulässigen Wert eingenommen.
-
Es sind zwei Fahrschaltungen mit Gleichstrommteller bekannt, die zwecks
Erhöhung der Drehzahl von der charakteristischen Drehzahl ab nach dem Prinzip der
Feldschwächung arbeiten.
-
Die erste Faheschaltung wird von der Fa. Siemens AG seit einiger Zeit
bei Gleichstrom-Triebfahrzeugen, insbesondere bei Straßenbahnen und U-Bahnen, eingesetzt.
Sie umfaßt eine Reihenschaltung von Gleichstromsteller und Glättungsdrosael zwischen
Gleichspannungsnetz und Gleichstrom-Reihenschlußmaschine sowie ein Freilaufventil
parallel zu Glättungadrossel und Gleichstrom-Reibenschlußmaschine. Weiterhin ist
Uber einen elektromechanischen Schalter parallel zur Prregerwicklung ein Feldschwächwiderstand
geschaltet, der Uber weitere Schaltglieder suksessive kurzschließbar ist. Bei einer
Brhdhung der Drehzahl von der charakteristischen Drehzahl aus wird ein zunehmender
Teil des Ankerstromes über den in Stufen veränderlichen Feldschwächwiderstand geleitet.
Mit Verkleinerung des wirksamen Feldschwächwiderstand es nimmt der Teilstrom in
diesem Widerstand zu und der parallele Teilstrom in der Erregerwlcklung ab. Die
Summe der beiden Teilströme ist stets gleich dem Ankerstrom, der beim Anfahren mit
maximalem Drehmoment auf seinem maximal zulässigen Wert gehalten wird.
-
Die zweite Fahrachaltung, von der auch eingangs ausgegangen wird,
ist aus der Zeitschrift "Elektrotechnik und Maschinenbau" Band 85 (1968), Nr. 3,
Seiten 110 bis 117, insbesondere Abbildung 5, bekannt. Diese Fahrsohaltung ist gleichfalls
für Glichstrom-Triebfahrzeuge vorgesehen. Sie umfaßt einen aus Drosselspule und
Kondensator bestehenden, am Gleichspannungsnetz liegenden Eingangskreis, der Uber
einen Gleiehstromsteller mit der Ankerwicklung der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine
verbunden ist. Die Erregerwicklung liegt hier nicht im Rauptkreis, sondern ist in
Reihe mit einer ersten Freilaufdiode parallel zur Ankerwicklung geschaltet. Die
Erregerwicklung ist ihrerseits durch eine zweite Freilaufdiode UberbrUckt. Bei dieser
Fahrschaltung setzt bei einem hohen Aussteuerungsgrad des Gleichstromstellers automatisch
die Feldschwächung ein. Als Gleichstromsteller ist insbesondere ein solcher vorgesehen,
der einen Hauptthyristor mit parallel geschalteter Löschschaltung umfaßt. Die Löschschaltung
besteht dabei aus einem Löschthyristor in Reihe zu einem Löschkondensator, wobei
gegenparallel zum Löschthyristor die Serienschaltung aus einer Umladedrossel und
einer Umladediode geschaltet ist. Bei dieser Fahrschaltung muß sich am 3nde des
Löschvorgangs der Lösebkondensator im Gleiehstromsteller Uberladen, d.h., es entsteht
eine Überspannung am Gleichstromsteller. Der Gleichstromsteller ist also für diese
Überspannung auszulegen, was einen erheblichen Aufwand bedeutet.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere Fabrachaltung der eingangs
genannten Art anzugeben, bei der Jedoch Jeweils im Augenblick des Offnens des Gleichstromstellers
keine Überspannung am Gleichstromsteller entsteht.
-
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß sich diese Aufgabe dann
losen läßt, wenn im Augenblick des öffnens des Gleichstromstellers sowohl der in
der Ankerwicklung als auch der in der Erregerwicklung fließende Strom sofort auf
einen eigenen Freilauftreis kommutieren kann.
-
Unter Berücksichtigung dieser Überlegung wird die genannte Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die aus der Erregerwicklung und einem Schalter
bestehende Reihenschaltung parallel zur Gleichstrommsteller geschaltet ist, wobei
das zweite Freilaufventil in Sperrichtung zum Strom aus der Gleichspannungsquelle
gepolt ist.
-
Bei dieser Fahrschaltung kann prinzipiell als Gleichstromsteller auch
ein mechanischer Zerhacker eingesetzt werden. Vorteilhafterweise wird wan jedoch
einen Transistor-Zerhacker oder aber insbesondere einen Thyristor-Gleichstromsteller
bekannter Ausgestaltung heranziehen. Dieser umfaßt ein steuerbares Hauptventil mit
parallel geschalteter Löscheinrichtung. In diesem Fall wird bevorzugt als Schalter
ein steuerbares Zusatzventil, insbesondere ein Thyristor, verwendet. Als Schalter
kann aber auch ein Schalttransistor vorgesehen sein.
-
Pine Weiterbildung der Fahrachaltung zeichnet sich dadurch aus, daß
in den aus der Erregerwicklung und dem zweiten Freilsufvontil bestehenden Freilaufkreis
ein chmscher Widerstand eingeschaltet ist. Insbesondere sollte hierbei die Reihenschaltung
aus dem zweiten Freilaufventil und dem Widerstand parallel zur Erregerwicklung geschaltet
sein. Mit Hilfe dieses omschen Widerstandes lUt sich die Zeitkonstante einstellen,
die der Feldstrom zu, Abbau im Freilaufkreis benötigt. Experimentelle Untersuchungen
haben ergeben, daß der Widerstandswert recht klein sein kann. Er ist dem speziellen
Anwendungsfall anzupassen und kann beispielsweise 0,1 Ohm betragen.
-
Im allgemeinen Fall ist die Induktivität der Ankerwicklung zu niedrig,
um den Ankerstrom ausreichend zu glätten. In diesem Fall sollte in an sich bekannter
Weise zwischen dei Gleichstromsteller und die Ankerwicklung der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine
eine Glättungsdrosselpule geschaltet sein. Diese Glättungsdrosselpule sollte dabei
in den ersten Freilauttreis ein-
bezogen sein. In diesem Fall Uberbruckt
dann in an sich bekannter Weise das erste Freilaufventil die Reihenschaltung von
Glattungsdrosselspule und Ankerwicklung.
-
Zu einem besonders günstigen und einfachen konstruktiven Aufbau gelangt
man, wenn eine Elektrode des Gleichstromstellers, eine Elektrode des steuerbaren
Zusatzventils, eine Elektrode des ersten Freilaufventils und/oder eine Elektrode
des zweiten Freilaufventils an einem gemeinsamen Schaltpunkt zusammengeführt sind.
In diesem Fell liegen die einzelnen Ventile auf ein und demselben elektrischen Potential,
so daß fUr die genannten Bauelemente ein gemeinsamer Kühlkörper verwendet werden
kann.
-
1Paoh einer weiteren Ausführungsform der Fabrschaltung liegt in Reihe
zum Gleichstromsteller ein ohmscher Feldschwächwiderstand derart, daß die Reihenschaltung
aus Erregerwlcklung und Schalter parallel zur Reihenschaltung aus Gleichstromsteller
und Feldschwächwiderstand angeordnet ist. Dieser Feldschwächwiderstand kann zwei
Aufgaben erfüllen: Zum einen sorgt er für eine Begrenzung des Gleichstromstellerstroms,
falls eine Fehlzündung auftritt; zum anderen muß dann im obersten Drehzahlbereich
der Gleiohstromsteller nicht mehr getaktet werden, sondern kann ebenso wie der Schalter
dauernd eingeschaltet bleiben. Beim weiteren Erhöhen der Drehzahl wird der Ankerstrom
reduziert.
-
Des kann wichtig sein, damit im Feldschwächbereich der Feldsohwäohgrad
einen vorgegebenen minimalen Grenzwert nicht unterschreitet.
-
Für den Fall, daß der Gleichstromsteller ein steuerbares Hauptventil
mit parallel geschalteter löscheinrichtung umfaßt, zeichnet sich ein Verfahren zum
Betrieb der Pahrscbaltung dadurch aus, daß im Bereich ohne Feldschwächung bei gelöschtem
oder Jeweils nur zum Umschwingen der Ladung des Löschkondensators gesUndetem Hauptventil
des Gleichstromstellers und bei tätiger Löscheinrichtung der Schalter anstelle des
Hauptventils betätigt wird. Ein solches Betriebsverfahren ermöglicht es,
einen
bei Gleichetromstellern Ublichen Steuersatz zu verwenden.
-
Dar Schalter, der hier insbesondere als Zusatzthyristor ausgebildet
sein kann, ist dann als zweites Hauptventil anzusehen.
-
Bin weiteres Verfahren zum Betrieb der Fahrschaltung zeichnet sich
dadurch aus, daß im Feldschwächbereich Jeweils zunächst das Zusatzventil gesUndet
wird, daß während der Einschaltdauer des Zusatssentils zusätzlich das Hauptventil
des Gleichstromstellers gesUndet wird, und daß der Zeitabstand zwischen den Zündzeitpunkten
dieser beiden Ventile in Abhängigkeit einer Steuergröße gesteuert wird.
-
Bei der Fahrschaltung, die aus der bereits zitierten Zeitschrift "Elektrotechnik
und Maschinenbau", a.a.0., bekannt ist, ist eine Feldschwächung (Feldstrom kleiner
als Ankerstrom) erst bei nahezu Vollaussteerung möglich, also erst dann, wenn die
Drehzahl die charakteristische Drehzahl nahezu erreicht hat.
-
Als besonderer Vbrteil der Brflodung wird es demgegenUber angesehen,
daß hier praktisch im gesamten Betriebsbereich von Drehsahl Null bis zur maximalen
Drehzahl eine solche Feld schwächung durchgeführt werden kann, insbesondere also
auch bei Drehzahlen, die um einiges unter der charakteristischen Drehzahl liegen,
beispielsweise beim Anfahren. Gerade der Anfahrvorgang und der Betrieb bei sehr
kleiner Drehzahl macht bei Ublichen Gleichstromstellern Schwierigkeiten, weil infolge
einsuhaltender Mindestzeiten ein Herabsteuern der Ausgangsspannung des Gleichstromstellers
nicht ohne weitere Maßnahme (z.B. Herabsetzung der Taktfrequenz) möglich ist. Diese
Maßnahmen waren bisher entweder mit zusätzlichem Steueraufwand verbunden oder zeigten
sonstige Nachteile (z.B. Störung anderer Verbraucher).
-
Unter der Annahme, daß der Maximal zulässige Ankerstrom an den ohmschen
Widerständen im Lastkreis einen Spannungsabfall verursacht, der mindestens so groß
ist wie die Mindestapannung am Ausgang des Gleichstromstellers, kann bei der erfindung
im gesamten Betriebsbereich mit konstanter Taktfrequenz gearbeitet werden, wenn
bereits beim Anfahren von der Feldschwächung
Gebrauch gemacht wird.
Das dadurch bedingte kleinere Anfahrmoment kann den Fahrkomfort bei einem Fahrzeug
erhöhen.
-
Hervorzuheben ist also, daß bei der erfindungagemäßen Fahrschaltung
Anker- und Prregerstrom weitgehend unabhängig voneinander und kontinuierlich einstellbar
sind.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in sechs Figuren dargestellt
und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine erste erfindungsgemäße
Fahrschaltung, Figur 2 eine zweite erfindungsgemäße Fahrschaltung mit einigen zusätzlichen
Bauelementen, Figur 3 ein Diagramm, in dem Ströme und eine Spannung in Abhängigkeit
von der Drehzahl dargestellt sind, Figur 4 eine Ausführungsform einer Steuer- und
Regelschaltung, Figur 5 eine Ausführungsform einer Minimum-Auswahlschaltung, Figur
6 hen Zeitverlauf von Steuersignalen bei Betrieb außsrhalb des Feldschwächbereiche
und Figur 7 den zeitlichen Verlauf von Steuersignalen bei Betrieb im Feldschwächbereich.
-
In Figur 1 ist eine Fahrschaltung für die Gleichstrom-Reihenschlußmaschine
eines Triebfahrzeugs (U-Bahn, Straßenbahn) dargestellt. Bemerkenswert ist, daß Ankerwicklung
2 und Brregerwicklung 4 der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine nur indirekt miteinander
in Reihe geschaltet sind. Zur Speisung der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine mit
einem Strom i ist eine Gleichspannungsquelle 6 vorgesehen, die die Gleichspannung
u besitzt.
-
3. kann sich hierbei um eine Batterie, aber auch um ein Fahrdrahtnetz
mit Lc-Filter handeln. In der Verbindung zwischen dem positiven Pol der Gleiohspannungsquelle
6 und der Ankerwicklung 2 liegt ein Gleichstromsteller 8. Dieser ist eine Ubliche
Zerhackerschaltung, die Transistoren oder aber insbesondere einen Hauptthyristor
mit Löscheinrichtung umfassen kann.
-
Er kann beispielsweise mit einer Taktfrequenz von 250 Hz betrieben
werden. Zur Steuerung des Gleichstromstellers 8 ist
eine Steuer-
und Regelschaltung 10 vorgesehen. Ein erstes ungesteuertes Freilaufventil 12, beispielsweise
eine Halbleiterdiode, ist parallel zur Ankerwicklung 2 gescheltet.
-
Parallel zu. Gleichstromsteller 8 ist eine Reihenschaltung angeordnet,
die aus der Erregerwicklung 4 und einem Schalter 14 besteht. Bei dem Schalter 14
kann es sich um ein steuerbares Zusatzventil, insbesondere - wie eingezeichnet -
um einen Thyristor, handeln. Dieser Thyristor wirkt, wie später noch deutliöh werden
wird, bei Betrieb außerhalb des Feldschwächbereichs als zweites Hauptventil neben
dem Hauptventil des Gleichstromstellern 8. Er ist also in Flußrichtung des Stroms
i gepolt.
-
Der Schalter 14 wird ebenfalls von der Steuer- und Regelschaltung
10 betätigt. Sofern der Gleichstromsteller 8 ein steuerbares Hauptventil mit parallel
geschalteter Löscheinrichtung umfaßt, wird - waa als besonderer Vorteil angesehen
wird - das Zusatsventil von der löscheinrichtung des Gleichstromstellers 8 oitgelöscht.
-
Parallel zur Erregerwicklung 4 liegt ein zweites ungesteuertes Freilaufventil
16; dieses ist in Sperrichtung zum Strom i aus der Gleichspannungsquelle 6 gepolt.
-
Die Anordnung der Bauelemente 8, 12, 14 ist so getroffen, daß ihre
Kathoden an einem Schaltpunkt zusammengeführt sind. Dadurch ergibt sich ein besonders
einfacher konstruktiver Aufbau.
-
3. ist aus Figur 1 ersichtlich, daß die Erregerwicklung 4 und die
Ankerwicklung 2 Jeweils einen eigenen Freilaufkreis besitzen. Der Freilaufkreis
der Ankerwicklung 2, auf den der Ankerstrom iA kommutieren kann, wird durch die
Ankerwicklung 2 und das erste Freilaufventil 12 gebildet. Entsprechend wird der
Freilaufkreis der Erregerwicklung 4, auf den der Feldstrom iF kommutieren kann,
durch die Erregerwicklung 4 und das zweite Freilaufventil 16 gebildet.
-
In Figur 2 ist eine weitere Fahrschaltung dargestellt, die gegenüber
derjenigen von Figur 1 weitere Bauelemente enthält.
-
Auch diese Fahrschaltung ist insbesondere ftlr ein Gleichstrom-Triebfahrzeug
vorgesehen. Im Gegensatz zu Figur 1 ist hier in den aus der Erregerwicklung 4 und
d zweiten Freilaufventil 16 bestehenden Freilaufkreis ein ohmscher Widerstand 18
eingeschaltet. Dieser Widerstand 18 dient zur Einstellung der Zeit konstante dieses
Freilaufkreises. Er kann, je nach Anwendungsfall, relativ niedrig bemessen sein,
z.3. 0,1 Ohm betragen. P Anordnung ist so vorgenommen, daß die aus dem zweiten Freilaufventil
16 und dem Widerstand 18 bestehende Reihenschaltung parallel zur Erregerwicklung
4 geschaltet ist.
-
In Reihe zur Ankerwicklung 2 ist weiterhin eine Glättungsdros selspule
20 geschaltet. Diese dient zur Glättung des Ankerstroms sie ist insbesondere bei
niederer Taktfrequenz pützlich.
-
Die Anordnung ist hier so getroffen, daß das erste Freilnu£ventil
12 parallel zur Reihenschaltung aus Ankerwicklung 2 und Glättungsdrosselspule 20
liegt.
-
In Reihe zum Gleichstromsteller 8 ist ein weiterer ohmscher Widerstand,
und zwar ein Feldachwächwiderstand 22, geschaltet.
-
Dieser Feldschwächwiderstand 22 sorgt defUr, daß bei sehr hohen Drehzahlen
(n2 bis n max in Fig. 3) der Ankerstrom iA reduziert werden kann. Die Anordnung
des Feldschwächwiderstands 22 ist insbesondere so vorgenommen, daß parallel zur
Rethenschaltung aus Gleichstromsteller 8 und Feldschwichwiderstand 22 die Reihenschaltung
aus Erregerwicklung 4 und Schalter 14 liegt. Als Schalter 14 dient auch hier wieder
ein in Flußrichtung des Stroms i gepoltes steuerbares Zusatzventil. Dessen Anode
liegt hier - im Gegensatz zu Figur 2 - an der Anode des Gleichstromstellers 8.
-
Als Gleichstromsteller 8 ist in Figur 2 ein spezieller Gleichstromsteller
eingezeichnet. Dieser Gleichstromsteller ist aus der deutschen Patentschrift 1 242
289 bekannt. Er umfaßt ein
steuerbares Hauptventil 24, dem die
Reihenschaltung eines Löschkondensators 26 mit einem steuerbaren Löschventil 28
parallel geschaltet ißt. Gegenparallel zum Lösohventil 28 liegt die Reihenschaltung
eines ungesteuerten Umschwingventils 30 mit einer Umschwingdrossel 32. Anstelle
dieses ungesteuerten Umschwingventile 30 kann auch ein steuerbares Umschwingventil
verwendet werden; ein solches wird später bei der Steuer- und Regelschaltung nach
Figur 4 vorausgesetzt. Gegenparallel zum Hauptventil 24 liegt noch die Reihenschaltung
aus einem ungesteuerten Rückschwingventil 34 und einer RUckschwingdrossel 36.-3.
soll betont werden, daß auch anders ausgestaltete Zerheckerschaltungen als Gleichstromsteller
8 eingesetzt werden können.
-
In die Steuer- und Regeleinrichtung 10 nach Figur 2 werden insgesamt
drei elektrische Größen eingegeben. Es handelt sich dabei um den Istwert iA des
Ankerstroms, den Sollwert iA des Ankerstroms und den Istwert 1F des Feldstroms.
Die beiden Istwerte iA und iF werden durch (nicht gezeigte) Meßglieder gemessen,
und der Sollwert A* wird an einem (nicht gezeigten) Einstellorgan eingestellt. Die
Steuer- und Regeleinrichtung 10 ist durch Steuerleitungen mit dem Hauptventil 24,
dem Löschventil 28 und dem Zusatzventil 14 verbunden. Eine weitere, gestrichelt
einem zeichnete Steuerleitung kann zum steuerbar ausgeführten Umschwingventil 30
führen.
-
Die in Figur 2 gezeigte Fahrschaltung hat den Vorteil, daß der Lasohkondensator
26 im Betrieb nicht wesentlich über die Spannung u der Gleichspannungsquelle 6 hinaus
aufgeladen wird. Die Dimensionierung des Gleichstromstellers 8 braucht sich daher
nur nach dieser Gleichspannung u zu richten.
-
Aus Figur 9 ist ersichtlich, in welcher Weise die Fabrachaltung nach
Figur 1 oder 2 betrieben werden kann. Das dargestellte Diagramm neigt den Verlauf
der Ankerspannung uA, des Ankerstroms iA und des Feldatross ip in Abhängigkeit von
der Drehzahl n der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine. Es wird im folgenden ein
Anfahrvorgang
beschrieben. Dabei sind drei Drehzahlbereiche zu unterscheiden, die stufenlos nacheinander
durchfahren werden: a) Keine Feldschwächung Ausgehend von der Drehzahl n r 0 wird
mit steigender Aussteuerung des Gleichetromstellers 8 proportional die Ankerspannung
uA vergrößert. Proportional zur Ankerspannung uA steigt die Drehzahl n der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine
an. Der Ankerstrom iA und der Feldstrom iF, die während diewerden ses Hochlaufvorgangs
gleich groß sind,/ hier auf einem maximalen Wert iAmax (von einem in Fig. 1 und
2 nicht gezeigten Stromregelkreis) festgehalten. Natürlich kann der Anfahrvorgang
auch mit einem kleineren vorgegebenen Stromwert erfolgen. Bei einem Punkt 1 hat
die Ankerspannung uA den Wert der Gleichapannung u der Gleichspannungsquelle 6 erreicht.
Nach der vorausgesetzten Definition hat hier die Drehzahl n die charakteristische
Drehzahl n1 angenommen.
-
b) Feldschwächung Fortan wird mit Feldschwächung gearbeitet. Der Feldstrom
iF wird kontinuierlich reduziert, während der Ankerstrom iA den maximal zulässigen
Wert iAmax und die Ankerspannung uA den Wert u beibehält. In einem Punkt 2 hat der
Feldschwächgrad 1 = (iF/iA) einen vorgegebenen Nindeatwert Kmin erreicht.
-
Dieser Mindestwert kann beispielsweise Kmin = 1/3 betragen.
-
Die Drehzahl n hat hier den Wert n2 angenommen.
-
c) Feldschwächung und Ankerstromreduzierung Aus Gründen des elektrischen
Betriebeverhalten der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine darf der Feldschwächgrad
K den Mindestwert Kmin nicht unterschreiten. Daher wird mit weiter steigender Drehzahl
n nun auch der Ankerstrom iA reduziert.
-
In einem Punkt 3 ist dann die maximale Drehzahl nmax erreicht.
-
Abweichend von der Darstellung in Figur 3 ist es mit den Fahrschaltungen
nach Figur 1 oder 2 auch möglich, im Drehzahlbereich zwischen n = 0 und n = n1 Feldschwächung
durchzuführen, also mit iF<iA anzufahren.
-
Zur Funktion der Fahrschaltung nach Figur 2 ist unter Berücksichtigung
von Figur 3 folgendes zu sagen: Bei Hochfahren von der Drehzahl n = O bis zur Drehzahl
n = n1 (Bereich a)) wird nur das Hilfaventil 14 periodisch gezündet und die löscheinrichtung
des Gleichstromstellers 8 in Betrieb gehalten, während das Hauptventil 24 nur zum
Umschwingen jeweils kurz gezündet wird. (Bei anderen Ausgestaltungen des Gleichstromstellers
8 ist es möglich, in dieser Anlaufphase das Hauptventil des Gleichstromstellers
8 ganz gesperrt zu lassen.) In der Einschaltphase des Schalters 14 fließen Ankerstroms
iA und Feldstrom iF gemeinsam auf dem Wege 6, 14, 4, 20, 2 und 6. Io der Freilaufphase
kann der Feldstrom iF Uber den Widerstand 18 und das zweite Frellaufventil 16 weiterfließen,
während der Ankerstrom iA seinen Weg Uber das erste Freilaufventil 12 und die Glättungsdrosselspule
20 nimmt.
-
Im Feldschwächbereich (Bereich b)) wird nun zusätzlich während der
Einschaltdauer des Zusatzventils 14 das Hauptventil 24 im Gleichstromsteller 8 gezUndet.
Dadurch wird für den Strom i ein Nebenweg 24, 22 zum Weg 14, 4 eröffnet, und der
Feld strom iF kann nicht mehr weiter ansteigen. Der Ankerstrom iA nimmt jedoob weiter
zu. Durch geeignete Wahl der ZUndzeitpunkte fllr das Zusatzventil 14 und fUr das
Hauptventil 24 des Gleichstromstellers 8 kann das Verhältnis von Feld strom iF und
Ankerstrom iA und somit der Erregungsgrad kontinuierlich eingestellt werden.
-
In Figur 4 ist eine Steuer- und Regelsohaltung 10 dargestellt, die
fUr einen Gleichstromsteller 8 mit feststehendem Löschimpuls p28 ausgelegt ist.
Sie enthält eine Minimum-Auswahlschaltung 40, der von einem Sollwertgeber 42 der
Sollwert iA* des Ankerstroms und von einem Multiplizierglied 44 eiD Signal
iF/Kmin
vorgegeben ist. Das Multiplizierglied 44, das ein Operationsverstärker mit dem Verstärkungsfaktor
1/Kmin sein kann, ist mit des Istwert iF des Feldstroms beaufschlagt. Am Multiplislerglled
44 wird der noch zulässige mininale Wert Kmin des Feldschwächgrades K in reziproker
Form eingestellt. Gemäß dem früher gewählten Beispiel Kmin = 1/3 kann der Verstärkungsfaktor
al.o 3 betragen. Die Minimum-Auswahlschaltung 40 gibt als Ausgangssignal entweder
den Sollwert iA* oder das Signal iF/Kmin ab, und zwar dasjenige dieser beiden Signale,
das betragsmäßig das kleinere ist.
-
Das Ausgangasignal der Minimum-Auswahlschaltung 40 und der Istwert
iA des Ankerstroms werden dem Vergleichsglied eines Ankerstromreglers 46 zugeführt.
Dessen Reglerausgangssignal ur (Steuerbereich z.B. O bis 10V) wird einem ersten
und einem zweiten Anpaßverstärker 48 bzw. 50 zugeleitet. Diese sind unterschiedlich
eingestellt; sie geben eine erste bzw eine zweite Steuerspannung us1 bzw. us2 ab.
Die beiden Steuerspannungen us1 und us2 werden zusammen mit dem Ausgangssignal uz
eines Sägezahn generators 52 einem ersten bzw. einem zweiten Komparator 54 bzw.
56 zugeführt. Das Ausgangssignal uz hat eine Frequenz, die gleich der gewünschten
Taktfrequenz des Gleichstromstellers 8 ist. An den Ausgang des ersten Komparators
54 ist eine erste Impulsbildungsstufe 58 angeschlossen. Diese gibt in Abhängigkeit
von den Schnittpunkten von uz und ei und den RUcksetzflanken im Ausgangesignal uz
Zündsignale p14, p28, p30 ab, die den einzelnen Ventilen 14, 28 bzw. 30 in Figur
2 zugeleitet werden. Bntspreohend ist an den Ausgang des zweiten Komparators 56
eine zweite Impulsbildungsstufe 60 angeschlossen. Diese gibt in Abhängigkeit von
den Schnittpunkten von uz und us2 ein Zündsignal p24 ab, des dem Hauptventil 24
des Gleichstromstellers 8 in Figur 2 zugeleitet wird. Um stets das Umschwingen des
Löschkondensators 26 sicherzustellen, muß gleichzeitig mit dem Zündsignal p30 auch
ein Zündsignal p24 abgegeben werden (vergl.
-
Leitung 80).
-
In Figur 5 ist eine Ausführungsform der Minimum-Auswahlschaltung 40
dargestellt, die von der Voraussetzung ausgeht, daß der Sollwert ir und das Signal
iF/Kmin positive Signale sind.
-
Diese Signale werden Uber je eine in Sperrichtung gepolte Diode 62
bzw. 64 einem VerknUpfungapunkt 66 zugeführt. An diesem Verknüpfungspunkt 66 liegt
noch oin Widerstand 68, der mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden
ist. Dieser positive Pol ist stets positiver als jedes der beiden Signale it und
iF/Kmin. Je nach Höhe der beiden Signale ist eine der Dioden 62, 64 stromleitend,
so daß entweder as Signal iA* oder das Signal iF/Kmin (zuzüglich des Schwellwerts
der zugehörigen Diode) am Ausgang 70 abgegriffen werden kann.
-
Im folgenden wird die Funktion der Steuer- und Regelschaltung 10 nach
Figur 4 erläutert. Dabei werden die drei möglichen Betriebszustände im einzelnen
betrachtet.
-
a) Betrieb ohne Feldschwächung (Fig. 6) Bei diesem Betrieb ist die
Ankerspannung UA stets kleiner als die Gleichspannung u0 Weiterhin ist bei diesem
Betrieb der Ankerstrom iA stets gleich groß wie der Feld strom iF, d.h. der Wert
(iF/Kmin) ist für die Werte von Kmin kleiner 1 stete größer ala der Istwert iA des
Ankerstroms und damit auch größer als der Sollwert iA* des Ankerstroms. Daher kann
das Signal (iF/Kmin) mit dem Sollwert iA* , muß also nicht mit dem Istwert iA verglichen
werden. Bei diesem Betrieb wird am Ausgang der Minimum-Auswahlschaltung 40 der Sollwert
iA* abgegeben.
-
3. wird im folgenden angenommen, daß sich die Ausgangsspannung ur
des Ankerstromreglers 46 bei Betrieb ohne Feldschwächung nur im Bereich von O bis
5V ändern kann, und daß der Anpaßverstärker 48 hierbei eine Steuerspannung u81 abgibt,
die im Bereich von O bis etwas weniger als 10V liegt.
-
Der Anpaßverstärker 50 dagegen ist so aufgebaut, daß seine
Steuerspannung
um2 bei der Ausgangsspannung ur zwischen O und 5V unter-halb von OV liegt. Hieraus
wird deutlich, daß bei Betrieb ohne Feld schwächung der zweite Komparator 56 nicht
in Eingriff ist, so daß von diesem fUr das Hauptventil 24 keine Zündimpulse p24
gebildet werden. An das Hauptventil 24 werden lediglich ZUndimpulse (Zundaignal
p24) abgegeben, die zum Umschwingen dienen und die identisch mit dem Zündsignal
n30 für das Umschwingventil 30 sind. Die Ausgangaspannung u habe einen Maximalwert
von 10V.
-
Aus Figur 6 geht hervor, daß die erste Steuerspannung us1, die im
Komparator 54 mit der sägezahnförmigen Ausgangsspannung uz verglichen wird, sur
Bildung entsprechend verschiebbarer Zündimpulse fUhrt. In dem Bereich, in dem die
Ausgangsspannung uz größer ist als die erste Steuerspannung us1, werden Impulse
gebildet, die als Zündsignal p28 an das Löschventil 28 weitergeleitet werden. Umgekehrt
werden in dem Bereich, in dem die Ausgangsspannung uz kleiner ist als die erste
Steuerspannung s1, Impulse fUr das Zusatzventil 14 gebildet Diese werden als Zündsignal
p14 an das Zusatzventil 14 weitergeleitet. Kurz vor jedem Löschvorgang tvergl. ZUndsignal
p28) müssen das Hauptventil 24 und das Umschwingventil 30 gesendet werden, damit
der Löschkondensator 26 im Gleichstromsteller 8 umschwingen kann. Es ist aus Figur
6 ersichtlioh, daß die ZUndsignale p24 und p30 zur gleichen Zeit abgegeben werden.
-
b) Betrieb mit Feldschwächung (F1R. 7) Beim Übergang zum Betrieb mit
Feld schwächung steigt die Ausgangsspannung Ur des Ankerstromreglers 46 Uber den
angenomneuen Wert von 5V hinaus an. Nunmehr ist auch der zweite Komparator 56 wirksam,
denn die zweite Steuerspannung us2 nimmt einen Wert größer als OV an.
-
Nach Figur 7 erreicht bei einer Reglerausgangaspannung ur
gleich
5V das Zusatzventil 14 schon den Aussteuerungsgrad toa annähernd 1, d.h. er ist
fast permanent durchgezündet.
-
Die Ankerspannung uA der Gleichstrom-Maschine hat fast den vollen
Wert u erreicht. Um zu verhindern, daß bei weiter ansteigender Drehzahl n der Ankerstrom
iA zurückgeht, wird nun zusätzlich zum Zusatzventil 14 auch das Hauptventil 24 im
Gleichstromsteller 8 gezündet. Je näher die zweite Steuerspannung us2 an die erste
Steuerspannung u81 (diese liegt knapp unterhalb von tOV) herankommt, desto kleiner
wird der Zeitbereich, in dem Spannung an der Peldwioklung 4 liegt, und desto länger
dauert die Freilaufphase. Der Strom i aus der Gleichspannungsquelle 6 fließt bei
Feldschwächbetrieb überwiegend Uber das Hauptventil 24.
-
Sobald die Ausgangsspannung ur einen Wert von 5V Ubersohreitat, kann
die erste Steuerspannung us1 nicht weiter ansteigen.
-
Sie bleibt knapp unterhalb von 10V stehen, damit das Löschventil
28 eine gewisse Mindeszeit (Respektabstand) eingedobrltcrt bleiben kann; während
dieser Mindeatzeit wird der Löschkondensator 26 auf die Höhe der Eingangsspannung
suigeladen.
-
Für die Feldschwächung ist von besonderem Interesse der Bereich,
in dem die beiden Steuerspannungen us1 und us2 eng benachbart sind. Damit der untere
Bereich der Steuerspannung us2 relativ schnell durchfahren werden kann, kann vorgesehen
sein, daß die Verstärkung des Anpaßverstärkers 50 in Abhängigkeit von der Reglerausgangsspanung
ur geführt wird.
-
c) Betrieb mit Feldschwächung und Ankerstromreduzierung Dieser Betrieb,
der in Figur 3 zwischen den Punkten 2 und 3 dargestellt ist, kann ebenfalls mit
der Steuer- und Regelschaltung 10 naob Pig. 4 durchgeführt werden.
-
Bei hohen Drehzahlen n darf, wie bereits erwähnt, der Feld-
schwächgrad
K einen bestimmten minimalen Grenzwert Kmin nicht unterschreiten. Daher muß entsprechend
der Verringerung des Feldstroms iF auch der Ankerstrom iA reduziert werden. Die
Reduzierung wird so vorgenommen, deß von der Drehzahl n2 an der Feldschwächgrad
K konstant und auf dem kleinsten zuläszigen Feldschwächgrad Kmin festgehalten bleibt.
-
Da in diesem Bereich der Wert (iF/Kmin) kleiner als der Sollwert
iA* ist, schaltet die Minimum-Auswahlschaltung 40 um, und an ihrem Ausgang erscheint
nunmehr statt iA* der Wert (iF/Kmin). Dieser wird dem Ankerstromregler 46 fortan
als Sollwert zugeführt. Die Funktion der Steuer- und Regeleinrichtung 10 mit diesem
neuen Sollwert ist die gleiche wie unter b) bereits geschildert. Es gelten damit
im Prinzip auch die iD Fig. 7 dargestellten Zeitdiagramme.
-
11 Patentansprüche 8 Piguren