DE2731501B2

DE2731501B2 - Regelanordnung für einen mit Reihenschlufl-Nebenschluß-Umschaltung .betriebenen Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2731501B2
Application number: DE2731501A
Authority: DE
Inventors: Michimasa Mito Horiuchi; Hiroshi Narita; Takashi Tsuboi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-07-14
Filing date: 1977-07-12
Publication date: 1979-11-29
Also published as: FR2358291A1; DE2731501C3; DE2731501A1; US4171506A; CA1103789A; JPS538910A; FR2358291B1

Description

W)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung für einen mit Reihenschluß-Nebenschluß-Umschaltung der Feldwicklung betriebenen Gleichstrommotor, gemäß den Gattungsbegriffen der Ansprüche 1 und 2. b^r>

Aus der US-PS 37 55 724 ist eine derartige Regelanordnung bekannt. Wegen des geringen Widerstandes der Feldwicklung ist die im Nebenschlußbetrieb erforderliche mittlere Spannung, die vom Zerhacker zu liefern ist, wesentlich niedriger als die im vorhergehenden Reihenschlußbetrieb erreichte maximale Spannung. Im bekannten Fall wird die dadurch erforderliche starke Herabsetzung des Taktverhähnisses im Umschaltaugenblick erreicht durch gleichzeitige Vorgabe eicer entsprechend niedrigen festen Steuergröße für das Taktverhältnis. Dabei wird 5ofort eine Steuergröße vorgegeben, die dem schwächsten Motorfeld und damit der höchsten Motordrehzahl entspricht Um unzulässige Oberströme zu vermeiden, wirkt dabei e-.ne nur im Nebenschlußbetrieb wirksame und vom Stromistwert im Ankerstromkreis abgeleitete Strombegrenzung ebenfalls auf die Steuergröße ein. Mit dieser Anordnung ist es jedoch, insbes. bei sich ändernden äußeren Betriebsbedingungen, noch nicht möglich, zu erreichen, daß die den Erregerstrom durch die Feldwicklung treibende Spannung vor und nach dem Umschalten im wesentlichen gleich ist Vielmehr muß dies erst durch die Strombegrenzung in einem Regelvorgang erreicht werden, wodurch ein völlig stoßfreies Umschalten iiicht möglich ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Augenblick des Umschaltens eine genauere Anpassung des Taktverhältnisses an die nach der Umschaltung für einen stoßfreien Übergang erforderliche Spannung an der Feldwicklung und damit einen ruckfreien Betrieb zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die gestellte Aufgabe ist auch durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 angegebenen Merkmale zu lösen.

Bei den Lösungen ist gemeinsam, daß eine sowohl für den Reihenschlußbetrieb als auch für den Nebenschlußbetrieb vorgesehene Stromregelung für den Feldstrom im Sinne der Aufgabenstellung ausgestaltet wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelanordnung ist in einem Unteranspruch angegeben.

Ausführungsbeipsiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die von einem Zerhacker gesteuerte Grundschaltung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird,

F i g. 2A und 2B eine Schaltungsanordnung bzw. ein Diagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Regelanordnung,

Fig. 3 bis 6 Diagramme, die der Erläuterung der Arbeitsweise der in F i g. 2A dargestellten Ausführungsform dienen,

Fig. 7 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Regelanordnung,

Fig.8 und 9 Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig.7 dargestellten Ausführungsform,

F i g. 10 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Regelanordnung,

Fig. U ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 10dargestellten Ausführungsform,

Fig. 12 eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform der Regelanordnung und

Fig. 13 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 12dargestellten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt die Grundschaltung eines elektrischen Triebfahrzeugs, bei der die vorliegende Erfindung angewendet wird. Mit dieser Schaltungsanordnung wird

ein Gleichstrommotor unterhalb einer Nenndrehzahl als Reihenschlußmotor betrieben, bei dem eine Feldwicklung F des Gleichstrommotors mit dessen Anker A in Reihe liegt. Oberhalb der Nenndrehzahl vird der Motor als Nebenschlußmotor betrieben, wobei die Feldwicklung Fder Ankerwicklung A parallel iiegt

Wie Fig. 1 zeigt, bilden eine Drosselspule L₁ und ein Kondensator QeIn Filter für den Betriebssirom, der den Wechselstromanteil des Verbraucherstromes von der Oberleitung fernhält und damit den in dieser fließenden ι ο Strom glättet. Dem Kondensator Ct liegt eine Reihenschaltung parallel, die aus der Ankerwicklung A des Motors, einem Gleichrichter Di, der einen Kurzschluß der Netzspannung bei geschlossenen Schaltern USi und US2 verhindert, der Feldwicklung F des Motors, einer Glättungsdrossel MSZ, die den Ankerstrom Ia glättet, sowie einem Zerhacker CH besteht Mit den Schaltern USi und US2 wird die Feldwicklung F des Motors zwischen Reihenschlußbetrieb und Nebenschlußbetrieb umgeschaltet Wenn beide Schalter USt und LiSi offen sind, Iiegt eine Schaltung für einen Reihenschlußmotor vor, und wenn beide Schalter geschlossen sind, Iiegt eine Schaltung für einen Nebenschlußmotor vor. Eine Freilaufdiode Di läßt den durch die Energie der Glättungsdrossel MSI aufrechterhaltenen Strom 2^r> weiterfließen, wenn der Zerhacker CH »ausgeschaltet« ist.

Bei einer solchen Schaltungsanordnung werden die Schalter USi und HS2 vom Anfahrzeitpunkt des elektrisch betriebenen Fahrzeugs bis zum Erreichen der j» Nenndrehzahl bzw. der Nenngeschwindigkeit oi'fen gehalten, so daß während dieses Zeitraumes ein Reihenschlußmotor vorliegt, und es wird vom Zerhakker CH die Steuerung mit starkem Magnetfeld, die sogenannte Vollfeldsteuerung, beim Antrieb durchge- r> führt. Wenn das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH (das ist das Verhältnis zwischen dem Zeitraum, während dem der Zerhacker CH Strom führt, und der Betriebsperiode des Zerhackers CH) den größten Wert y„m und das Fahrzeug die Nenngeschwindigkeit erreicht hat, werden die Schalter US\ und US2 geschlossen, so daß der Motor als Nebenschlußmotor arbeitet. Dabei wird das Taktverhältnis γ des mit der Feldwicklung F in Reihe liegenden Zerhackers CH so " gesteuert, daß der Feldstrom //.- kleiner als der 4-, Ankerstrom Ia werden kann. Es wird also die Steuerung mit schwachem Magnetfeld, die sogenannte Schwachfeldsteuerung, beim Antrieb vorgenommen. Dadurch ist es möglich, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs weiter zu erhöhen. ">o

Beim Nebenschlußbetrieb, bei dem die Schalter US\ und US2 geschlossen sind, ist die aus der Feldwicklung F des Motors und der Glättungsdrossel MSL bestehende Reihenschaltung über den Zerhacker direkt mi! der Oberleitung verbunden. Bei elektrisch betriebenen r> Fahrzeugen ist der Widerstand Rio der aus der Feldwicklung F des Motors und der Glättungsdrossel MSL bestehenden Reihenschaltung normalerweise sehr klein (0,1 bis 0,2 Ω). Um den Feldstrom // im Umschaltaugenblick auf einem gleichbleibenden Wert t>o zu halten (nämlich auf dem gleichen Wert, wie für den vorangehenden Reihenschlußbetrieb), muß das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH daher auch nach der Umschaltung auf den Nebenschlußbetrieb klein sein.

Beim Umschalten vom Reihenschluß- zum Neben- t>5 schlußbetrieb muß daher eine plötzliche Änderung des Taktverhältnisses von einem hohen auf einen kleinen Wert vorgenommen werden. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem mit einer nachfolgend beschriebenen Regelanordnung.

Fig.2A zeigt eine Regelschaltung nach einer erfindungsgemäflen Ausführungsform. Bei diesem Stromregelsysteni wird der Feldstrom If (im Reihenschlußbetrieb ist dieser Feldstrom If gleich dem Ankerstrom Ia) vom Zerhacker CH gesteuert. Die Abweichung zwischen einem von einem Feldstrom-Sollwertgeber 1 bereitgestellten Feldstrom-Sollwertsignal V_p und einem Istwertsignal Wdes Feldstroms /^gelangt über eine Verstärkerstufe 2 an einen Phasenschieber 3. Mit einem phasenverschobenen Steuerausgangssignal Si des Phasenschiebers 3 wird das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH so gesteuert, daß ein am Sollwertgeber 1 vorgegebener Feldstrom fließt. Wenn die Schalter US] und US2 in F i g. 1 offen sind und damit der Reihenschlußmotor vorliegt, und wenn das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH in diesem Zustand den größten Wert y_max erreicht, werden die Schalter US] und USi geschlossen, und gleichzeitig wird das Eingangssignal S< des Phasenschiebers 3 von einem (in F i g. 2B dargestellten) Ausgangssigrial 53 einer Taktverhältnis-Drosselstufe 4 verkleinert. Zu dem Zeitpunkt, bei dem die Feldwicklung F des Motors im Nebenschluß betrieben wird, wird das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH klein gemacht. Das Ausgangssignal S3 der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 wird anschließend allmählich wieder verringert. Dies geschieht genügend langsam, um eine dadurch bedingte Übergangsänderung des Feldstromes Ifklein zu halten.

Wenn man lediglich das Taktverhältnis des Zerhakkers CH bei der Umschaltung in der beschriebenen Weise verringert, treten jedoch die nachfolgend beschriebenen Schwierigkeiten auf, wenn der Betriebszustand des Fahrzeugs nicht mit in Betracht gezogen wird. Die erste Schwierigkeit tritt deshalb auf, weil sich die Filterkondensator-Spannung Kf (vgl. Fig. 1) in Abhängigkeit von der Oberleitungsspannung V₁ ändert, und weil die Schwankungsbreite bis zu 1500 V ±20% betragen kann. Der Feldstrom

Rrr

im Nebenschlußbetrieb ist nämlich proportional der Filterkondensatoi'spannung. Es sei beispielsweise angenommen, daß der größte Wert (Si)„_m des Ausgangssignals Si der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 bei der in Fig. 2A dargestellten Schaltung im Hinblick darauf eingestellt wurde, daß die Filterkondensatorspannung Κ/ = 1500 V ist. Dann erfährt der Feldstrom l_F\m Falle von ±20% Abweichung der Filterkondensatorspannung von diesem Wert sofort nach dem Umschalten der Feldspule Fdes Motors in Nebenschluß vorübergehend eine Stromänderung ebenfalls von ±20%. Das zweite Problem besteht darin, daß der einzustellende Feldstromsollwert Vp wesentlich von der Anzahl der im Fahrzeug zu befördernden Personen, d. h. davon abhängt, ob das Fahrzeug leer oder besetzt ist. Der Feldstromsollwert; bei einem besetzten Fahrzeug ist etwa 200% größer als der Feldstromsollwert bei einem lee^ren Fahrzeug. Es sn beispielsweise angenommen, daß der größte Wert (/j),,,.,, der Ausgangsspannung Si der Taktverhältni' D.osselstufe 4 bezüglich eines Feldstromsollwertcs eingestellt wurde, der ein Mittelwert aus dem Feldstromsollwert des leeren Fahrzeugs und dem Feldstromsollwert des besetzten Fahrzeugs ist.

Dann erfährt der Feldstrom // sofort nach der Umschaltung der Feldspule F des Motors in Nebenschluß vorübergehend eine Stromänderung von bis zu ±30%.

Um diese Schwierigkeiten auszuräumen, ist in F i g. 2A eine Taktverhältnis-Einstellstufe 5 vorgesehen, die ein Taktverhältnis einstellt, welches entsprechend einem Istwertsignal V_Cf' der Spannung V₁/ des Filterkondensators Cr unmittelbar vor Schließen der Schalter US, und US₂ erhalten wird. Das Ausgangssignal 54 der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 gelangt an die Taktverhältnis-Drosselstufe 4 und die Verkleinerung des Taktverhältnisses des Zerhackers CH wird entsprechend der Spannung Kleinem Wert, der dem Betriebsbzw. Fahrzustand des Fahrzeugs entspricht) des Filterkondensators (^durchgeführt.

Die Arbeitsweise und Funktion der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 soll nachfolgend im einzelnen erläutert werden.

Wenn das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH den höchsten Wert y_max und das Fahrzeug die Nenngeschwindigkeit erreicht hat, werden die Schalter US, und US₂ in F i g. 1 geschlossen, und gleichzeitig wird ein Schalter SW (der mit den Schaltern LtS, und US₂ mechanisch in Verbindung stehen kann) ebenfalls geschlossen, um das Eingangssignal Si des Phasenschiebers 3 durch das Ausgangssignal 53 der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 und damit das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH zu verringern. Das Ausgangssignal (Sj)nax der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 wird zum Zeitpunkt des Schließens des Schalters SW, d. h. zum Zeitpunkt /0 durch das Ausgangssignal S4 der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 eingestellt, wobei das Ausgangssignal St entsprechend dem Istwertsignal V_cf' der Filterkondensalorspannung V_cr unmittelbar vor Schließen der Schalter US\ und US₂ in F i g. 1 erhalten wird. Die Ausgangssignal-Kennlinie der Taktverhäitnis-Einstellstufe 5 wird in der nachfolgend beschriebenen Weise berechnet. Bei einer in Fig.3 dargestellten Schaltung, bei der die Feldwicklung F in Nebenschluß liegt, wird der Feldstrom //-gleich

wobei Rroden Innenwiderstand der Feldwicklung Fund der Glättungsdrossel MSL bezeichnet. Das Taktverhältnis γ zum Halten des Feldstroms If auf dem Wert vor Schließen der Schaltung LJS, und US₂ wird

Ic

κ,,

Das Taktverhältnis ist also umgekehrt proportional der Filterkondensatorspannung V_rf Da die Spannungsschwankung der Oberleitungsspannung V₁ etwa 1500 V ±20% beträgt, kann die Ausgangs-Kennlinie der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 diesen Schwankungsbereich überdecken. Die Ausgangs-Kennlinie der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 soll nun für ein tatsächlich ausgeführtes Beispiel einer Schaltung angegeben werden. Angenommen der Feldstrom Ip (der dem Ankerstrom I_A gleich ist) sei vor Schließen der Schalter LiSi und US₂ (während der Zeit, während der die Feldwicklung F in Reihenschlußschaltung liegt) 800 A und der Innenwiderstand R_m der Feldwicklung Fund der Glättungsdrossel MSL sei 0,2 Ω. Die Ausgangs-Kennlinie der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 ist in F i g. 4 für Filterkondensatorspannungen V,/von 1200V bis 1800V dargestellt. Wie die Fig.4 zeigt, weist das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH, das über der Filterkondensatorspannung K/oder dem entsprechenden Istwertsignal K₁/ aufgetragen ist, einen linearen Verlauf auf. Da das Taktverhältnis γ proportional der Eingangsspannung Si des in Fig. 2A dargestellten Phasenschiebers 3 ist, ist die Ausgangs-Kennlinie der in Fig.4 dargestellten Taktverhältnis-Einstellstufe 5 in eine Spannungskennlinie übergeführt worden, die entsprechend dem Taktverhältnis γ in der Größe der Eingangsspannung Si des Phasenschiebers 3 berechnet wurde. Der größte Wert (S3)max der Ausgangsspannung S3 der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 wird dadurch erhalten, daß die Ausgangsspannung St der Takt verhältnis-Einstellstufe 5 von der Eingangsspannung (S,)_max des Phasenschiebers 3 abgezogen wird und den größten

2(i Wert )>ma* des Taktverhältnisses γ des Zerhackers CH ergibt. Beispielsweise sei eine Kennlinie des Phasenschiebers 3 so angenommen, daß das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH sich um 0,1 verändert, wenn sich die Eingangsspannung Si um 1 V verändert (vgl. F i g. 5). Es sei beispielsweise angenommen, daß das maximale Taktverhältnis y_max des Zerhackers CH den Wert 0,98 aufweist. Die Eingangsspannung (S,)_max des Phasenschiebers 3, die ein größtes Taktverhältnis y_mak gleich 0,98 ergibt, ist 9,8 V. Die Ausgangsspannung S₄ der

κι Taktverhältnis-Einstellstufe 5 ist entsprechend dem Taktverhältnis γ gleich 0,1 bei einer Filterkondensatorspannung Vcf= 1600V, also 1 V groß (vgl. Fig.4). Infolgedessen muß der größte Wert (Si)_max der Ausgangsspannung S3 der Taktverhältnis-Drosselstufe 4

r, den Wert (Si)_max = 9,8 V- 1 V = 8,8 V aufweisen. Die größte Ausgangsspannung (Si)mn der Taktverhältnis-Drosselstufe 4, die in dieser Weise berechnet wurde, ist in Fig.6 über der Filterkondensatorspannung V₁/ aufgetragen.

4» Nachdem die Schalter US, und US₂ in Fig. 1 geschlossen sind, um die Feldwicklung Fdes Motors in Nebenschluß zu schalten, nimmt die Ausgangsspannung S3 der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 mit der Zeit allmählich ab (vgl. F i g. 2B), und die Steuerung des

-15 Feldstroms If wird entsprechend dem Feldstrom-Sollwertsignal V_n des Sollwertgebers 1 ausgeführt.

Gemäß dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Drosselung bzw. Verkleinerung des Taktverhältnisses des Zerhackers CH in Abhängigkeit der Filterkondensatorspannung V₁/, die unmittelbar vor Schließen der Schalter USi und US₂ in Fig. 1 auftritt, durchgeführt, und dies bewirkt, daß ein Sprung bzw. eine Übergangsänderung des Stromes unmittelbar nach Schließen der Schalter USi und US2 unterdrückt wird.

Wenn die Charakteristik bzw. Kennlinie der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 mit der gemessenen Oberleitungsspannung Vj anstelle der Filterkondensatorspannung V_cr eingestellt wird, so ändert sich dadurch die Funktion, Arbeitsweise und Wirkung nicht

Fig.7 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, um sowohl mit den Schwankungen der Oberleitungsspannung als auch mit unterschiedlichen Werten des Feldstrom-Sollwertsignals fertig zu werden. In F i g. 7 sind die den Schaltungsteilen in Fi g. 2A entsprechende Schaltungsteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen

Ausführung.sform gemäß den Γ i g. 2A und 2B darin, daß die Ausgangsspannung S₄ der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 entsprechend dem Istwerlsignal K/' der Filterkondensiitüispanniing Ki zusätzlich abhängig vom Feldstrom-Sollwerisignal V;· des Sollwertgebers 1 ^r> ist. Wenn der Innenwiderstand der l⁷cldwicklung Fund der Glätlungsdrossel MSL in Fig. 3 den Wert Rio = 0,2 Ω aufweist, so ergibt sich eine Ausgangs-Charakteristik der Taktverhältnis-Einstellstufe 5, wie sie in F^:ig. 8 dargestellt ist, und die Ausgangs-Charakteristik ι ο der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 ist in Fig. 9 dargestellt. Bei den in den Fig. 8 und 9 dargestellten Kennlinien weisen die Feldslrom-Sollwerle V_p die Werte V₁,, = 800 A, V_n ₂ = 600 A und V₁, ₃ = 400 A auf. ι^r)

Dadurch kann eine Übergangsänderung des Feldstromes //zwischen dem Zeitpunkt vor dem Schließen der Schalter US\ und US₂ und dem Zeitpunkt nach Schließen der Schalter LASi und US2 unierdrückt werden. 2»

Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen gemäß den Fig. 2A und 7 wird das Ausgangssignal 53 zum Drosseln, d. h. Verringern des Taktverhältnisses des Zerhackers CH an den Eingang des Phasenschiebers 3 gelegt. Dieses Ausgangssignal 53 kann jedoch auch an 2^r> den Verbindungspunkt zwischen dem Feldstrom-Sollwertsignal Vp und dem Feldstrom-lstwertsignal K/rdes Fcldstromcs // gelegt werden. Natürlich muß in diesem Falle eine Taktverhällnis-Drosselspannung unter Beachtung, daß die Verstärkerstufe 2 keine Änderungen j< > mit hereinbringt, verwendet werden. Diese Maßnahme ist beispielsweise im Zusammenhang mit einem magnetischen Phasenschieber vorteilhaft, der sowohl die Funktionen der Verstärkerstufe 2 als auch die des Phasenschiebers 3 übernimmt. Vi

Bei den zuvor angegebenen beiden Ausführungsformen wurden die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die Schwankungen der Oberleitungsspannung bzw. sowohl der Oberleitungsspannung als auch des Feldstrom-Sollwerlsignals w beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch nur im Zusammenhang mit einer Berücksichtigung des Feldstrom-Sollwertes verwendbar, wie dies beispielsweise in einem batteriebetriebenen Fahrzeug der Fall ist, bei dem die Versorgungsspannung nur wenig <r> schwankt.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurde ein aus den Betriebsbedingungen des vorangehenden Betriebes hergeleitetes Ausgangssignai zum bewußten und zusätzlichen Drosseln, d. h. Verkleinern, des Zerhacker-Taktverhältnisses beim Umschalten der Feldwicklung des Motors vom Reihenschluß- auf Nebenschlußbetrieb bereitgestellt. Nachfolgend soll eine Regelanordnung angegeben werden, die eine selbsttätige Verringerung des Zerhackers-Taktverhältnisses ermöglicht Wenn das Zerhacker-Taktverhältnis γ beim Reihenschlußbetrieb den größten Wert y_max erreicht, wird der »Ausschaltw-lmpuls des Zerhackers CH ausgelöscht Dann kommt der Zerhacker CH in einen vollständigen Kurzschlußzustand, und der Feldstrom /fwird auf einmal größer als der Feldstrom-Sollwert Vp. Daher wird das Zerhacker-Taktverhältnis vom Stromsteuersystem automatisch auf das kleinste Takt verhältnis JWn heruntergedrosselt Wenn die Motordrehzahl ansteigt, wird der Feldstrom Ifkleiner als der Feldstrom-Sollwert Vp, und das Zerhacker-Taktverhältnis γ steigt dann wieder über den kleinsten Wert y_m;_B an. Das Zerhacker-Taktverhältnis γ wird zu diesem Zeitpunkt gemessen und mit dem Ausgangssignal der Zerhacker-Taktverhältnis-Einstellstufe 5 verglichen. Wenn die Werte einander gleich sind, werden die Schalter USi und US> geschlossen und es findet eine Umschaltung auf den Nebenschlußbetrieb statt. Dann kann die Übergangsänderung des Feldstromes Iy in der gleichen Weise wie bei der bewußten Verringerung des Zerhacker-Taktverhällnisses γ unterdrückt werden.

Nachfolgend soll eine derartige Ausführungsform im einzelnen beschrieben werden.

Im folgenden wird auf F i g. 10 Bezug genommen. Die Abweichung a zwischen dem Feldstrom-Sollwertsignal V_p des Sollwertgebers 1 und dem Feldstrom-Istwertsignal VVdes Feldstromes //-wird dem Phasenschieber 3 als Eingangssignal b über die Verstärkerstufe 2 zugeleitet. Der Phasenschieber 3 liefert dem Zerhacker CH »Einschaltw-Impulse c, deren Frequenz von einem Oszillator 6 vorgegeben und deren Phasenlage vom Eingangssignal b bestimmt ist. Ein »Ausschaltw-Impulsgenerator 7 stellt dem Zerhacker CHsynchron mit dem Oszillator 6 xAusschaltw-Impulse d bereit Wenn beispielsweise ein bekannter Thyrislor-Zerhacker verwendet wird, werden die »Einschalt«-Impulse can einen Hauptthyristor, um den Zerhacker CH in den leitenden Zustand zu versetzen, und die »Ausschalt«-Impulse dan einem Löschthyristor gelegt, um den Zerhacker CH in den nichtleitenden Zustand zu versetzen. Vom Anfahren des Fahrzeuges bis etwa zur Nenngeschwindigkeit werden die Schalter USt und US₂ (vgl. Fig. 1) offen gehalten, so daß ein Reihenschlußmotor vorliegt, und die Steuerung mit starkem Magnetfeld wird vom Zerhacker CH durchgeführt. Bei der Steuerung mit starkem Magnetfeld wird der Feldstrom //■ (der gleich dem Ankerstrom / ist), bei konstant gehaltenem Feidstrom-SoÜwert V_p konstant gemacht. Wenn die Motorspannung Vm ansteigt, wird das Taktverhältnis )' des Zerhackers Vm ansteigt, wird das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH durch Steuerung der Phasenverschiebung des »Einschalt«-Impulses c des Phasenschiebers 3 groß. Die Änderungen des Feldstroms //-und der Phasenverschiebung des »Einschalt«-Impulses csind in Fig. 11 dargestellt. Wenn das Fahrzeug die Nenngeschwindigkeit während des Zeitraumes Ti mit einer Steuerung mit vollem Magnetfeld im wesentlichen erreicht hat, geht die Phasenverschiebung des »Einschalt«-lmpulses edes Phasenschiebers 3 in einen Wert (Ό»*» entsprechend dem größten Zerhacker-Taklverhältnis )'„,„» entsprechend dem größten Zerhacker-Taktverhältnis )>„,,■„ über, und die Phasenverschiebung (C)„_m wird mit einem die größte Phasenverschiebung feststellenden Detektor 8 festgestellt Der die größte Phasenverschiebung feststellende Detektor 8 stellt zum Zeitpunkt ίο (vgl. Fig. 11) ein Ausgangssignal e bereit, um eine »Ausschalt«-Impuls-Kurzschlußstufe 9 des Zerhackers CH in Funktion zu setzen. Da die »AusschaIt«-lmpuls-Kurzschlußstufe 9 den »Ausschalt«-Impuls d kurzschließt, gelangt der »Ausschalt«- Impuls d nicht an den Zerhacker CH, der dadurch (während des Zeitraums T₂) in einen vollständig leitenden Zustand übergeht, d. h. es liegt der sogenannte Zerhacker-Kurzschluß vor. Die Spannungsänderung zu dem Zeitpunkt, bei dem der Zerhacker CH durch das größte Taktverhältnis y_m„ in den sogenannten Zerhakker-Kurzschluß gebracht wird, ist V^x (1 — y_m„), wobei Vcf die Oberleitungsspannung ist Wenn der Widerstandswert einer aus der Ankerwicklung A, der Feldwicklung Fund der Glättungsdrossel MSL bestehenden Reihenschaltung mit Rq bezeichnet wird, ergibt

sich für die Schwankung bzw. Änderung Δ Ir beim Feldstrom //der Ausdruck

Das heißt, der Feldstrom // steigt bezüglich seines Wertes zum Zeitpunkt des größten Zerhacker-Taktverhältnisses y,„.,v um Δ Ii an und wird (li)mm in F i g. 11. Bei in einer tatsächlich ausgeführten Schaltungsanordnung betrug der Wert Ky= 1500 V, für y,„._Aa0,98 und für /?(, = 0,4 ergab dies // =s75 A. Wie Fi g. 11 zeigt, ist der Feldstrom // unmittelbar vor dem Zerhacker-Kurzschluß durch eine Regelabweichung ho kleiner als der ιί Fcidstrom-Sollwcrt Vp. Unter der Annahme, daß der Feldstrom-Sollwert V_p=500A und die Regelabweichung //o=50 A ist, wird der Feldstrom (h)ma\ daher sofort nach dem Zerhacker-Kurzschluß 525 A, also etwas größer als der Feldstrom-Sollwert Vp. Infolgedes- 2» sen wird die Abweichung a zwischen dem Feldstrom-Sollwert Vp und dem Feldstrom-lstwert Vif des Feldstroms If kleiner als Null, so daß der Phasenschieber 3 keinen »Einschalt«-Impuls c bereitstellt. Nach dem Zerhacker-Kurzschluß fällt der Feldstrom If bei ansteigender Motorspannung von (lfima* allmählich ab. Wenn der Feldstrom /_Fzum Zeitpunkt U kleiner als der Feldstrom-Sollwert V_p wird, liefert der Phasenschieber 3 wieder den »Cinschalt«-lmpuls c. Da ein die Phasenverschiebung feststellender Detektor 10 vom jn Ausgangssignal e des die größte Phasenverschiebung feststellenden Detektors 8 in Funktion gesetzt wird, fühlt der die Phasenverschiebung feststellende Detektor 10 die Phasenverschiebung des »Einschalt«-lmpulses c beim Zerhacker-Kurzschluß ab und steüi einem r, Vergleicher 12 ein Ausgangssignal /"bereit. Am anderen Eingang des Vergleichers 12 liegt ein Einsieüwert g von einer Phasenverschiebungs-Einstellstufe 11 an, die eine Phasenverschiebung des »Einschaltw-lmpulses c* entsprechend dem Zerhacker-Taktverhältnis γ voreinstellt, bei dem der Feldstrom /#.- im wesentlichen gleich dem Feldstrom If vor der Umschaltung wird, wenn die Feldwicklung F des Motors vom Reihenschluß- auf Nebenschlußbetrieb umgeschaltet wurde. Wenn das Ausgangssignal /"des die Phasenverschiebung feststel- -r> lenden Detektors 10 gleich dem Einstellwert g der Phasenverschicbungs-Einstellstufc 11 (zum Zeitpunkt t₂ in F i g. 11) ist, gibt der Vergleicher 12 ein Ausgangssignal h an ein UND-Glied 13 ab. Da am anderen Eingang des UND-Gliedes 13 das Ausgangssignal e des die in größte Phasenverschiebung feststellenden Detektors 8 anliegt, gibt das UND-Glied 13 ein Ausgangssignal /ab. Das Ausgangssignal i des UND-Gliedes 13 wird ein Steuersignal zum Schließen der in Fig. 1 dargestellten Schalter i/S_t und US₂, und ein Steuersignal für die »Ausschaltw-Impuls-Kurzschluß-Freigabe der »Ausschalt«-lmpuls-Kurzschlußstufe 9, um den Zerhacker-Kurzschluß freizugeben bzw. auszulösen. Infolgedessen wird die Feldwicklung F des Motors in den Nebenschlußbetrieb umgeschaltet, und der Zerhacker CH to beginnt auf Grund des »Einschalte-Impulses c und des »Ausschaltw-lmpulses d wieder mit dem Zerhackerbetrieb. Da die Phasenverschiebung des »Einschalt«-lmpulses c zu diesem Zeitpunkt gleich dem Einstellwert g der Phasenverschiebungs-Einstellstufe 11 ist, wird der Feldstrom If auf einem Wert gehalten, der im wesentlichen gleich dem Wert zu dem Zeitpunkt ist, bei dem die Feldwicklung Fin Reihenschlußbetrieb war. Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist kein getrennter bzw. zusätzlicher Schaltungsteil zum Verringern des Zerhacker-Taktverhältnisses γ erforderlich. Vor Schließen der Schalter US₁ und US₂ in F i g. 1 kann das nach dem Schließen erforderliche Zerhacker-Taktverhältnis γ eingestellt werden. Mit dieser Ausführungsform ist es daher möglich, die Übergangsänderung des Feldstromes //zu dem Zeitpunkt, wenn die Schalter US\ und US₂ geschlossen werden, zu unterdrücken.

Fig. 12 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem die den in F i g. 10 dargestellten Teilen entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Die in Fig. 10 dargestellte Ausführungsform wurde im Zusammenhang mit dem Fall erläutert, bei dem der Zerhacker-Kurzschluß durch das steuerbare größte Zerhacker-Taktverhältnis γ,,,.,_χ hergestellt wurde, wobei der Feldstrom // größer als der Feldstrom-Sollwert V_p wird. Wenn die Zahl der Reihenkomponenten des Motors jedoch höher ist und der Widerstandswert R₀ der Schaltung größer wird, oder wenn die Regelabweichung //odes Feldstromos Λ groß ist, wenn der Zerhacker vom größten Zerhacker-Taktverhältnis y„,j> kurzgeschlossen wird, wird der Feldstrom //nicht immer größer als der Feldstrom-Sollwert Vp. Daher tritt manchmal der Fall ein, daß die Phasenverschiebung des »Einschalt«-Impulses c nicht kleiner als der Einstellwert gder Phasenverschiebungs-Einstellstufe 11 wird. Beispielsweise wird der Fall betrachtet, bei dem die Regelabweichung //■» des Feldstromes //(wie in Fig. 13 dargestellt ist) groß ist, wenn der Zerhacker-Kurzschluß durch den »Einschaltwlmpuls (C)„uy entsprechend dem größten Zerhacker-Taktverhältnis y_mj<, wie dies durch eine gestrichelte Kurve (zum Zeitpunkt f.) angedeutet ist, vorgenommen wird, bt-i dem weiterhin der Feldstrom //kleiner als der Feldstrom-Sollwert V_p ist, und bei dem schließlich die Phasenverschiebung des »Einscha!t«-!rnpu!ses größer als der Einstellwert gder Phasenverschiebungs-Einstellstufe 11 ist.

Infolgedessen wird sofort nach dem Zerhacker-Kurzschluß die Nebenschluß-Verbindung der Feldwicklung F (d. h. das Schließen der Schalter US_{ und US₂) und die Freigabe des Zerhacker-Kurzschlusses ausgeführt, und der Feldstrom //steigt stark an.

Bei dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Kurzschließen des Zerhackers vorgenommen, bevor das Taktverhältnis des Zerhackers das einstellbare größte Taktverhältnis )'_nm erreicht. Die Phasenverschiebung, bei der die Phasenverschiebung des »Einschalt«-lmpulses c kleiner als der Einstellwert g der Phasenverschiebungs-Einstelleinheit 11 nach dem Zerhacker-Kurzschluß wird, wird vorher mit einer Kurzschluß-Phasenverschiebungs-Einstelleinheit 14 eingestellt. Das Ausgangssignal j dieser Einheit 14 gelangt als Eingangssignal an einen Vergleicher 15. Am anderen Eingang des Vergleichers 15 liegt die Phasenverschiebung des »Einschalt«-lmpulses c an. Daher stellt der Vergleicher 15 ein Ausgangssignal e bereit, wenn das Ausgangssignal /der Kurzschluß-Phasen verschiefrmgs-Einstelleinheit 14 gleich der Phasenverschiebung des »Einschalt«-Impulses cwird. Das Ausgangssignal esetzt die »Ausschalta-lmpuls-Kurzschlußstufe 9 in Funktion und schließt den »Ausschalt«-Impuls d kurz, so daß der Zerhacker in den Kurzschlußzustand gebracht wird. Nach dem Zerhacker-Kurzs,ch!uß ist die Funktionsweise dieselbe wie bei dem in Fig. 10 dargestellten Ausrührungsbeispiel und es treten auch dieselben Wirkungen auf.

II

Die in den Fig. 10 und 12 dargestellten Ausführungsformen betrafen den Fall, bei dem die Phasenverschiebung durch den »Einschalt«-Impuls c des Phasenschiebers 3 festgestellt wird. Die Funktion und Wirkungsweise ist auch dann gleich, wenn die Phasenverschiebung durch das Eingangssignal b des Phasenschiebers 3 festgestellt wird, weil die Phasenverschiebung des »Einschalt«-Impulses c proportional dem Eingangssignal b des Phasenschiebers 3 ist. Bei der Erläuterung der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform wurde ange-

nommen, daß der Feldstrom //eine Regelabweichung in Abhängigkeit vorn Ver;;tärkungsgrad des Stromregelsystems aufweist.

Immer dann, wenn die Feldwicklung des Motors vom

> Reihenschluß- auf Nebenschlußbetrieb umgeschaltet wird, wird erfindungsgemäß die optimale Zerhackerregclung vorgenommen, so daß Übergangsänderungen bzw. Stromsprünge zwischen dem Zustand vor der Umschaltung und dem Zustand nach der Umschaltung

in verhindert werden können.

Hierzu Γι Hlatl Zeichnunncn

Claims

Patentansprüche:

1. Regelanordnung für einen mit Reihenschluß-Nebenschluß-Umschaltung der Feldwicklung betriebenen Gleichstrommotor eines elektrischen Triebfahrzeuges mit einem der Feldwicklung ständig in Reihe liegenden Zerhacker, dessen Taktverhältnis mit steigender Motordrehzahl zunächst im Reihenschlußbetrieb auf einen maximalen Wert gesteigert und dann zusammen mit der Umschaltung auf Nebenschlußbetrieb stark herabgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen eines sowohl im Reihenschlußbetrieb als auch im Nebenschlußbetrieb wirksamen Stromregelkreises für den Feldstrom im Umschaltaugenblick der das Taktverhältnis des Zerhackers (CH) bestimmenden Steuergröße (Sl) eine von der augenblicklichen Versorgungsspannung und/oder dem augenblicklichen Belastungsstrom, abhängige, entgegengesetzt gerichtete Zusatz-Steuergröße (53) in der Weise aufschaltbar ist, daß die den Feldstrom treibende Gleichspannung vor und nach der Umschaltung im wesentlichen gleich bleibt.

2. Regelanordnung für einen mit Reihenscihluß-Nebenschluß-Umschaltung der Feldwicklung betriebenen Gleichstrommotor eines elektrischen Triebfahrzeuges mit einem mit der Feldwicklung standig in Reihe liegenden Zerhacker, dessen Taktverhiiltnis mit steigender Motordrehzahl zunächst im Reihen- w schlußbetrieb auf einen maximalen Wert gesteigert und dann zusammen mit der Umschaltung auf Nebenschlußbetrieb stark herabgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen eines sowohl im Reihenschlußbetrieb als auch im Nebenschlußbe- r> trieb wirksamen Stromregelkreises für den FeIdstrom der Zerhacker (CH) vor der Umschaltung auf Nebenschlußbetrieb durch einen zusätzlichen Steuerbefehl in den Kurzschluß steuerbar ist, während gleichzeitig die das Taktverhältnis beütim- 4» mende Steuergröße kurzzeitig auf Null gesetzt wird, und daß die Umschaltung auf Nebenschlußbetrieb unter gleichzeitiger Aufhebung des Zerhacker-Kurzschlusses dann erfolgt, wenn die das Tastverhältnis bestimmende Steuergröße unter dem Einfluß 4^r> des Stromreglers einen unter Berücksichtigung; der augenblicklichen Versorgungsspannung und/oder des augenblicklichen Belastungsstromes vorgegebenen Wert erreicht hat, derart, daß der Feldstrom vor und nach der Umschaltung im wesentlichen gleich ^r>o bleibt.

3. Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullsetzung der das Taktverhältnis bestimmenden Steuergröße durch den Regler selbsttätig dadurch erfolgt, daß im Augenblick des Zerhacker-Kurzschlusses der Sixom über den Strom-Sollwert hinaus ansteigt.