DE2731501C3

DE2731501C3 - Regelanordnung für einen mit Reihenschluß-Nebenschluß-Umschaltung betriebenen Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2731501C3
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: 1980-08-14
Also published as: DE2731501A1; FR2358291A1; JPS538910A; US4171506A; FR2358291B1; CA1103789A; DE2731501B2

Description

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.

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 Taktverhältnisses im Umschaltaugenblick erreicht durch gleichzeitige Vorgabe einer entsprechend niedrigen festen Steuergröße für das Taktverhältnis. Dabei wird sofort eine Steuergröße vorgegeben, die dem schwächsten Motorfeld und damit der höchsten Motordrehzahl entspricht. Um unzulässige Überströme zu vermeiden, wirkt dabei eine 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 nicht 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

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

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

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

F i g. 7 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungslorm der Regelanordnung,

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

Fig. 10 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Regelanordnung,

Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in F i g. 10 dargestellten Ausführungsform,

Fig. 12 eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform der Regelanordnung und

Fig. 13 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeiisweise der in Fi g. 12 dargestellten Ausführungsfonn.

F i g. 1 zeigt die Grundschaltung eines elektrischen ί riebfahrzeugs, 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 wird der Motor als Nebenschlußmotor betrieben, wobei die Feldwicklung Fder Ankerwicklung A parallel liegt

Wie Fig. 1 zeigt, bilden eine Drosselspule Lf und ein Kondensator C_fe\n Filter für den Betriebsstrom, der den Wechselstromanteil des Verbraucherstromes vor der löst dieses Problem mit einer nachfolgend beschriebenen Regelanordnung.

F i g. 2A zeigt eine Regelschaltung nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Bei diesem Stromregelsystem wird der Feidstrom I_F (im Reihenschlußbetrieb ist dieser Feldstrom I_F gleich dem Ankerstrom I_A) vom Zerhacker CH gesteuert. Die Abweichung zwischen einem von einem Feldstrom-Sollwertgeber 1 bereitgestellten Feldstrom-Sollwertsignal

Oberleitung fernhält und damit den in dieser fließenden io V_pund einem Istwertsignal K/_Fdes Feldstroms /^gelangt c. .--.-. ^-_ „___■ ^ .... · ,_{L über eine} Verstärkerstufe 2 an einen Phasenschieber 3.

Mit einem phasenverschobenen Steuerausgangssignal S₂ 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 LZS₂ 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_mai erreicht, werden die Schalter US, und US₂ geschlossen, und gleichzeitig wird das Eingangssignal S, des Phasenschiebers 3 von einem (in Fi g. 2B dargestellten) Ausgangssignal S₃ 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-Drosselstute 4 wird anschließend allmählich wieder verringert. Dies geschieht genügend langsam, um eine dadurch bedingte Übergangsänderung des Feldsiromes /fklein zu halten.

Wenn man lediglich das Taktverhällnis 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 K-/ (vgl. Fig. 1) in Abhängigkeit von der Oberleitungsspannung K= ändert, und weil die Schwankungsbreite bis zu 1500 V ±20% betragen kann. Der Feldstrom

Strom glaset Dejn Kondensator Cr liegt eine Reihenschaltung parallel, die aus der Ankerwicklung A des Motors, einem Gleichrichter D\, der einen Kurzschluß der Netzspannung bei geschlossenen Schaltern US, und US₂ verhindert, der Feldwicklung F des Motors, einer Glättungsdrossel MSL, die den Ankerstrom Ja glättet, sowie einem Zerhacker CH besteht Mit den Schaltern US\ und US₂ wird die Feldwicklung F des Motors zwischen Reihenschlußbetrieb und Nebenschlußbetrieb umgeschaltet Wenn beide Schalter US, und US₂ offen sind, liegt eine Schaltung für einen Reihenschlußmotor vor, und wenn beide Schalter geschlossen sind, liegt eine Schaltung für einen Nebenschlußmotor vor. Eine Freilaufdiode D₂ läßt den durch die Energie der Glättungsdrossel MSI aufrechterhaltenen Strom weiterfließen, wenn der Zerhacker CH »ausgeschaltet« ist.

Bei einer solchen Schaltungsanordnung werden die Schalter US\ und LAS₂ vom Anfahrzeitpunkt des elektrisch betriebenen Fahrzeugs bis zum Erreichen der Nenndrehzahl bzw. der Nenngeschwindigkeit rffen 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 durchgeführt. Wenn das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH (das ist das Verhältnis zwischen dem Zeitraum, während dem der Zerhacker CH Strom führt, und der Betriebsperiodt des Zerhackers CH) den größten Wert Vm.« und das Fahrzeug die Nenngeschwindigkeit erreicht hat, werden die Schalter LASi 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 I_F kleiner als der Ankerstrom U 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.

Beim Nebenschlußbetrieb, bei dem die Schalter LASi und US₂ geschlossen sind, ist die aus der Feldwicklung F des Motors und der Glättungsdrossel MSL bestehende Reihenschaltung über den Zerhacker direkt mit der Oberleitung verbunden. Bei elektrisch betriebenen 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 Feldsirom /, im Umschaltaugenblick auf einem gleichbleibenden Wert zu halten (nämlich auf dem f-ici' hen 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 Nebenschlußbetrieb muß daher eine plötzliche Änderung des Taktverhältnisses von einem hohen auf einen kleinen Wert vorgei.ommen werden. Die vorliegende Erfindung ι _ ¹V χ r

¹I — ΊΪ

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55 im Nebenschlußbetrieb ist nämlich proportional der Filterkondensatorspannung. Es sei beispielsweise angenommen, daß der größte Wert ^S₃),,,.,* des Ausgangssignals Sj der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 bei der in Fig. 2A dargestellten Schaltung im Hinblick darauf eingestellt wurde, daß die Filterkondensatorspannung K/ - 1500 V ist. Dann erfährt der Feldstrom l_Fim 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 /weite Problem besteht darin, daß der einzustellende FeIdstromsollwert V_P 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 leeren Fahrzeug. Es sei beispielsweise angenommen, daß Jer größte Wert (Ss),,,.,* der Ausgangsspannung S_s der T?ktverhältnis-Drosselstufe 4 bezüglich eines Feldstromsollwertes 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 T ktverhältnis-Einstellstufe 5 vorgesehen, die ein Taktverhältnis einstellt, welches entsprechend einem Istwertsignal V_cr' der Spannung Kv des Filterkondensators Q unmittelbar vor Schließen der Schalter USs und USi 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 V_c/(einem Wert, der dem Betriebsbzw. Fahrzustand des Fahrzeugs entspricht) des Filterkondensators C/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 USs und USi in F i g. 1 geschlossen, und gleichzeitig wird ein Schalter SW (der mit den Schaltern US\ und US₂ mechanisch in Verbindung stehen kann) ebenfalls geschlossen, um das Eingangssignal S\ des Phasenschiebers 3 durch das Ausgangssignal S3 der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 und damit das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH zu verringern. Das Ausgangssignal (S})max der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 wird zum Zeitpunkt des Schließens des Schalters SW, d. h. zum Zeitpunkt i₀ durch das Ausgangssignal 54 der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 eingestellt, wobei das Ausgangssignal Si entsprechend dem Istwertsignal Ky' der Filterkondensatorspannung V_ci unmittelbar vor Schließen der Schalter US\ und US₂ in F i g. 1 erhalten wird. Die Ausgangssignal-Kennlinie der Taktverhältnis-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 /pgleich

wobei /?foden Innenwiderstand der Feldwicklung Fund der Glättungsdrossel MSL bezeichnet. Das Taktverhältnis γ zum Halten des Feldstroms Ir auf dem Wert vor Schließen der Schaltung US₁ und t/S₂wird

/_fx«

FO

V,

cf

Das Taktverhältnis ist also umgekehrt proportional der Filterkondensatorspannung K* Da die Spannungsschwankung der Oberleitungsspannung V₅ etwa 1500 V ±20% beträgt kann die Ausgangs-Kennlinie der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 diesen Schwankungsbereich überdecken. Die Ausgangs-Kenniinie der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 soll nun für ein tatsächlich ausgeführtes Beispiel einer Schaltung angegeben werden. Angenommen der Feldstrom If (der dem Ankerstrom Ι_Λ gleich ist) sei vor Schließen der Schalter USs und US₂ (während der Zeit, während der die Feldwicklung F in Reihenschlußschaltung liegt) 800 A und der Innenwiderstand Rfo 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 Ky von 1200 V bis 1800V dargestellt. Wie die Fig.4 zeigt, weist das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH, das über der Filterkondensatorspannung K/ oder dem entsprechenden Istwertsignal Kv' aufgetragen ist, einen linearen Verlauf auf. Da das Taktverhältnis γ proportional der Eingangsspannung S\ 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 (S%)nu, der Ausgangsspannung Sj der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 wird dadurch erhalten, daß die Ausgangsspannung S₄ der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 von der Eingangsspannung (St)_maxdes Phasenschiebers 3 abgezogen wird und den größten Wert y™, 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_ma» des Zerhackers CH den Wert 0,98 aufweist. Die Eingangsspannung (Ss)_max des Phasenschiebers 3, die ein größtes Taktverhältnis y_max gleich 0,98 ergibt, ist 9,8 V. Die Ausgangsspannung S₄ der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 ist entsprechend dem Taktverhältnis γ gleich 0,1 bei einer Filterkondensatorspannung Vd= 1600V, also IV groß (vgl. Fig.4). Infolgedessen muß der größte Wert (Sj)_max der Ausgangsspannung S3 der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 den Wert (S₃)_ma* = 9,8 V -1 V = 8,8 V aufweisen. Die größte Ausgangsspannung (S₃)_max der Taktverhältnis-Drosselstufe 4, die in dieser Weise berechnet wurde, ist in Fig.6 über der Filterkondensatorspannung V_cr aufgetragen.

Nachdem die Schalter USs und US2 in Fig. 1 geschlossen sind, um die Feldwicklung F des Motors in Nebenschluß zu schalten, nimmt die Ausgangsspannung S3 der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 mit der Zeit allmählich ab (vgl. Fig.2B), und die Steuerung des Feldstroms If wird entsprechend dem Feldstrom-Sollwertsignal Vp 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 Kv, die unmittelbar vor Schließen der Schalter USs und USn in F i g. i auftritt, durchgeführt, und dies bewirkt, daß ein Sprung bzw. eine Übergangsänderung des Stromes unmittelbar nach Schließen der Schalter CSi und US2 unterdrückt wird.

Wenn die Charakteristik bzw. Kennlinie der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 mit der gemessenen Oberleitungsspannung V₅ anstelle der Filterkondensatorspannung Va eingestellt wird, so ändert sich dadurch die Funktion, Arbeitsweise und Wirkung nicht

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

Ausführungsform gemäß den F i g. 2A und 2B darin, daß die Ausgangsspannung 54 der Taktverhältnis-Einstellstufe 5 entsprechend dem Istwertsignal V_cr' der Filterkondensatorspannung V_ci zusätzlich abhängig vom Feldstrom-Sollwertsignal V_f> des Sollwertgebers 1 ist. Wenn der Innenwiderstand der Feldwicklung Fund der Glättungsdrossel MSL in F i g. 3 den Wert Rio — 0,2 Ω aufweist, so ergibt sich eine Ausgangs-Charakteristik der Taklverhältnis-Einstellstufe 5, wie sie in Fig.8 dargestellt ist, und die Ausgangs-Charakteristik der Taktverhältnis-Drosselstufe 4 ist in Fig.9 dargestellt. Bei den in den Fig.8 und 9 dargestellten Kennlinien weisen die Feldstrom-Sollwerte V_p die Werte V_p , = 800 A, V_p ₂ = 600 A und V_p ₃ = 400 A auf.

Dadurch kann eine Übergangsänderung des Feldstromes If zwischen dem Zeitpunkt vor dem Schließen der Schalter US\ und LiS₂ und dem Zeitpunkt nach Schließen der Schalter USi und US₂ unterdrückt werden.

Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen gemäß den F i g. 2A und 7 wird das Ausgangssignal S3 zum Drosseln, d. h. Verringern des Taktverhältnisses des Zerhackers CH an den Eingang des Phasenschiebers 3 gelegt. Dieses Ausgangssignal S3 kann jedoch auch an den Verbindungspunkt zwischen dem Feldstrom-Sollwertsignal Vp und dem Feldstrom-Istwertsignal V/pdes Feldstromes Ifgelegt werden. Natürlich muß in diesem Falle eine Taktverhältnis-Drosselspannung unter Beachtung, daß die Verstärkerstufe 2 keine Änderungen 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.

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-Sollwertsignals 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 schwankt.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurde ein aus den Betriebsbedingungen des vorangehenden Betriebes hergeleitetes Ausgangssignal zum bewußten und zusätzlichen Drosseln, d. h. Verkleinern, des Zerhacker-Taktverhältnisses beim Umschalten der Feldwicklung des Motors vom Reihenschiuß- 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-Impuls des Zerhackers CH ausgelöscht Dann kommt der Zerhacker CH in einen vollständigen Kurzschlußzustand, und der Feldstrom //rwird auf einmal größer als der Feldstrom-Sollwert Vp. Daher wird das Zerhacker-Taktverhältnis vom Stromsteuersystem automatisch auf das kleinste Taktverhältnis ymin heruntergedrosselt. Wenn die Motordrehzahl ansteigt, wird der Feldstrom If kleiner als der Feldstrom-Sollwert Vp, und das Zerhacker-Taktverhältnis γ steigt dann wieder über den kleinsten Wert y_mi„ 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 US₁ und US₂ geschlossen und es findet eine Umschaltung auf den Nebenschlußbetrieb statt. Dann

kann die Übergangsänderung des Feldstromes /f in der gleichen Weise wie bei der bewußten Verringerung des Zerhacker-Taktverhältnisses 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 Vp des Sollwertgebers 1 und dem Feldstrom-Istwertsignal V;/rdes Feldstromes /pwird dem Phasenschieber 3 als Eingangssignal b über die Verstärkerstufe 2 zugeleitet Der Phasenschieber 3 liefert dem Zerhacker CH »Einschalt«-lmpulse c, deren Frequenz von einem Oszillator 6 vorgegeben und deren Phasenlage vom Eingangssignal b bestimmt ist. Ein »Ausschaltw-Impulsgenerator 7 stellt dem Zerhacker CH synchron mit dem Oszillator 6 "»Ausschaltw-Impulse d bereit. Wenn beispielsweise ein bekannter Thyristor-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 US\ und CS₂ (vgl. F i g. 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 If (der gleich dem Ankerstrom / ist), bei konstant gehaltenem Feldstrom-Sollwert V_p konstant gemacht. Wenn die Motorspannung Vm ansteigt, wird das Taktverhältnis γ des Zerhackers Vm ansteigt, wird das Taktverhältnis γ des Zerhackers CH durch Steuerung der Phasenverschiebung des »Ejnschalt«-Impulses c des Phasenschie-

bers 3 groß. Die Änderungen des Feldstroms If und der Phasenverschiebung des »Einschaltw-Impulses c sind in Fig. 11 dargestellt. Wenn das Fahrzeug die Nenngeschwindigkeit während des Zeitraumes Γι mit einer Steuerung mit vollem Magnetfeld im wesentlichen erreicht hat, geht die Phasenverschiebung des »Einschalt«-Impulses cdes Phasenschiebers 3 in einen Wert (Qnux entsprechend dem größten Zerhacker-Taktverhältnis y_max entsprechend dem größten Zerhacker-Taktverhältnis y_max über, und die Phasenverschiebung (C)_max

so wird mit einem die größte Phasenverschiebung feststellenden Detektor 8 festgestellt. Der die größte Phasenverschiebung feststellende Detektor 8 stellt zürn Zeitpunkt f₀ (vgl. Fig. 11) ein Ausgangssignal e bereit, um eine »Ausschalta-Impuls-Kurzschlußstufe 9 des Zerhackers CH in Funktion zu setzen. Da die »Ausschalt«-Impuls-Kurzschlußstufe 9 den »Ausschalt«-Impuls d kurzschließt, gelangt der »Ausschalt«- Impuls d nicht an den Zerhacker CH, der dadurch (während des Zeitraums 7}) 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_max in den sogenannten Zerhakker-Kurzschluß gebracht wird, ist Vc/x(l — y_ma*), wobei Vcf die Oberleitungsspannung ist Wenn der Widerstandswert einer aus der Ankerwicklung A, der Feldwicklung F und der Glättungsdrossel MSL bestehenden Reihenschaltung mit Ro 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 ,„.·,, um 4 //-an und wird (7/)_ma» in F i g. 11. Bei einer tatsächlich ausgeführten Schaltungsanordnung betrug der Wert V_t._f=1500V, für y_ma,=s0,98 und für /?o = O,4 ergab dies If= 75 A. Wie F i g. 11 zeigt, ist der Feldstrom //- unmittelbar vor dem Zerhacker-Kurzschluß durch eine Regelabweichung ho kleiner als der Feldstrom-Sollwert Vp. Unter der Annahme, daß der Feldstrom-Sollwert Κ_ρ=500Α und die Regelabweichung IFo-= 50 A ist, wird der Feldstrom (lF)max daher sofort nach dem Zerhacker-Kurzschluß 525 A, also etwas größer als der Feldstrom-Sollwert Vp. Infolgedessen wird die Abweichung a zwischen dem Feldstrom-Sollwert Vp und dem Feldstrom-Istwert V/f des Feldstroms If kleiner als Null, so daß der Phasenschieber 3 keinen »Einschalt«-Impuls cbereitstellt. Nach dem Zerhacker-Kurzschluß fällt der Feldstrom If bei ansteigender Motorspannung von (lp)max allmählich ab. Wenn der Feldstrom If zum Zeitpunkt t\ kleiner als der Feldstrom-Sollwert V₉ wird, liefert der Phasenschieber 3 wieder den »Einschalt«-Impuls c. Da ein die Phasenverschiebung feststellender Detektor 10 vom Ausgangssignal e des die größte Phasenverschiebung feststellenden Detektors 8 in Funktion gesetzt wird, fühlt der die Phasenverschiebung feststellende Detektor 10 die Phasenverschiebung des »Einschalt«-Impulses c beim Zerhacker-Kurzschluß ab und stellt einem Vergleicher 12 ein Ausgangssignal /"bereit. Am anderen Eingang des Vergleichers 12 liegt ein Einstellwert g von einer Phasenverschiebungs-Einstellstufe 11 an, die eine Phasenverschiebung des »Einschalt«-Impulses c entsprechend dem Zerhacker-Taktverhältnis γ voreinstellt, bei dem der Feldstrom If 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 f des die Phasenverschiebung feststellenden Detektors 10 gleich dem Einstellwert g der Phasenverschiebungs-Einstellstufe 11 (zum Zeitpunkt t₂ in Fig. 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 größte Phasenverschiebung feststellenden Detektors 8 anliegt, gibt das UND-Glied 13 ein Ausgangssignal /ab. Das Ausgangssignal / des UND-Gliedes 13 wird ein Steuersignal zum Schließen der in Fig. 1 dargestellten Schalter US\ und US₂, und ein Steuersignal für die »Ausschaltw-Impuls-Kurzschluß-Freigabe der »Ausschaltw-Impuls-Kurzschlußstufe 9, um den Zerhacker-Kurzschluß freizugeben bzw. auszulösen. Infolgedessen wird die Feldwicklung F des Motors in den Nebenschlußbetrieb umgeschaltet, und der Zerhacker CH beginnt auf Grund des »Einschaltw-Impulses c und des »AusschaltÄ-Impulses d wieder mit dem Zerhackerbetrieb. Da die Phasenverschiebung des »Einschalt«-Impulses 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 US\ 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 Fig. 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,,,,η 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 Ro der Schaltung größer wird, oder wenn die Regelabweichung /rodes Feldstromes If groß ist, wenn der Zerhacker vom größten Zerhacker-Taktverhältnis >w kurzgeschlossen wird, wird der Feldstrom h 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 g der Phasenverschiebungs-Einstellstufe 11 wird. Beispielsweise wird der Fall betrachtet, bei dem die Regelabweichung Ifo des Feldstromes /f(wie in Fig. 13 dargestellt ist) groß ist, wenn der Zerhacker-Kurzschluß durch den »Einschalt«- Impuls (C)mnx entsprechend dem größten Zerhacker-Taktverhältnis γ_η,,ι_Χ, wie dies durch eine gestrichelte Kurve (zum Zeitpunkt fi) angedeutet ist. vorgenommen wird, bei dem weiterhin der Feldstrom //■■ kleiner als der Feldstrom-Sollwert V_p ist, und bei dem schließlich die Phasenverschiebung des »Einschaltw-Impulses größer als der Einstellwert g-der Phasenverschiebungs-Einstellstufe 11 ist.

Infolgedessen wird sofort nach dem Zerhacker-Kurzschluß die Nebenschluß-Verbindung der Feldwicklung F (d. h. das Schließen der Schalter US₁ und US₂) und die Freigabe des Zerhacker-Kurzschlusses ausgeführt, und der Feldstrom /rsteigt stark an.

Bei dem in F i g. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Kurzschließen des Zerhackers vorgenommen, bevor das Taktverhältnis des Zerhackers das einstellbare größte Taktverhältnis y,„.„ erreicht. Die Phasenverscniebung, bei der die Phasenverschiebung des »Einschalt«-Impulses c kleiner als der Einstellwert g der Phasenverschiebungs-Einsteileinheit 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«-Impulses c an. Daher stellt der Vergleicher 15 ein Ausgangssignal e bereit, wenn das Ausgangssignal j der Kurzschluß-Phasenverschiebungs-Einstelleinheit 14 gleich der Phasenverschiebung des »Einschalt«-lmpulses cwird. Das Ausgangssignal esetzt die »Ausschalttt-Impuls-Kurzschlußstufe 9 in Funktion und schließt den »Ausschalt«-Impuls c/kurz, so daß der Zerhacker in den Kurzschlußzustand gebracht wird.

Nach dem Zerhacker-Kurzschluß ist die Funktionsweise dieselbe wie bei dem in F i g. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel und es treten auch dieselben Wirkungen auf.

Die in den Fi g. 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 »Einschait«-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 vom Verstärkungsgrad des Stromregelsystems aufweist.

Immer dann, wenn die Feldwicklung des Motors vom Reihenschluß- auf Nebenschlußbetrieb umgeschaltet wird, wird erfindungsgemäß die optimale Zerhackerregelung vorgenommen, so daß Übergangsänderungen bzw. Stromsprünge zwischen dem Zustand vor der Umschaltung und dem Zustand nach der Umschaltung verhindert werden können.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

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 (S \) eine von der augenblicklichen Vsrsorgungsspannung und/oder dem augenblicklichen Belastungsstrom, abhängige, entgegengesetzt gerichtete Zusatz-Steuergröße (S3) 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 Reihenschluß-Nebenschluß-Umschallung der Feldwicklung betriebenen Gleichstrommotor eines elektrischen Triebfahrzeuges mit einem mit 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 der Zerhacker (CH) vor der Umschaltung auf Nebenschlußbetrieb durch einen zusätzlichen Steuerbefehl in den Kurzschluß steuerbar ist, während gleichzeitig die das Taktverhältnis bestimmende Steuergröße kurzzeitig auf Null gesetzt wird, und daß die Umschaltung auf Nebenschlußbetrieb unter gleichzeitiger Aufhebung des Zerhacker-Kurzschlusses dann erfolgt, wenn die das Taktverhältnis bestimmende Steuergröße unter dem Einfluß 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 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 Strom über den Strom-Sollwert hinaus ansteigt.