DE2755246C2

DE2755246C2 - Schaltungsanordnung für die Bremsung einer Gleichstrom-Reihenschlußmaschine

Info

Publication number: DE2755246C2
Application number: DE2755246A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Loderer; Helmut Dipl.-Ing. 8510 Fürth Sauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-12-12
Filing date: 1977-12-12
Publication date: 1982-06-03
Also published as: US4264846A; JPS5489211A; DE2755246A1

Description

— parallel zum Anker (2) ist ein Gleichstromsteller (8) angeordnet, der aus einem in Durchlaßrichtung für den Bremsstrom gepolten Thyristor und einer parallel geschalteten Löscheinrichtung besteht;

— der Gleichstromsteller (8) ist zur Erzielung einer Feldschwächung im gesamten Betriebsbereich mit Zeitverzögerung nach dem in Reihe mit der Reihenschluß-Erregerwicklung (4) liegenden Thyristor (14) zündbar;

-die löschung beider Thyristoren erfolgt gemeinsam durch die dem Gleichstromsteller (8) zugeordnete Löscheinrichtung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für die Bremsung einer Gleichstrom-Reihenschlußmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Gleichstrom-Maschinen werden für verschiedene Antriebszwecke eingesetzt. Insbesondere bei elektrisehen Triebfahrzeugen wird vorwiegend die Gleichstrom-Reihenschlußmaschine verwendet, bei der Ankerwicklung und Feld- oder Erregerwicklung miteinander in Reihe geschaltet sind. Beim Bremsen dieser Maschine ist es aus mehreren Gründen wünschenswert, den durch die Erregerwicklung fließenden Feldstrom kleiner als den durch die Ankerwicklung fließenden Ankerstrom einstellen zu können, d. h. also im Feldschwächbereich zu arbeiten.

Aus der Siemens-Zeitschrift 47 (1973), Heft 3, Seiten 155 bis 159, insbesondere Bild 2, ist eine Bremsschaltung für einen Straßenbahn-Triebwagen bekannt, die durch Umgruppierung von elektrischen ^ Bauelementen mit Hilfe von Schützen ( = Umschaltmittel) aus einer Fahrschaltung hervorgeht. Die bekannte Bremsschaltung ist für reinen Widerstandsbremsbetrieb, also nicht für gemischten Nutz- und Widerstandsbremsbetrieb, eingerichtet. Sie ist so aufgebaut, daß beim Bremsen, d. h. nach Umgruppierung der einzelnen Bauelemente der Fahrschaltung, ein Bremsstrom auf einem Kreiswege fließen kann, der durch Erreger- und Ankerwicklung der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine, eine Glättungsdrosselspule, einen Gleichstromsteller, dem die Reihenschaltung aus einem Freilaufventil mit einem Bremsschalter und einem ohmschen Bremswiderstand parallel geschaltet ist, ein weiteres ungesteuertes Freilaufventil und die Reihenschaltung von zwei weiteren ohmschen Bremswiderständen, und zwar in der angegebenen Reihenfolge, gebildet ist Die genannten weiteren Widerstände sind durch Schütze kurzschließbar. Durch Takten des Gleichstromstellers wird der wirksame Bremswiderstand stufenlos verstellt Parallel zur Erregerwicklung ist die Reihenschaltung aus einem Schalter, z. B. einem Schaltschütz, mit einem ohmschen Feldschwächwiderstand angeordnet Durch Betätigung dieses Feldschwächschalters wird das Motorfeld bei hoher Geschwindigkeit des Straßenbahn-Triebwagens geshuntet Der Erregerstrom wird dadurch kleiner als der Ankerstrom (Feldschwächbetrieb). Dadurch kann bei hoher Geschwindigkeit im Bremseinsatz ein zu großes Bremsmoment verhindert werden. — Es ist also festzuhalten, daß im Feldschwächbereich ein Teil des Feldstromes über den Feldschwächwiderstand, der parallel zur Erregerwicklung liegt, geleitet wird. Dieser Feldschwächwiderstand wird dabei mit Hilfe des Schalters in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zu- und abgeschaltet Nachteilig ist hierbei, daß ein mechanischer Schalter als Feldschwächschalter eingesetzt wird, der einem gewissen Verschleiß unterliegt Weiterhin ist nachteilig, daß durch das Zuschalten die Feldschwächung nur stufenweise zu- oder abnimmt.

Aus der Zeitschrift »E und M«, Jg. 85 (1968), Heft 3, Seiten 110 bis 117, insbesondere Abbildung 8e samt zugehöriger Beschreibung, ist eine Bremsschaltung für eine Gleichstrommaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs bekannt, die auf dom Prinzip der Nutzbremsung mit automatischer Feldschwächung beruht Bei dieser Bremsschaltung ist der Ankerwicklung einer Gleichstrom-Reihenschlußmaschine die Reihenschaltung aus einem Thyristor und aus der Erregerwicklung parallel geschaltet. Der Thyristor ist Teil eines Gleichstromstellers und zur Steuerung des Bremsstromes periodisch zünd- und löschbar. Parallel zur Erregerwicklung liegt eine Freilaufdiode, die bei gesperrtem Gleichstromsteller den Erregerstrom übernehmen kann. Die Ankerwicklung ist weiterhin über eine Rücklaufdiode an ein Verbrauchernetz angeschlossen. — Bei dieser bekamen Bremsschaltung setzt die Feldschwächung nur bei einer Aussteuerung nahe Null des Gleichsiromstellers automatisch ein; im übrigen Stellbereich ist Feldschwächung nicht möglich.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 23 29 146 ist eine Bremsschaltung für gemischten Nutz- und Widerstandsbremsbetrieb einer generatorisch arbeitenden Gleichstrom-Reihenschlußmaschine bekannt. Ankerund Feldwicklung sind hierbei vorzugsweise mit einem kurzschließbaren Stabilisierungswiderstand zu einer Reihenschaltung zusammengefaßt. Dieser Reihenschaltung ist sowohl ein Gleichstromsteller als auch ein Bremszweig, bestehend aus der Serienschaltung eines Bremswiderstandes mit einem steuerbaren Bremsventil, parallel geschaltet. Die Reihenschaltung ist weiterhin über ein ungesteuenes Rücklaufventil an eine zumindest zeitweise stromaufnahmefähige Gleichstromquelle angeschlossen. Die Bremsschaltung ist insbesondere für die Gleichstrom-Reihenschlußmaschine eines im Fahrbetrieb aus einem Gleichstrom-Fahrleitungsnetz gespeisten Triebfahrzeugs vorgesehen. Ein Feldschwächbetrieb ist bei dieser Bremsschaltung nicht vorgesehen.

Ausgehend von der erwähnten Schaltungsanordnung nach der Zeitschrift »E um! M« liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Bremsschaltung anzugeben, bei der bei jedem Aussteuerungsgrad des Gleichstromstellers ein Bremsbetrieb mit Feldschwächung möglich ist. Dies ist bereits bei einem reinen Widerstandsbetrieb erwünscht, besonders aber für gemischten Widerstands/

Nutz-Bremsbetrieb von Bedeutung.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst

Bei der erfindungsgemäßen Bremsschaltung lassen sich Anker- und Erregerstrom beim Bremsen der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine weitgehend unabhängig voneinander und kontinuierlich verstellen. Mechanische Schalter oder Schaitschütze werden dazu nicht benötigt

Eine Anordnung, bei der die Reihenschlußwicklung einer Gleichstrommaschine parallel zu einer Freilaufdiode und in Reihe mit einem löschbaren Thyristor liegt und parallel zu der Reihenschaltung aus Reihenschlußmaschine und Thyristor ein Gleichstromsteller geschaltet ist, ist an sich aus der DE-OS 14 38 020, Fig.2, bekannt Diese Anordnung dient als Fahrschaltung und liegt in Reihe mit der Ankerwicklung, wobei ebenfalls bei jedem Aussteuerungsgrad des Gleichstromstellers eine Feldschwächung möglich ist In der gleichen Druckschrift gezeigte Bremsschaltungen ermöglichen jedoch keine Feldschwächung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in 7 Figuren dargestellt. Sie werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Bremsschaltung, die für gemischten Nutz- und Widerstandsbremsbetrieb in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Feldschwächung eingerichtet ist to

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der Zündsignale des Gleichstromstellers der Bremsschaltung nach Fig. 1,

F i g. 3 den zeitlichen Verlauf der Löschsignale des Gleichstromstellers der Bremsschaltung nach Fig. 1,

F i g. 4 den zeitlichen Verlauf der Zündsignale eines in Reihe mit der Erregerwicklung liegenden Thyristors in der Bremsschaltung nach Fig. 1,

Fig. 5 den Anker- und Feldstrom der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine in Abhängigkeit von der Zeit bei der Bremsschaltung nach Fi g. 1,

Fig.6 eine Fahrschaltung zur Umschaltung in die erfindungsgemäße Bremssschaltung mit fünf Schaltern als Umschaltmittel ausgerüstet ist, und

Fig. 7 eine zweite erfindungsgemäße Bremsschaltung, die nach Betätigung der Umschaltmittel der Fahrschaltung gemäß F i g. 6 aus dieser hergeleitet ist.

In F i g. 1 ist eine Bremsschaltung für gemischten Nutz- und Widerstandsbremsbetrieb eines an einem Gleichstrom-Fahrleitungsnetz betriebenen Triebfahrzeugs (U-Bahn, Straßenbahn) dargestellt. Das Triebfahrzeug könnte aber z. B. auch aus einer Bordbatterie als Gleichstromquelle gespeist sein. Es ist angenommen, daß der (nicht gezeigte) Fahr-Brems-Hebel des Triebfahrzeugs in die Stellung »Bremsen« gebracht ist, und daß die Fahrschaltung des Triebfahrzeugs dadurch (mittels nicht gezeigter stromlos schaltender Kontakte) in die dargestellte Bremsschaltung umgruppiert worden ist. Infolge der Bewegung des Triebfahrzeugs arbeitet die mit der Antriebsachse gekoppelte Gleichstrom-Reihenschlußmaschine, bestehend aus einer Ankerwicklung 2 und einer Reihenschluß-Erregerwicklung 4, generatorisch. An der Ankerwicklung 2 liegt dadurch eine Ankerspannung ua-

Ankerwicklung 2 und Erregerwicklung 4 sind miteinander über eine Glättungsdrosselspule 20 und einen Stabilisierungswiderstand 50 in Reihe geschaltet. Der Stabilisierungswiderstand 50 ist durch einen Schalter 51, insbesondere ein Schaltschütz, überbrückbar. Dieser Schalter 51 wird in bekannter Weise bei gewissen Betriebszuständen betätigt (DE-OS 23 29 146).

Zur Bremsschaltung gehört weiter ein Gleichstromsteller 8 mit einer positiven und einer negativen Anschlußklemme 56 bzw. 57. Dieser erhält Zündsignale ζ 8 und Löschsignale /8 zugeführt Ein an dieser Stelle einsetzbarer Gleichstromsteller ist beispielsweise aus der DE-PS 12 42 289 bekannt Er besteht im wesentlichen aus einem steuerbaren Hauptventil, insbesondere einem Thyristor, und einer parallel dazu angeordneten Löscheinrichtung. Der Gleichstromsteller 8 ist so angeordnet, daß ein Ankerstrom U auf dem Wege von der Ankerwicklung 2 über die Glättungsdrosselspule 20, den Stabilisierungswiderstand 50 oder den zugeordneten Schalter 51, die positive Anschlußklemme 56, den Gleichstromsteller8 und schließlich über die negative Anschlußklemme 57 zurück zur Ankerwicklung 2 fließen kann.

Parallel zum Gleichstromsteller 8 liegt eine Reihenschaltung aus der Erregerwicklung 4 und einem Thyristor 14. Die Erregerwicklung 4 ist dabei mit der positiven Anschlußklemme 56 des Gleichstromstellers 8 direkt verbunden. Dieser Thyristor erhäit Zündsignale ζ 14 zugeführt und wird jeweils von der Löscheinrichtung des Gleichstromstellers 8 mitgelöscht

Parallel zur Erregerwicklung 4 liegi eine ungesteuerte Freilaufdiode 16. Die ist so gepolt, daß der Erreger /> von der Erregerwicklung 4 über diese Freilaufdiode 16 direkt zurück zur Erregerwicklung 4 fließen kann. Die Anode der Freilaufdiode 16 liegt dabei an der Anode des Thyristors 14.

Parallel zum Gleichstromsteller 8 liegt weiterhin in bekannter Weise (DE-OS 23 29 146) ein Bremszweig, der aus der Serienschaltung eines Bremswiderstands 52 mit einem steuerbaren Bremsventil 53 besteht. Ms Bremsventil 53 kann ebenfalls ein Thyristor herangezogen werden. Das Bremsventil 53 ist in Flußrichtung des generatorischen Ankerstroms Ία gepolt. Die positive Anschlußklemme 56 des Gleichstromstellers 8 ist über ein ungesteuertes Rücklaufventil 12a und eine Glättungsdrossel 58 mit der positiven Anschlußklemme 54 einer Gleichspannungsquelle 6 mit der Spannung U verbunden. Die negative Anschlußklemme 57 des Gleichstromstellers 8 ist direkt mit der negativen Anschlußklemme 55 einer Gleichspannungsquelle 6 mit der Spannung U verbunden. Ein Speicherkondensator 59 und die Glättungsdrossel 58 bilden zusammen ein LC-Filter. Diese aus der DE-OS 23 29 146 bekannte Anordnung ist für den gemischten Nutz- und Widerstandsbremsbetrieb vorgesehen.

Während eines Bremsvorgangs wird je nach dem, ob die Gleichspannungsquelle 6 energieaufnahmefähig ist oder nicht, entweder die generatorisch erzeugte Energie der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine in die Gleichspannungsquelle 6 zurückgespeist (Nutzbremsung) oder im Bremswiderstand 52 in Wärme umgesetzt (Widerstandsbremsung). Dieser Vorgang ist aus der DE-OS 23 29 146 bekannt und braucht daher nicht nochmals erläutert zu werden. Für die weitere Betrachtung kann der Einfachheit halber zunächst davon ausgegangen werden, daß das Bremsventil 53 ständig gezündet wird, daß also reiner Widerstandsbremsbetrieb vorliegt.

Die in Fig. 1 gezeigte Bremsschaltung ermöglicht es, beim Bremsen der Gleichstrom-Reihenschlußmaschine ?. 4 den Erregerstrom /Vunabhängig vom Ankerstrom Ία einzustellen. Insbesondere bei hohen Drehzahlen ist man bestrebt, den Erregerstrom /V kleiner zu halten als den Ankerstrom L (Feldschwächunel. Dadurch kann

man auch im oberen Drehzahlbereich jedes beliebige Bremsmoment, also insbesondere auch ein kleines Bremsmoment, einstellen. Die dargestellte Bremsschaltung ermöglicht es darüber hinaus, die Feldschwächung kotinuierlich, also ohne Stufen und auch ohne mechanische Schalter durchzuführen. Das ist nicht nur bei einer Aussteuerung des Gleichstromstellers 8 nahe Null, sondern im gesamten Aussteuerungsbereich möglich. Bei gemischten Nutz- und Widerstandsbremsbetrieb ist es daher möglich, stets die größtmögliche generatorisch erzeugte Energie in die Gleichspannungsquelle 6 zurückzuspeisen.

In den Diagrammen der F i g. 2 bis 5 ist ein Beispiel für die Steuerung der Bremsschaltung nach Fig. 1 dargestellt.

Der Gleichstromsteller 8 wird danach nach dem »Verfahren mit feststehendem Löschimpuls« gesteuert, d. h. die Periodendauer T, mit der jeweils zum Zeitpunkt <3, /3' usw. Löschimpulse 18 an den Gleichstromsteilere gegeben werden, ist konstant (Fig. 3), und das Einschaltverhältnis des Gleichstromstellers 8 wird durch die Einschaltdauer mit Hilfe der Zündimpulse ζ8 des Gleichstromstellers 8 beeinflußt (Fig. 2). Prinzipiell kann natürlich auch ein anderes Steuerverfahren angewendet werden, z. B. das sogenannte »Verfahren mit feststehendem Hauptimpuls«.

Durch Veränderung des jeweiligen Zeitpunktes ti der Zündimpulse ζ8 in bezug auf den jeweiligen Zeitpunkt 13 kann im wesentlichen der Mittelwert Ία des Ankerstroms Ί_Λ verändert werden. Durch die Veränderung des jeweiligen Zündzeitpunkts /1 des Zündimpulses ζ 14 für den Thyristor 14 (Fig.4), der jeweils vor dem Zeitzündpunkt f2 liegt, wird dagegen im wesentlichen der Mittelwert /> des Erregerstroms ;> eingestellt.

Die Feldschwächung wird nach den F i g. 2 bis 5 dadurch erreicht, daß kurz nach dem Zünden des Thyristors 14 zum Zeitpunkt 11 das Hauptventil des Gleichstromstellers 8 zum Zeitpunkt f 2 gezündet wird. Damit wird die Erregerwicklung 4 kurzgeschlossen. Während der Einschaltphase des Gleichstromstellers 8 zwischen den Zeitpunkten 12 und 13 fließt ein Teil des Ankerstroms U über die Erregerwicklung 4 und den Thyristor 14 und ein anderer Teil des Ankerstroms Ία über den Gleichstromsteller 8. Während dieser Einschaltphase steigt der Ankerstrom Ία an. Nach dem Erlöschen des Gleichstromstellers 8 und des Thyristors 14, was beides zum Zeitpunkt f3 erfolgt, fließt der Erregerstrom /> über das Freilaufventil 16 weiter. Er nimmt dabei ab. Während dieser Zeit fließt gleichzeitig der Ankerstrom /U nunmehr — über den Bremswiderstand 52; bei Nutzbremsung würde er stattdessen in die Gleichspannungsquelle 6 fließen. Beim nächsten Zünden des Thyristors 14 zum Zeitpunkt 11¹ findet ein Teil des Ankerstroms i_A seinen Weg über die Erregerwicklung 4, und der Erregerstrom /f nimmt bis zum Zeitpunkt 12', dem Zünden des Gleichstromstellers 8, wieder zu.

In Fig.5 sind als gestrichelte waagerechte Linien auch die Mittelwerte U und if eingezeichnet Es ist erkennbar, daß durch geeignete Wahl der Zündzeitpunkte /1, ti' für den Thyristor 14 und der Zündzeitpunkte ti, ti' für das Hauptventil des Gleichstromstellers 8 das Verhältnis von Erregerstrom /> zu Ankerstrom i_A kontinuierlich verändert werden kann. Soll der Ankerstrom Ία gleich dem Erregerstrom /V sein, so wird nur der Thyristor 14 gezündet. Die Löscheinrichtung des Gleichstromstellers 8 bleibt aber auch in diesem Fall weiter in Betrieb, so daß der

ίο Thyristor 14 zu jedem beliebigen Zeitpunkt auch wieder gelöscht werden kann.

In Fig.6 ist eine Fahrschaltung nach einer älteren Anmeldung (Fig. 1 der DE-OS 27 09 099), dargestellt, allerdings durch einige Bauteile ergänzt, welche die Umgruppierung in die erfindungsgemäß ausgebildete Bremsschaltung ermöglichen. Parallel zum Gleichstromsteller 8 liegt hier die Serienschaltung aus Bremswiderstand 52 und steuerbarem Bremsventil 53. Die Anschlußpunkte des Gleichstromstellers 8 sind auch hier wieder mit 56,57 bezeichnet. Zur Umschaltung vom Fahr- in den Bremsbetrieb, und umgekehrt, sind Umschaltmittel vorgesehen, die vorliegend aus fünf Schaltern 71 bis 75 bestehen. Die vier Schalter 71 bis 74 dienen dabei zum Umpolen der Ankerwicklung 2. Die beiden Schalter 71, 72 und die beiden Schalter 73, 74 werden dabei jeweils gemeinsam betätigt. Die jeweils im Bremsbetrieb eingenommene Stellung ist angedeutet. Der Schalter 75 liegt in der negativen Leitung zwischen dem Schalter 72 und dem Freilaufventil 12. Die (hier geschlossenen) Schalter 71 und 72 liegen jeweils benachbart zur Ankerwicklung 2, und jeder (hier geöffnete) Schalter 73, 74 überbrückt die Reihenschaltung aus der Ankerwicklung 2 und einem Schalter 71 bzw. 72. Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Schalter 72,75 einerseits und dem Anschlußpunkt 56 an der Anode des Gleichstromstellers 8 andererseits liegt eine Reihenschaltung, bestehend aus einer Blockierdiode 62 und dem Stabilisierungswiderstand 50. Letzterer kann durch den Schalter 51 überbrückt werden. Die Steueranordnung für den Gleichstromsteller 8 und den Thyristor 14 ist mit 10 bezeichnet.

Zum Umschalten vom Fahren ins Bremsen werden die fünf Schalter 71 bis 75 jeweils in die andere Schaltsteilung überführt Die sich ergebende Bremsschaltung ist unter Weglassung der Schalter 71 bis 74 in F i g. 7 dargestellt.

In der Bremsschaltung nach F i g. 7 ist im Vergleich zur Bremsschaltung nach Fig. 1 das Rücklauf ventil 12, das aus dem Freilaufventil 12 der Fahrschaltung hervorgegangen ist in der negativen Verbindungsleitung zwischen der Anschlußklemme 55 und dem Anschlußpunkt 57 angeordnet Weiterhin wird hier zusätzlich ein zweites Rücklaufventil 62 eingesetzt das aus der Blockierdiode 62 der Fahrschaltung hervorgegangen ist Dieses liegt zwischen der positiven Anschlußklemme der Ankerwicklung 2 und dem Anschlußpunkt 56.

Die Funktion der Bremsschaltung nach Fig.7 ist dieselbe wie diejenige der Bremsschaltung nach Fig. 1.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schaltungsanordnung für die Bremsung einer Gleichstrom-Reihenschlußmaschine, bei der im Bremsbetrieb die von einer Freilaufdiode (16) überbrückte Reihenschluß-Erregerwicklung (4) in Reihe mit einem gegenüber der Ankerspannung (Ua) in Durchlaßrichtung gepolten Thyristor (14) parallel einerseits zum Anker (2) und andererseits dem an diesen angeschlossenen Bremsstromverbraucher (6, 52) liegt, wobei zur Steuerung des Bremsstroms der Thyristor (14) periodisch zünd- und löschbar ist und im Bereich kleiner Stromfühningszeiten selbsttätig ein Betrieb mit Feldschwächung erfolgt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: