DE2821455A1 - Regelungssystem fuer einen selbsterregten wechselstromgenerator mit einer tertiaer- oder hilfswicklung - Google Patents

Regelungssystem fuer einen selbsterregten wechselstromgenerator mit einer tertiaer- oder hilfswicklung

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DE2821455A1
DE2821455A1 DE19782821455 DE2821455A DE2821455A1 DE 2821455 A1 DE2821455 A1 DE 2821455A1 DE 19782821455 DE19782821455 DE 19782821455 DE 2821455 A DE2821455 A DE 2821455A DE 2821455 A1 DE2821455 A1 DE 2821455A1
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Frederick James Kuehn
Joseph Andrew Laukaitis
Elhenny Stuart Woodward Mc
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General Electric Co
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General Electric Co
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Description

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.
Regelungssystem für einen selbsterregten Wechselstromgenerator mit einer Tertiär- oder Hilfswicklung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erregen und Regeln von Alternatoren (umlaufende Wechselstromgeneratoren) und insbesondere auf ein statisches Regelungssystem für einen drehzahlvariablen selbsterregten Wechselstromgenerator (nachfolgend einfach als «Generator1 bezeichnet).
"l '■'. ■ Wechselstromgeneratoren oder Alternatoren sind elektrische Maschinen mit relativ drehbaren magnetischen Kerngliedern, die einen magnetischen Kreis bilden. Eine Feldwicklung ist gewöhnlich auf einem der Kernglieder vorgesehen, und eine Hauptoder Ankerwicklung zum Entwickeln deβ von dem Wechselstromgenerator erzeugten Wechselstromeist auf einem anderen Kernglied ausgebildet. Der Feldwicklung wird Gleichstrom zugeführt, um in dem Wechselstromgenerator magnetische Pole herzustellen. Im normalen Betriebsbereich steht die Größe des von dem Wechselstromgenerator erzeugteitf^Wechselstroms in direkter Beziehung zu der relativen Drehzahl''zwischen den Anker- sowie Feldwicklungen und der Größe des Stroms in den Feldwicklungen. Nachdem der Wechselstromgenerator sich einmal im Betrieb befindet, kann ein Teil des Wechsel-
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Stroms der Hauptwicklung gleichgerichtet und dazu benutzt werden, um die Erregung für die Feldwicklung zu bilden. Solche Techniken anwendende Wechselstromgeneratoren sind bekannt und werden als selbsterregte Maschinen bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung ist besonders zweckmäßig bei einem elektrischen Antriebssystem für Zugfahrzeuge, wie beispielsweise für nicht für Landstraßen oder dergleichen bestimmte Fahrzeuge (off-highway vehicles) vom Erdbewegungs- oder Bergbautyp. Ein solches Fahrzeug kann einen gegliederten bzw. gelenkigen Rahmen und einen vierrädrigen Antrieb aufweisen. Beide vorderen und rückwärtigen Achsen können durch ein elektrisches System angetrieben werden, das ein Paar von drehzahlvariablen reversiblen Gleichstrommotoren aufweist, welche von einem Wechselstromgenerator erregt werden, der an einen Dieselmotor oder irgendeine andere geeignete Antriebsmaschine angekoppelt ist. Durch entsprechendes Manipulieren eines Geschwindigkeitssteuerungspedals kann eine Bedienungsperson das elektrische Antriebssystem steuern, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen. Das Geschwindigkeitssteuerungspedal wirkt als eine Drosselsteuerung zum Verändern der Drehzahl des den Generator antreibenden Dieselmotors und somit zum Verändern der elektrischen Leistungsabgabe des Wechselstromgenerators .
Ein typischer Wechselstromgenerator für ein Zugfahrzeug kann.einen Wechselstrom mit einem Effektivwert von 750 Ampere bei einer Spannung mit einem Effektivwert von 1600 Volt bilden und für seine Feldwicklung eine Gleichstromerregung.von 300 Ampere erfordern. Bei einer solchen Anwendung ist es möglich, einen Teil des von der Hauptwicklung erzeugten Wechselstroms abzuziehen, um eine relativ kleine Gleichstromerregung für die Feldwicklungen vorzusehen. Wenn jedoch der Wechselstromgenerc .or im wesentlichen unter Kurzschlußbelastungsbedingungen gestartet wird, wie bei elektrischen Zugmotoranwendungen, verhindert es die Kurzschlußbedingung, vidajJ die Spannung der Hauptwicklung eine ausreichende Größe erreicht, die es ermöglicht, daß der Wechselstromgenerator in einer selbsterregten Betriebsart arbeitet. Ein praktischeres Verfahren zum Verwirklichen einer Selbsterregung besteht darin, an dem Anker eine Hilfs- oder Tertiärwicklung vorzusehen, die
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einen Wechselstrom erzeugt, welcher sich nach einer passenden Gleichrichtung zum Erregen der Feldwicklung eignet. Ein solches System ist in dem kanadischen Patent 812 936 aufgezeigt. Gemäß diesem Patent kann der Wechselstromgenerator mit einer im wesentlichen konstanten relativen Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl arbeiten, .und der ausgangsseitige Wechselstrom wird durch Steuern bzw. Regeln der Gleichstromerregung der Feldwicklung geregelt. Während des anfänglichen Anlaufens des Wechselstromgenerators wird die Feldwicklung durch eine Batterie erregt, die unter Leerlaufbedingungen für eine ausreichende Erregung sorgt, um einen Strom in der Hilfswicklung ohne spürbares Entladen der Batterie zu erzeugen.
In einem System, bei dem der Generator über einen Drehzahlbereich betrieben wird und bei dem der von dem Generator erzeugte Wechselstrom eine Funktion der relativen Drehgeschwindigkeit zwischen den Kerngliedern ist, ist festzustellen, daß die von der Hilfswicklung erzeugte Energie bei niedrigen Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten unzureichend/Pkann, um den Feldstrom auf den erwünschten Pegel zu bringen. Dementsprechend sorgt die Batterie bei niedrigen Drehzahlen notwendigerweise für eine Zuführen zumindest eines Teils der Erregung für dieFeldwicklung. Wenn der Generator über eine spürbare prozentuale Zeit bzw. länger bei niedrigen Drehzahlen betrieben wird, ist es ersichtlich, daß die Batterie geschwächt und unfähig wird, um für eine passende Felderregung zu sorgen. /sein
Obwohl die Entladung der Batterie dadurch vermieden werden kann, daß bei niedrigen Ankergeschwindigkeiten Leistung von einer Batterieladeschaltung abgezogen wird, wie einem umlaufenden Erreger bildet diese Alternative kein fertiges Mittel zum Regeln der mittleren Größe des Wechselstromgenerator-Feldstroms. Wenn der Feldstrom sich auf seinen eigenen Pegel stabilisieren kann, das heißt wenn der Strom allein durch die Größe der zur »Yer.fügung stehenden Batteriespannung bestimmt wird, kann die Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators einen erwünschten Pegel übersteigen. Wenn die Batterieschaltung ständig zum Herstellen der Felderregung erforderlich ist, werden ferner die physikalische Leistungsfähigkeit und die Größe der Batterie-
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schaltung wirtschaftlich unzweckmäßig, insbesondere bei Zugfahrzeug-Anwendungen / wo der für die Anlage zur Verfügung stehende Raum begrenzt ist. Somit ist davon auszugehen, daß der Pegel der von der Batterie oder einem anderen Mittel zur Verfügung gestellten Erregung geregelt werden sollte, um eine Übererregung der Wechselstromgenerator-Feldwicklung zu vermeiden und um die von der Batterieschaltung abgezogene Erregerleistung mit derjenigen von der Hilfswicklung in einer solchen Weise zu mischen, daß die Anwendung eines von der Batterie zugeführten Erregerstroms verringert wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten Einrichtung zum Verstärken der Selbsterregung einer Wechselstromgenerator-Feldwicklung.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Einrichtung zum Steuern bzw. Regeln einer sekundären Erregungsquelle in einer selbsterregten Wechselstromgeneratorschaltung, um den Leistungs- bzw. Energieabfluß der sekundären Quelle zu vermindern.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Regelungssystem für einen selbsterregten Wechselstromgenerator vorgesehen, wobei die sekundäre Erregung mit der Selbsterregung in einer solchen Weise gemischt wird, daß der Leistungsbzw. Energieverbrauch der sekundären Quelle (beispielsweise Batterie) vermindert wird. Der Wechselstromgenerator ist vorzugsweise ein solcher mit einem Anker und einer daran angebrachten Hilfs- oder Tertiärwicklung zum Erzeugen des ErijegerStroms für eine Feldwicklung des Wechselstromgenerators. Die sekundäre Quelle ist mit der Hilfswicklung verbunden und sorgt für ein Zuführen von Feldwicklung-Erregerstrom, wenn der von der Hilfswicklung erhältliche Erregerstrom kleiner als die erwünschte Größe ist. Das erfindungsgemäße System enthält ein erstes Steuerungsmittel, wie einen phasengesteuerten Gleichrichter, der mit der Hilfswicklung sowie der^Feldwicklung verbunden ist und der die mittlere Größe des von ό,^ζ Hilfswicklung zu der Feldwicklung geleiteten Erregerstroms steuert bzw. regelt. Eine zweite Erregerquelle und ein zweites Steuerungsmittel^ wie ein Zerhacker, sind auch mit der Hilfswicklung verbunden. Eine Regelschaltung spricht auf ausge-
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wählte Parameter des Generators an, um Signale zum Regeln beider erster und zweiter Steuerungsmittel zu bilden. Die Regelschaltung benutzt eine erste VorwärtskopplungsscMßiie(feed forward loop) zum Zuführen von Regelungssignalen zu dem ersten Steuerungsmittel und eine zweite Vo rwärtskopp lungs schleife zum Zuführen von Regelsignalen zu dem zweiten Steuerungsmittel. Der Verstärkungsfaktor der ersten Schleife ist so gewählt, daß er größer als derjenige der zweiten Schleife ist, damit der Erregerstrom hauptsächlich von der Hilfswicklung zugeführt wird und damit nur das Stromdefizit von der sekundären Quelle (beispielsweise der Batterie) vorgesehen wird.
Die Regelschaltung spricht auf ein Feldstrom-Referenz-,signal an, um den Leitungsvorgang der phasengesteuerten Gleichrichterschaltung und der Zerhackerschaltung so zu steuern, daß die Wechselstromgenerator-Felderregung auf den erwünschten Wert geregelt wird. Die Regelschaltung ermöglicht es, daß die von der Hilfswicklung zur Verfügung gestellte Erregung durch die Erregung von der sekundären Quelle ergänzt wird, bis die von der Hilfswicklung erhältliche Erregung ausreicht, um die erwünschte Größe der Wechselstromgenerator-Felderregung zu erzeugen.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Es zeigen: Figur 1 - in einer vereinfachten schematischen Darstellung ein elektrisches Fahrzeugantriebssystem mit einem selbsterregten Wechselstromgenerator-Regelurigssystem nach der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 - in einem Blockdiagramm ein Regelungssystem nach der vorliegenden Erfindung zum Regeln des Wechselstromgenerators aus Figur 1 und
Figur 3 - eine alternative Ausführungsform des Systems aus Figur
Figur 1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Leietungsregelungssystems für ein elektrisches Zugfahrzeug nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine Antriebsmaschine 1o, die beispielsweise ein Innenverbrennungsmotor, wie ein Dieselmotor, sein kann, eignet sich zum Antreiben eines Wechselstrom-
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generators oder Alternators 12 über eine Verbindungswelle 14. Die Drehzahl der Welle 14 in Umdrehungen pro Minute wird durch die relative Stellung bzw. Verlagerung eines Gaspedals 16 bestimmt, das zum Steuern der Antriebsmaschine 1o geeignet ist. Der Wechselstromgenerator 12 enthält relativ drehbare erste und zweite magnetische Kernglieder, die einen magnetischen Kreis bilden. Eine Feldwicklung 18, die auf eines der Kernglieder gewickelt ist, sorgt für einen Magnetisierungsfluß für den magnetischen Kreis. Eine Hauptwicklung (nicht dargestellt), die auf das andere der Kernglieder gewickelt ist, liefert Wechselstrom-Ausgangsleistung. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Wechselstrom generator 12 eine dreiphasige Maschine mit drei Phasenausgängen an Leitungen A, B und C. Für Darstellungszwecke wird die an den Leitungen A, B und C entwickelte Ausgangsleistung einem Gleichstrommotor 2o zugeleitet, nachdem eine Umsetzung in Gleichstromleistung mittels einer Brückengleichrichterschaltung 22 erfolgt ist. Der Motor 2o kann angeschlossen werden, um eine Rad-Achsen-Baugruppe (nicht dargestellt) zum Antreiben des Zugfahrzeugs anzutreiben.
Die Größe der an den Leitungen A, B und C von dem Wechselstromgenerator 12 entwickelten Leistung wird durch die relative Drehzahl der ersten sowie zweiten magnetischen Kernglieder und durch den an der Feldwicklung 18 angelegten Erregungspegel bestimmt. In bekannter Weise ist die Größe der durch den Wechselstromgenerator 12 entwickelten elektrischen Leistungsabgabe bezeichnend für die Größe der auf die Antriebsmaschine 1o ausgeübten mechanischen Belastung. Für irgendeine gegebene Drehzahl der Antriebsmaschine 1o gibt es einen maximalen Belastungspegel, der ausgeübt werden kann, ohne daß die Antriebsmaschine 1o zu einem Absacken bzw. einem Drehzahlabfall veranlaßt /ird. Dementsprechend wird der Pegel der der Feldwicklung 18 zugeleiteten Erregung vorzugsweise als Funktion der Drehzahl des Wechselstromgenerators 3j2m.gesteuert. Zum Durchführen dieser Funktion ist ein Drehzahlfühleir 24 betriebsmäßig mit dem Wechselstromgenerator 12 verbunden, um ein Ausgangssignal 25 zu erzeugen, das die Drehzahl des Wechselstromgenerators 12 wiedergibt. Dieses Ausgangssignal 25 wird einem Funktionsgenerator 26 einer in der Technik bekann-
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-Z-
ten Art zugeleitet. Der Funktionsgenerator 26 kann beispielsweise der Typ sein, der im Abschnitt 11.23 von Philbrick/Nexus Application Manual for Operational Amplifiers, zweite Ausgabe, 3. Druck August 1969, Philbrick/Nexus Research of Dedham, Massachusetts/U.S.A., dargestellt ist. Gemäß der Darstellung durch die Kurve in dem Block des Funktionsgenerators 26 erzeugt dieser ein Ausgangssignal 27 oder ein Belastungsreferenzsignal als eine vorbestimmte Funktion des Drehzahlsignals 25 vom Drehzahldetektor 24. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das vom Funktionsgenerator 26 erzeugte Ausgangssignal 27 im wesentlichen Null bei einer minimalen Betriebs- oder Leerlaufdrehzahl von beispielsweise 7oo Umdrehungen pro Minute, wobei ein Ansteigen in einer stückartig linearen Weise bis zu einem Maximalwert MAX (des Signals 27) erfolgt, der einem maximalen Drehzahlwert von beispielsweise 19oo Umdrehungen pro Minute entspricht. Das durch den Funktionsgenerator 26 erzeugte Signal wird einem Eingangsanschluß einer Summier-Verbindungsstelle 28 zugeleitet.
In Abhängigkeit von den Belastungscharakteristiken, in diesem Fall der durch den Motor 2o dargestellten Belastung, kann der Wechselstromgenerator 12 als Funktion seiner Leistungsabgabe, seiner Ausgangsspannung oder seines Ausgangsstroms gesteuert bzw. geregelt werden. Beispielsweise kann bei einer sehr kleinen oder zu Null werdenden Drehzahl des Motors 2o der durch den Wechselstromgenerator 12 erzeugte Strom relativ groß sein, während die Ausgangsspannung nahezu Null ist. Unter dieser Bedingung sollte der Strom der steuernde oder begrenzende Parameter sein. Um den Wechselstromgenerator 12 als Funktion der Spannung, des Stroms oder der Leistung zu steuern,ist eine Auswahlschaltung 3o vorgesehen, die einen ersten Satz von Eingangsanschlüssen hat, welche mit Leitungen 32 und 34 verbunden sind, um die Spannungsabgabe des Wechselstromgenerators bzw. Alternators 12 zu überwachen. Ein zweiter Satz von Eingangsanschlüssen ist mit Leitungen 38 und 4o zum Überwachen der Stromabgabe des Wechselstromgenerators 12 verbundene Das Stromabgabesignal wird vorzugsweise durch einen Stromshunt 36 in Reihe mi-t dem Motorstrompfad zwischen dem Motor 2o und der Gleichrichterschaltung 22 entwickelt, obwohl auch andere bekannte Mittel benutzt werden können.
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Die Auswahlschaltung 3o weist gemäß der Darstellung einen ersten Differenzverstärker 3oA auf, dessen Eingangsanschlüsse mit den Leitungen 32 und 34 verbunden sind, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das für die durch den Wechselstromgenerator erzeugte Spannung bezeichnend ist. Ein zweiter Differenzverstärker 3oB ist mit seinen Eingangsanschlüssen mit den Leitungen 38 und verbunden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das für den von dem Wechselstromgenerator 12 erzeugten Strom bezeichnend ist. Das die Spannung darstellende Signal und das den Strom darstellende Signal werden einem Analogmultiplizierer 3oC zugeführt, der die zwei Signale miteinander multipliziert, um ein Signal zu erzeugen, das für die von dem Wechselstromgenerator 12 erzeugte elektrische Leistung bezeichnend ist. Das Leistungssignal wird dann einem Eingangsanschluß einer analogen Oder-Schaltung 3oD zugeleitet. Zwei zusätzliche Eingangsanschlüsse der Oder-Schaltung 3oD sind entsprechend angeschlossen, um das Spannungssignal und das Stromsignal von den Verstärkern 3oA und 3oB zu empfangen. Die Oder-Schaltung 3oD bildet somit an ihrem Ausgangsanschluß ein Signal, das für die Größe der größten Leistungs-, Spannungs- oder Stromeingangssignale bezeichnend ist. Das von der Oder-Schaltung 3oD erzeugte Signal wird dann zu dem von der Auswahlschaltung 3o erzeugten tatsächlichenMeßsignal, welches mit dem Referenzsignal vom Funktionsgenerator 26 verglichen wird. Während die Schaltung 3o ;nur in ihrer Funktionsform dargestellt ist, ist der Aufbau einer solchen Auswahlschaltung einschließlich der notwendigen Vorspannungswiderstände und Verstärkung- oder Maßstab-Einstellmittel dem Fachmann geläufig. Solche Schaltungen sind beispielsweise im US-Patent 3 97o 858 dargestellt.
Das Signal von der Auswahlschaltung 3o stellt die mechanische Belastung dar, die von dem Wechselstromgenerator 12 auf die Antriebsmaschine 1o reflektiert wird. Dieses Signal wird über eine Leitung 42 zu einem zweiten Eingangsanschluß der Summier-Verbindungsstelle 28 geleitet, wo ein algebraisches Aufsummieren mit dem Signal vom Funktionsgenerator 26 erfolgt. Somit bildet die Summier-Verbindungsstelle 28 ein Fehler-Ausgangssignal 44, das die Differenz zwischen der von dem Wechselstromgenerator tatsächlich entwickelten Leistungsabgabe und dem Leistungspegel
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. Al.
darstellt, der durch das Belastungsreferenzsignal vom Funktionsgenerator 26 angegeben wird.
Das durch die Summier-Verbindungsstelle 28 erzeugte Fehlersignal 44 wird (über die Leitung 44) einem Eingangsanschluß einer Thyristor- oder siliziumgesteuerten Gleichrichter- bzw. SCR-Phasensteuerschaltung 46 zugeleitet. Diese ist angeschlossen, um Torsteuerungssignale zu einer phasengesteuerten Gleichrichterschaltung 48 zu leiten, die mit der Wechselstromgenerator-Feldwicklung 18 in Reihe geschaltet ist. Leistung für die phasengesteuerte Gleichrichterschaltung 48 wird durch eine tertiäre oder Hilfswicklung 5o zugeführt, die auf eines der magnetischen Glieder des Wechselstromgenerators 12 gewickelt ist. Vorzugsweise wird die Hilfswicklung 5o in Verbindung mit der den Dreiphasenausgang des Wechselstromgenerators bildenden Hauptwicklung in einer Weise gewickelt, wie es in dem zuvor genannten kanadischen Patent 812 936 dargestellt ist. Die phasengesteuerte Gleichrichterschaltung 48 ist bezüglich eines Ausgangsanschlusses über eine Leitung 5o* mit der Feldwicklung 18 und bezüglich eines zweiten Ausgangsanschlusses über eine Diode 52 sowie einen Stromshunt 54 mit der Feldwicklung 18 verbunden. Wenn der von der Hilfswicklung 5o entwickelte Ausgangsstrom erhältlich ist, um die Erregungserfordernisse der Feldwicklung 18 zu erfüllen, ermöglicht eine Steuerung der Thyristoren 48A und 48B in der Phasensteuerungs-Gleichrichterschaltung 48 ein steuerbares Zuführen des Stroms von der Feldwicklung 5o als Erregung zu der Feldwicklung 18. Wie es ersichtlich ist, verläuft der Strompfad zwischen der Wicklung 18 und der Wicklung 5o durch die Gleichrichterschaltung 48, die Feldwicklung 18, den Stromshunt 54 und die Diode 52.
Wenn der Wechselstromgenerator bei sehr niedriger Drehzahl läuft, kann der von der Hilfswicklung 5o entwickelte Ausgangsstrom unzureichend sein, um das erwünschte Erregungsmaß für die Feldwicklung 18 zu liefern. Wenn dieses auftritt, kann eine zusätzliche Erregung von einer Batterieschaltung 56 zugeführt werden, und zwar über eine in der Technik bekannte Zerhackerschaltung 58 beispielsweise eines Typs, wie er in dem SCR Manual, 5. Ausgabe, veröffentlicht 1972 von der General Electric Company, Semiconductor Products Dept., Syracuse, N.Y./U.S.Α., beschrieben
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ist. In der Ausführungsform aus Figur 1 sind die Batterieschaltung 56 und die Zerhackerschaltung 58 in Reihe geschaltet und parallel an die Diode 52 angeschlossen. Wenn der von der Feldwicklung 5o erhältliche Erregungsstrom unzureichend ist, um dem erwünschten Erregungspegel zu genügen, kann die Zerhackerschaltung 58 einer Zeitverhältnissteuerung bzw. -regelung unterworfen werden (time ratio controlled), um einen zusätzlichen Erregungsstrom zu liefern. Die Steuerung der Zerhackerschaltung 58 erfolgt durch eine Zerhacker-Steuerungsschaltung 59 in Abhängigkeit von dem Fehlersignal an der Leitung 44 und einem Stromrückführungssignal vom Stromshunt 54. Die Zerhackerschaltung 58 wird allgemein für sehr große Fehlersignale an der Leitung 44 in den leitenden Zustand gesteuert; für Ströme in der Feldwicklung 18 oberhalb eines vorbestimmten Signals kann jedoch das von dem Stromshunt 54 entwickelte Signal benutzt werden, um die Zerhackerschaltung 58 vollständig in den Aus-Zustand zu steuern, da in diesem Fall die von der Wicklung 5o erhältliche Leistung ausreicht, um die Erregungserfordernisse der Feldwicklung 18 zu erfüllen. Eine detailliertere Erläuterung der Betriebsweise der Phasensteuerschal tung 46 und der Zerhackersteuerschaltung 59 ergibt sich im Zusammenhang mit Figur 2. Die Batterieschaltung 56 aus Figur 1 kann eine Batterie allein oder, wie es üblicher ist, eine Batterie und eine zugeordnete Batterieladeeinrichtung aufweisen. Eine typische Batterieladeeinrichtung enthält eine sich drehende Maschine, wie einen Gleichstromgenerator oder eine Wechselstromgenerator/Gleichrichter-Einheit, und einen Spannungsregler. Die Ladeeinrichtung ist allgemein eine Niedrigstromeinheit, die angeschlossen wird, um direkt von der Antriebsmaschine 1o angetrieben zu werden. Da es wirtschaftlich unzweckmäßig ist, eine Batterieschaltung vorzusehen, die über ausgedehnte Ze^tperioden relativ große Ströme zuführen kann, sind die Phasensteuerschaltung 46 und die Zerhackersteuerschaltung 59 geeignet, um den Stromabfluß an der Batteriescha1tung 56 zu vermindern.
i}Xn Figur 2 ist eine bevorzugte Aus führungs form der Phasensteuerschaltung 46 und der Zerhackersteuerschaltung 59 dargestellt. Das von dem Stromshunt 54 entwickelte Stromsignal ist für den Strom in der Feldwicklung bezeichnend und wird den Eingangs-
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anschlüssen eines Differenzverstärkers 61 zugeführt. Das dann von dem Verstärker 61 erzeugte Signal wird zu einem Verstärker oder Funktionsgenerator 6o geleitet, der so vorgespannt ist, daß für einen am Shunt 54 auftretenden Strom, der kleiner als ein vorbestimmter Pegel !_.>_ von beispielsweise 4o Ampere ist, das von dem Verstärker 6o erzeugte Ausgangssignal 6oa im wesentlichen auf einem Potential von null Volt bleibt. Wenn der Strom durch den Shunt 54 den vorbestimmten Pegel erreicht, steigt der Signalpegel 6oa am Ausgangsanschluß des Verstärkers 6o sehr schnell bis zu einem Maximum oder Sättigungspegel, der danach erhalten bleibt. Das durch den Verstärker 6o erzeugte Signal 6oa wird einem ersten Eingangsanschluß einer Summier-Verbindungsstelle 62 zugeleitet. Ein zweiter Eingangsanschluß der Summier-Verbindungsstelle 62 ist entsprechend angeschlossen, um eine verstärkte Darstellung (Signal 66) des Fehlersignals an der Leitung 44 zu empfangen. Dieses verstärkte Fehlersignal 66 wird durch einen Verstärker 64 gebildet, dessen Eingangsan^-schluß mit der Leitung 44 und dessen Ausgangsanschluß über eine Leitung 66 mit dem zweiten Eingangsanschluß der Summier-Verbindungsstelle 62 verbunden sind. Es ist ersichtlich, daß das Ausgangssignal 68 von der Summier-Verbindungsstelle 62 (an der Leitung 68) im wesentlichen dem Ausgangssignal 66 vom Verstärker 64 während der Zeitperiode entspricht, in der der Verstärker 6o ein Ausgangssignal 6oa mit einem weitgehendenNull-Potential erzeugt. Wenn jedoch das durch den Verstärker 6o erzeugte Signal 6oa ansteigt, wird das Signal an der Leitung 68 sehr schnell zu einem negativen Wert getrieben bzw. verändert. Das von dem Verstärker 61 erzeugte Ausgangssignal wird über eine Leitung 88 einem Eingangsanschluß eines Schaltverstärkers 9o zugeleitet, der beispielsweise eine sogenannte Schmitt-Triggerschaltung sein kann, die ihren Zustand ändert, wenn das Signal an der Leitung 88 einen vorbestimmten Wert übersteigt. Das durch den Verstärker 9o erzeugte Ausgangssignal wird angelegt, um.· einen Oszillator 92 zu steuern. Dieser ist vorzugsweise ein mit einer festen Frequenz freilaufender Oszillator eines in der Technik bekannten Typs. Das Signal vom Verstärker 9o wird bei einer Änderung zu einem hohen Pegel zum Abschalten des Oszillators benutzt; das bedeutet, daß der Oszillator 92 abgeschaltet
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wird, wenn der Verstärker 9q seinen Zustand ändert, nachdem der Strom durch den Shunt 54 einen vorbestimmten Wert erreicht hat.
Der Oszillator 92 liefert Taktsignale, die über einen Verstärker 94 und eine Leitung 65 angelegt werden, um einen Strom-Hauptthyristor (nicht dargestellt) in der Zerhackerschaltung 58 in den leitenden Zustand zu steuern. Dementsprechend wird der Hauptthyristor in der Zerhackerschaltung 58 bei jedem Taktimpulssignal vom Oszillator 92 getriggert. Die Taktsignale vom Oszillator 92 werden auch einem Rampenfunktionsgenerator 96 zugeführt, wodurch dieser synchron mit den Taktimpulsen vom Oszillator 92 zurückgesetzt wird.
Die Rampenfunktionssignale vom Rampenfunktionsgenerator 96 werden einem ersten Eingangsanschluß eines Komparators 98 zugeleitet, dessen zweiter Eingangsanschluß mit der Leitung 68 verbunden ist. Wenn das Rampenfunktionssignal vom Generator 96 einen Wert erreicht, der größer als die Größe des Fehlersignals an der Leitung 68 ist, ändert der Komparator 98 seinen Zustand, wodurch ein sich positiv änderndes Ausgangssignal erzeugt wird. Dieses Signal wird angelegt, um einen monostabilen Multivibrator (one shot multivibrator) 1oo zu triggern, der dann einen Impuls mit einer vorbestimmten Impulsbreite erzeugt. Dieser Impuls wird von einem Verstärker 1o2 verstärkt und über eine Leitung 63 der Zerhackerschaltung 58 zugeleitet, um den Strom-Hauptthyristor umzuschalten.
Das Fehlersignal an der Leitung 44 wird auch einem Eingangsanschluß eines zweiten Verstärkers 7o zugeführt, der vorzugsweise einen größeren Verstärkungsgrad als 4er Verstärker 64 hat. Dementsprechend handelt es sich bei dem an dem Ausgang des Verstärkers 7o (an einer Leitung 72) entwickelten Ausgangssignal 72 um ein Signal, das größer als das gleichzeitig an der Leitung 66 entstehende Signal ist. Der größere Verstärkungsgrad des Verstärkers 7o ermöglicht es der Schaltung 46, den durch die Hilfswicklungi^o zugeführten Strom maximal zu halten und den von der Batterieschalung 56 zugeführten Strom zu verringern.
Von de» Wechselstromgenerator 12 wird an der Hilfswicklung 5o Wechselstrom erzeugt. Da die Frequenz dieses Wechselstroms proportional zu der Drehzahl der Antriebsmaschine 1o ist, ist es
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zum passenden Steuern der Gleichrichterschaltung 48 erforderlich, Steuersignale vorzusehen, die synchron zu der Wechselspannung von der Wicklung 5o sind. Ein Synchronismus der Steuerungsfunktion wird durch Abtasten der Spannungswellenform in
der Wicklung 5o mittels eines Spannungserfassungstransformators 74 vorgesehen, dessen Primärwicklung parallel zur Hilfswicklung 5o und dessen Sekundärwicklung an die Eingangsanschlüsse eines Nulldurchgang-Detektors 76 angeschlossen sind. Dieser Detektor bildet immer dann einen Ausgangsimpuls, wenn die Wechselstromwellenform die Bezugsachse der Spannung Null kreuzt, das heißt zu Beginn eines jeden Halbzyklus der Wechselspannungswellenform. Die von dem Nulldurchgang-Detektor 76 erzeugten Impulssignale werden über eine Leitung 78 zu einem Frequenz/Strom-Wandler 8o geleitet, der die Impulse in einen zu der Frequenz der Impulse proportionalen Gleichstrom umsetzt. Das Ausgangssignal von dem Frequenz/Strom-Wandler 8o wird zu einer Rampengeneratorschaltung 82 geleitet. Diese kann beispielsweise eine rückstellbare integrierende Schaltung aufweisen. Die Rampe bzw. der Sägezahn wird bei jedem Nulldurchgang durch Impulse zurückgesetzt, die von dem Nulldurchgang-Detektor 76 über eine Leitung 83 zugeführt werden. Da die Anstiegsgeschwindigkeit der Rampenfunktion proportional zum Gleichstrom-Eingangsstrom ist und da die Rampe bei jedem Nulldurchgang zurückgesetzt wird, steigt sie während jedes Halbzyklus der Wechselstrom-Spannungswellenform auf im wesentlichen dieselbe Amplitude, so daß sie eine synchrone Steuerfunktion bildet. jj.
Das synchronisierte Rampenfunktionssignal vom Rampenfunktionsgenerator 82 wird einem Eingangsanschluß einer Komparatorschaltung 84 zugeleitet, deren zweiter Eingangsanschluß mit der Leitung 72 verbunden ist, um das verstärkte Fehlersignal zu empfangen. Wenn die Amplitude des Fehlersignals an der Leitung 72 die Amplitude des Rampenfunktionssignals übersteigt, erfolgt eine Zustandsänderung des !Comparators 84, der ein Ausgangssignal für eine S11CR-Zündschaltung 86 liefert. Hierbei kann es sich um einen in der Technik bekannten Typ zum Bilden von Zündimpulsen für phasengesteuerte Gleichrichterschaltungen handeln. Die Ausbildung von derartigen Phasensteuerung-Zündschaltungen ist im
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Kapitel 9 des zuvor erwähnten SCR Manual von der General Electric Company beschrieben. Die SCR-Zündschaltung 86 liefert in einer in der Technik bekannten Weise Zündimpulse für eine Phasensteuerung der Gleichrichter 48A und 48B.
Für ein besseres Verständnis der Betriebsweise der Schaltung aus Figur 2 sei die Situation betrachtet, bei der der Wechselstromgenerator 12 mit relativ niedriger Drehzahl arbeitet und dem Motor 2o Leistung zuführt.Das von der Auswahlschaltung an der Leitung 42 entwickelte Signal hat eine kleinere Größe als das von dem Funktionsgenerator 26 erzeugte Signal. Somit ist das von der Summier-Verbindungsstelle 28 zugeführte Signal an der Leitung 44 größer als Null. Da die Drehzahl des Wechselstromgenerators relativ klein ist, ist der von der Hilfswicklung 5o erzeugte Wechselstrom unzureichend, um den erwünschten Pegel der Feldstromerregung liefern zu können. Dementsprechend wird die Batterieschaltung 56 aufgerufen bzw. dazu veranlaßt, der Feldwicklung 18 Strom zuzuleiten. Es ist jedoch festzustellen, daß das Fehlersignal an der Leitung 44 vom Verstärker 7o verstärkt wird und an der Leitung 72 als ein relativ großes Signal ansteht. Dieses große Fehlersignal an der Leitung 72 veranlaßt den Komparator 84 zu einer Zustandsänderung frühzeitig in der Periode eines jeden Wechselvorgangs des von der Wicklung 5o zugeführten Stroms. Der Komparator 84 liefert somit Signale, die die Zündschaltung 86 dazu veranlassen, die phasengesteuerte Gleichrichterschaltung in einen vollen 'Ein' Zustand zu synchronisieren, um hierdurch von der Feldwicklung 5o die maximal^ erhältliche Energie abzunehmen. Da diese Energie von der Feldwicklung 5o kleiner als der erwünschte Pegel des Erregungsstroms für die Feldwicklung 18 ist, veranlaßt das durch den Verstärker 64 an der Leitung 66 entwickelte Fehlersignal den Y .aparator 98 zu einem Zustandswechsel relativ spät in dem Zyklus der Rampensignale von dem Rampenfunktionsgenerator 96, so daß die Zerhackerschal tuijgn 58 in einem höchst leitenden Betriebszustand gehalten wird, wobj^i festzustellen ist, daß der Hauptthyristor in der Zerhackerschaltung bei jedem Taktimpuls vom Oszillator 92 gezündet und durch eine Zustandsänderung des Komparators 98 abgeschaltet wird.
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Wenn die Drehzahl des Wechselstromgenerators vergrößert wird, erreicht die Stromabgabe des Wechselstromgenerators 12 eine solche Größe, daß die von der Hilfswicklung 5o erhältliche Erregung ausreicht, um die Feldwicklung 18 auf dem erwünschten Pegel zu erregen. Wenn die Felderregung diesen erwünschten Pegel erreicht, wird das Fehlersignal an der Leitung 44 relativ klein. Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 64 ist so eingestellt, daß für ein kleines Fehlersignal die Verstärkerausgangsspannung auch relativ klein ist. Somit hat das Signal an der Leitung 66 eine solch kleine Größe, daß die Zerhackerschaltung 58 abgeschaltet wird, im wesentlichen sobald sie in den leitenden Zustand gesteuert ist. Natürlich ist der Übergang zu diesem Zustand relativ gleichförmig, und erfolgt der Reduktionsgeschwindigkeit der Größe des Fehlersignals an der Leitung 44. Wegen des höheren Verstärkungsgrades des Verstärkers 7o bleibt jedoch das Signal an der Leitung 72 ausreichend groß, um den Betrieb der Phasensteuerung-Gleichrichter schaltung 48 in einer Weise zum Verringern des Fehlersignals an der Leitung 44 zu steuern.
Da das dargestellte Rückkopplungsregelungssystem ein nicht integrierendes Regelsystem ist, hat das Fehlersignal an der Leitung 44 ständig eine endliche Größe. Dementsprechendidrd die Zerhackerschaltung 58 durch ein Fehlersignal minimaler Größe nicht vollständig unwirksam gemacht. Um eine vollständige Inaktivierung der Zerhackerschaltung 58 sicherzustellen, wird der Schaltverstärker 9o entsprechend eingestellt, damit eine Zustandsänderung erfolgt, wenn der Strom im Shunt 54 eine vorbestimmte Größe erreicht, das heißt wenn das vom Verstärker 61 entwickelte Signal eine vorbestimmte Größe erreicht. Eine Zustandsänderung durch den Verstärker 9o unterbindet den Betrieb des Oszillators 92, so daß nicht mehr länger Steuerungssignale zur Zerhackerschaltung 58 geleitet werden. Nachdem einmal die Feldstromerregung eine vorbeetinnnte Größe erreicht hat, wird die gesamte Erregung vonidfr Hilfswicklung 5o zugeleitet und über die Phasensteuerungs-Glftf.chrichterschaltung 48 geregelt.
In Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Zerhackerschaltung 58 und die Batterieschaltung 56 in Parallelschaltung mit der phasen-
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gesteuerten Gleichrichterschaltung 48 verbunden sind. Eine Shunt-Diode oder sogenannte Preilaufdiode 1o6 ist auch parallel mit der Glexchrichterschaltung 48 verbunden. Als Konsequenz der Parallelschaltung der Gleichrichterschaltung 48 und der Feldwicklung 18 liegt auch die Freilaufdiode 1o6 parallel zur Feldwicklung 18. Die Diode 1o6 liegt im Nebenschluß der Batterieschaltung 56, um zu verhindern, daß große induktive Ströme diese Schaltung beschädigen. Die Betriebsweise des Systems aus Figur 3 ist im wesentlichen mit derjenigen aus Figur 1 übereinstimmend. Der frequenzvariable Zündvorgang der Phasensteuerung-Gleichrichterschaltung 48 tritt jedoch zuweilen mit der Zerhackerschaltung 58 in Wechselwirkung, wobei diese zu einer Steuerung zu unerwünschten Zeiten veranlaßt wird. Eine zusätzliche Diode 1o8, die in Reihe zwischen der Zerhackerschaltung 58 und der Gleichrichterschaltung 48 liegt, unterstützt eine Reduzierung dieser Wechselwirkung.
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Claims (9)

  1. Ansprüche
    / 1. /Elektrisches Antriebsregelungssystem für ein Zugfahrzeug mit elektrischen Zugmotormitteln zum Antreiben des Fahrzeugs, mit elektrischen Generatormitteln, deren elektrische Ausgangsgrößen von dem Antriebsregelungssystem geregelt werden können, die ferner Hauptwicklungen zum Zuführen von elektrischer Energie zu den Motormitteln haben und die eine auf die Generatormittel gewickelte Feldwicklung aufweisen, um Erregungsenergie für die Generatormittel von einer auf die elektrischen Generatormittel gewickelten Hilfswicklung zu empfangen, so daß Erregungsenergie während des Laufzustandes von den Generatormitteln selbst abgeleitet wird, oder von einer sekundären Gleichstrom-Leistungsquelle zu empfangen, wobei zum drehzahlvariablen Antreiben der Generatormittel Antriebsmaschinenmittel vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelungssystem erste Verbindungsmittel zum Verbinden der Hilfswicklung (5o) sowie der Feldwicklung (18) aufweist, wo^ei die ersten Verbindungsmittel Mittel (48) zum Regeln des Pegels der der Feldwicklung (18) von der Hilfswicklung (5o) zugeführten Erregung enthalten, daß das Regelungssystem zweite Verbindungsmittel zum Verbinden der sekundären Quelle (56) mit der Feldwicklung (18) aufweist, wodurch eine zusätzliche Erregung vorgesehen wird, wenn die von der Hilfswicklung (5o) erhältliche elektrische Energie .kleiner als eine vorbestimmte Größe ist, und daß ferner Steuerungs- bzw. Regelungsmittel zum Steuern der ersten und zweiten Verbindungsmittel vorhanden sind, so daß die der Feldwicklung (18) zugeleitete Erregung eine von der Hilfswicklung (5o) zugeführte erste gesteuerte Komponente
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    und eine von der sekundären Quelle (56) zugeführte zweite gesteuerte Komponente aufweist, die eine mittlere Größe hat, welche im wesentlichen gleich der Differenz zwischen der erwünschten Größe der Felderregung und der maximalen mittleren Größe der von der Hilfswicklung (5ο) erhältlichen Erregung ist.
  2. 2. Regelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungs- bzw. Steuerungsmittel Mittel (3o) zum Bilden von Rückführungssignalen aufweisen, die sich als Funktionen von Spannungs- und Strompegeln der von den Generatormitteln
    (12) zu den Motormitteln (2o) geleiteten elektrischen Ausgangsgrößen ändern, ferner Mittel (26) zum Bilden eines Referenzsignals aufweisen, welches sich als eine vorbestimmte Funktion bzw. in einer vorbestimmten Abhängigkeit der Drehzahl des Rotors der Generatormittel (12) ändert, ferner Vergleichsmittel (28) aufweisen, die auf die Rückführungs- und Referenzsignale ansprechen, um ein Fehlersignale (44) zu bilden, das die Differenz zwischen der Größe des Referenzsignals und der Größe des größten Signals der Rückführungssignale darstellt, ferner erste Verstärkungsmittel (64) aufweisen, die zum Empfangen und Verstärken des Fehlersignals (44) dienen, um ein erstes verstärktes Fehlersignal zu erzeugen, welches die Größe der von der sekundären Quelle (56) zugeführten Felderregung steuert, und schließlich zweite Verstärkungsmittel (7o) aufweisen, die zum Empfangen und Verstärken des Fehlersignals dienen, um ein zweites verstärktes.{.Fehlersignal zu erzeugen, welches die Größe der von der Hilfswicklung (5o) zugeführten Felderregung steuert, wobei der Verstärkungsfaktor der ersten Verstärkungsmittel (64) kleiner als der Verstärkungsfaktor der zweiten Verstärkungsmittel (7o) ist.
  3. 3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Verbindungsmittel eine phasengesteuerte Gleichrichterschaltung
    (48) aufweisen, die zumindest zwei Thyristoren (48A, 48B), ferner erste sowie zweite Eingangsanschlüsse, die mit der Hilfswicklung (5o) verbunden sind, und erste sowie zweite Ausgangsanschlüsse hat, die mit der Feldwicklung (18) verbunden sind,
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    wobei Steuerungsanschlüsse der Thyristoren (48A, 48B) mit einer Thyristor-Zündschaltung (46, 86) verbunden sind, die auf das zweite verstärkte Fehlersignal anspricht, um die Leitungsphasen-Verzögerung der Thyristoren zu steuern.
  4. 4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Quelle eine Gleichstrom-Leistungsquelle (56) und eine hiermit in Reihe geschaltete Zerhackerschaltung (58) aufweist.
  5. 5. System nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Diode (52), die einen Ausgangsanschluß der Gleichrichterschaltung (48) und einen Anschluß der Feldwicklung (18) verbindet, wobei die Reihenschaltung der Gleichstrom-Leistungsquelle (56) sowie der Zerhackerschaltung (58) dieser Diode (52)parallelgeschaltet ist.
  6. 6. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Stromerfassungsmittel (54) zum Bilden eines Stromsignals, das für die erwünschte Größe des Stroms in der Feldwicklung (18) bezeichnend ist, und durch auf das Stromsignal ansprechende Mittel (59) zum gleichförmigen Vermischen des Felderregungsstroms von der Zerhackerschaltung (58) mit dem Felderregungsstrom von der phasengesteuerten Gleichrichterschaltung (48) in der Weise, daß die Ausnutzung der Selbsterregungsenergie von der Hilfswicklung (5o) maximal und die Ausnutzung der Erregungsenergie von der sekundären Quelle (56) minimal gehaltön werden.
  7. 7. System nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch weitere Verbindungsmittel zum Parallelschalten der Serienkombination der Zerhackerschaltung (58) sowie der Gleichstrom-Leistungsquelle (56) mit der phasengesteuerten Gleichrichterschaltung (48).
  8. 8. System]:nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Verbindungsmittel zumindest eine Diode (1o8) aufweisen, die entsprechend gepolt ist, um Strom von der Gleichstrom-Leistungsquelle (56) zu der Feldwicklung (18) zu leiten.
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  9. 9. System nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Diode (1o6), die der Feldwicklung (18) parallelgeschaltet ist.
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