DE2841520A1

DE2841520A1 - Leistungsregelanordnung fuer einen elektromotor

Info

Publication number: DE2841520A1
Application number: DE19782841520
Authority: DE
Inventors: Ronald Barry Bailey; Thomas Detlor Stitt; Dennis Francis Williamson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-09-26
Filing date: 1978-09-23
Publication date: 1979-04-05
Also published as: FR2404333B1; FR2404333A1; GB1600690A; SE436387B; US4152758A; SE7810018L

Description

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Dr.-ΐηα. Wilholm Beiohel

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GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y. VStA

Leistungsregelanordnung für einen Elektromotor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsregelanordnung für einen Elektromotor, der aus einer Wechselspannungsquelle gespeist wird, mit einer phasenanschnittgesteuerten Gleichrichterschaltung, die Wechselspannungs-Eingangsanschlüsse für den Anschluß an die WechselSpannungsquelle, zwei Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse und eine Einrichtung mit mehreren steuerbaren elektrischen Ventilen zur Verbindung der Ein- und Ausgangsanschlüsse aufweist, wobei die Ventile zyklisch bei derart veränderbaren Zündwinkeln gezündet werden, daß der Mittelwert der Gleichspannung an den Ausgangsanschlüssen geregelt wird; mit einer FiIterschaltung, die einen Glättungskondensator zwischen den Gleichspannungs-Ausgangsanschlüssen aufweist; mit einer Leistungsregeleinrichtung zum Verbinden der Filterschaltung mit dem Motor und zur Regelung der Motorleistung; und mit einer Steuereinrichtung, durch die der Gleichrichterschaltung Zündsignale in der Weise zuführbar sind, daß die Ventile bei veränderbaren Zündwinkeln gezündet werden.

Es sind Gleichrichterschaltungen mit steuerbaren elektrischen Ventilen bekannt, deren Zündung mit der gleichzurichtenden Wechselspannung synchronisiert ist. Häufig wird die Gleichspannung mittels eines Filters geglättet. Als Ventile werden derzeit überwiegend steuerbare Halbleiterschalter, wie steuerbare Gleichrichter oder Thyristoren, verwendet.

Ein derartiges Ventil hat im gesperrten Zustand einen hohen Sperrwiderstand und im leitenden Zustand einen verhältnismäßig niedrigen Durchlaßwiderstand und DurchlaßSpannungsabfall. Wenn zwischen seinen Hauptanschlüssen eine Durchlaßspannung

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anliegt (die Anode positives Potential gegenüber der Kathode hat) und dem Steueranschluß, auch "Tor" genannt, ein Auslöseoder Zündsignal zugeführt wird, geht es sehr rasch vom gesperrten in den leitenden Zustand über. Die in elektrischen Graden gemessene Zeit vom positiven Nulldurchgang der Anodenspannung des Ventils bis zum Zündzeitpunkt wird als "Zündwinkel" bezeichnet. Durch Änderung des Zündwinkels bzw. Verschiebung des Zündzeitpunkts kann die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung gesteuert werden.

Nach dem Zünden bleibt ein derartiges Ventil solange leitend, bis der Durchlaßstrom aufgrund der äußeren Schaltung, in der das Ventil liegt, unter einen bestimmten Haltestrom sinkt. Bei einer Einweggleichrichterschaltung mit nur einem Ventil kann dies dadurch gesperrt werden, daß die Eingangswechselspannung unter die Ausgangsgleichspannung sinkt, so daß am Ventil eine Sperrspannung liegt und der Durchlaßstrom unter den erforderlichen Haltewert abnimmt. Wenn das Filter jedoch eine Drosselspule in einem Längszweig zwischen Ventil und Kondensator aufweist, wird das Ventil nicht eher gesperrt, als bis der Drosselspulenstrom null ist. Andererseits kann das Ventil dadurch gesperrt werden, daß sich die Polarität der Wechselspannung umkehrt und der Strom von dem Ventil auf einen Freilaufzweig kommutiert. Der Freilaufzweig kann ein nur in einer Richtung leitendes Bauelement, das zwischen den Gleichspannungsanschlüssen des Gleichrichters liegt, oder einen Teil der Gleichrichterschaltung selbst aufweisen.

In einigen Anwendungsfällen ist die Belastung der Gleichrichterschaltung auf der Gleichspannungsseite variabel. Wenn die Belastung so hoch ist, daß der Gleichrichterstrom unterbrochen wird, erreicht die Gleichspannung am Glättungskondensator des Filters nahezu den Spitzenwert der Eingangswechselspannung. Daher kann ein Zündsignal in einem Zeitpunkt dem Steueranschluß des Ventils zugeführt werden, in dem eine Sperrspannung (Katho-

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denpotential positiv gegenüber Anodenpotential) am Ventil liegt und das Ventil nicht gezündet wird. Bei schwacher Belastung ist der erforderliche Gleichrichterstrom klein, so daß der zur Aufrecht erhaltung der gewünschten Gleichspannung erforderliche Zündwinkel sehr groß, d.h. der Stromflußwinkel der Ventile klein ist und der Strom durch die Drosselspule unterbrochen wird. Wenn kein Strom durch die Drosselspule fließt, ist ihr Spannungsabfall praktisch null, so daß die Spannung am Kondensator auf die phasengesteuerte Gleichrichterschaltung zurückwirkt. Wenn die Belastung ansteigt, so daß die Gleichspannung abzufallen beginnt, bewirkt die Regeleinrichtung eine Korrektur der Spannungsabnahme durch Vorverschiebung des Zündzeitpunkts. Die Vorverschiebung des Zündzeitpunkts kann jedoch dazu führen, daß ein Zündimpuls in einem Zeitpunkt auftritt, in dem die Ventile der Gleichrichterschaltung an Sperrspannung liegen. Bei schwacher Belastung kann daher keine Gleichspannung erzeugt werden.

Um die Zündung eines Ventils sicherzustellen, ist es bekannt, dem Steueranschluß ein kontinuierliches Zündsignal vom gewünschten Zündzeitpunkt bis zum nächsten Nulldurchgang der Eingangswechselspannung zuzuführen. Bei dem kontinuierlichen Zündsignal kann es sich um eine Gleichspannung oder eine Folge von Impulsen mit verhältnismäßig hoher Pulsfrequenz handeln. Beide Zündsignalarten sind allgemein gebräuchlich. Eine andauernde Zündung des Ventils führt jedoch nicht nur zu höheren Kosten, sondern auch zu anderen Schwierigkeiten. So muß die Zündschaltung vom Leistungs- bzw. Stromversorgungskreis durch Verwendung von Impulstransformatoren entkoppelt sein. Für eine kontinuierliche Zündung muß der Impulstransformator eine hundertmal höhere Nennleistung als bei einem einzigen Impuls haben. Die zur Zuführung des kontinuierlichen Zündsignals erforderliche Stromversorgungseinrichtung muß ebenfalls leistungsstark und groß sein. Ferner nimmt die Sperrfähigkeit von Halbleiterventilen bei Zuführung eines Zündsignals, wenn sie an Sperrspannung liegen, ab, und zusätzlich zu einer Überhitzung besteht die Gefahr, daß sie thermisch durchgehen.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsregelanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Zündung der Gleichrichterschaltung sichergestellt ist, ohne daß kontinuierlich Zündsignale zugeführt werden.

Nach der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuereinrichtung aufweist: eine erste Einrichtung zur Erzeugung einer Folge erster Zündsignale synchron mit der Wechselspannung an den Eingangsanschlüssen, wobei die erste Einrichtung die Zündwinkel der ersten Zündsignale in Abhängigkeit von der Gleichspannung am Glättungskondensator so ändert, daß die Kondensatorspannung im wesentlichen einen vorbestimmten Betrag beibehält; eine zweite Einrichtung, die in Abhängigkeit von der Kondensatorspannung und der Wechselspannung an den Eingangsanschlüssen zweite Zündsignale jedesmal dann erzeugt, wenn der Augenblickswert der Wechselspannung den Istwert der Kondensatorspannung überschreitet; und eine Kopplungseinrichtung zum Übertragen der ersten Zündsignale und zusätzlich eines zweiten Zündsignals, das in jeder Halbwelle der Wechselspannung nach einem ersten Zündsignal erzeugt wird, zur Gleichrichterschaltung.

Die Ventilzündeinrichtung weist vorzugsweise eine Einrichtung zum Vergleichen der Gleichspannung an den Gleichspannungs-Ausgangsanschlüssen der Gleichrichterschaltung mit einer Bezugsspannung auf. Die Vergleichseinrichtung erzeugt ein Signal, dessen Amplitude die Summe der Größe des Bezugssignals und der Differenz von Bezugssignal und Gleichspannung darstellt. Dieses Signal wird mit einem Sägezahnsignal verglichen, das mit der Eingangswechselspannung synchronisiert ist. Dieser zuletzt genannte Vergleich liefert ein Ventilzündsignal, wenn der Betrag des Sägezahnsignals den des zuerst genannten Vergleichssignals überschreitet. Um sicherzustellen, daß das Ventil gezündet wird, ist erfindungsgemäß eine Einrichtung vorgesehen, die die Ausgangsgleichspannung mit der Eingangswechselspannung vergleicht und ein Wiederzündsignal erzeugt, wenn die Wechselspannung die Gleichspannung überschreitet. Die Anordnung enthält ferner eine

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Einrichtung zum Sperren der Zuführung des Wiederzündsignals zum Ventil, sofern dem Wiederzündsignal kein Zündsignal während einer Halbwelle der Wechselspannung vorausging. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie nur Zündsignale mit verhältnismäßig kurzer Dauer erzeugt und dennoch sicherstellt, daß ein Ventil nur in einem Zeitpunkt gezündet wird, wenn es an Durchlaßspannung liegt.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand von Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten Regelanordnung für einen Elektromotor,

Fig. 2 den Verlauf von Spannung und Strömen an vorbestimmten Stellen in der Anordnung nach Fig» 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild, das die Zusammengehörigkeit der Fig. 3A und 3B veranschaulicht,

Fig. 3A ein vereinfachtes Schaltbild des Leistungsteils der Regelanordnung für einen Fahrzeugmotor und

Fig. 3B ein vereinfachtes Schaltbild eines Steuerteils der Regelanordnung.

Fig. 1 stellt ein Blockschaltbild für eine Leistungsregeleinrichtung eines Elektromotors 10 dar, bei dem es sich um einen Teil einer Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug, z.B. eine Lokomotive oder einen Kraftwagen, handeln kann. Die Energie für den Motor wird von einer Wechselspannungsquelle 12 geliefert, die ein Fahrleitungs- oder DrittSchienensystem aufweisen kannj, das eine verhältnismäßig hohe Wechselspannung an das Zugfahrzeug liefert. Diese Netzwechselspannung kann eine Effektivspannung von 25000 Volt aufweisen. Die Wechselspannung wird über

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Leitungen 14 und 16 aus der Quelle 12 den Wechselspannungs-Eingangsanschlüssen einer phasenanschnittgesteuerten Gleichrichterschaltung 18 zugeführt. Die Quelle 12 enthält einen (nicht dargestellten) Transformator, der die Spannung auf einen Effektivwert von 18000 Volt heruntertransformiert. Bei der Gleichrichterschaltung 18 handalt es sich vorzugsweise um eine Vollweg-Brückengleichrichterschaltung mit steuerbaren Ventilen, wie Thyristoren oder steuerbaren Siliciumgleichrichtern, die in ausgewählten Zweigen der Brückenschaltung liegen. Die Gleichrichterschaltung 18 bewirkt eine Umrichtung der Wechselspannung in eine vollweggleichgerichtete Gleichspannung an ihren Gleichspannungs-Ausgangsanschlüssen. Die Gleichspannung wird über Leitungen 20 und 22 einer Filterschaltung 24 zugeführt. Die Filterschaltung 24 kann entweder einen einzigen Kondensator zwischen den Leitungen 20 und 22 oder zusätzlich eine im Längszweig vor dem Glättungskondensator liegende Drosselspule aufweisen, um die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 18 zu glätten.

An den Ausgangsanschlüssen der FiIterschaltung 24 liegt eine Leistungsstellschaltung 26. Die Steilschaltung 26 kann eine tastverhältnisgesteuerte Zerhackerschaltung aufweisen, die den Motorstrom durch periodisches Verbinden und Trennen des Motors mit der bzw. von der Ausgangsgleichspannung der Filterschaltung 24 steuert, wobei in diesem Falle der Motor 10 ein Gleichstrommotor ist. Die Schaltung 26 steuert den Strom und damit die Ausgangsleistung des Motors 10 durch Veränderung des Verhältnisses von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer. Die Schaltung 26 wird von einer Stromregelschaltung 28 gesteuert, die den Istwert des MotorStroms mit einem Strom-Sollwertsignal (oder -Bezugssignal) vergleicht und der Stellschaltung 26 Zünd- bzw. Steuersignale zuführt, die das Tastverhältnis so steuern, daß die Differenz zwischen Soll- und Istwertsignal minimisiert wird. Das Strom-Istwertsignal kann von einer (nicht dargestellten) Bedienungseinrichtung geliefert werden. Eine bekannte Strom-Regel schaltung zur Steuerung eines Stellgliedes in Form einer

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Zerhackerschaltung, die die Leistung eines Motors steuert, ist in der US-PS 3 866 098 angegeben.

Statt der dargestellten Ausführungsform kann die Steilschaltung 26 auch einen Wechselrichter aufweisen, z.B. einen impulskommutierten Viechselrichter, der mit Pulsbreitenmodulation arbeitet. Wenn die Stell schaltung 26 einen Wechselrichter aufweist, wird als Motor 10 ein Wechselstrommotor verwendet. Hierfür geeignete Wechselrichter sind in "Principles of Inverter Circuits" von B. D. Bedford und R. G. Hoft, veröffentlicht 1964 von John Wiley & Sons, Inc., New York, N.Y., beschrieben. Ein anderer üblicher Wechselrichter ist in der US-PS 3 207 974 angegeben. Die Ausbildung des Stromreglers 28 zur Erzeugung von Zündsignalen für einen Wechselrichter ist ebenfalls in der oben genannten Druckschrift von Bedford und Hoft angegeben.

Bei einem typischen Anwendungsfall für ein mit Gleichstrom betriebenes Zugfahrzeug, in dem der Motor 10 ein Zugmotor ist, liegt die Nennbetriebsspannung bei 1000 Volt. Die Ausgangsspannung der Wechselspannungsquelle 12 kann jedoch einen Spitzenwert von bis zu 3000 Volt aufweisen. Um die Höhe der dem Motor 10 und der Z erhack er schaltung 26 zugeführten Spannung zu begrenzen, wird die Gleichrichterschaltung 18 phasenanschnittgesteuert, wenn eine Stromunterbrechung auftritt, so daß die Gleichspannung innerhalb der für die Stell schaltung 26 und den Motor 10 zulässigen Grenzen liegt. Die Ausgangsgleichspannung der Gleichrichterschaltung 18 wird durch Änderung des Zündwinkels ihrer Ventile geregelt. Der Zündwinkel wird dadurch gesteuert, daß den Ventilen Zündsignale in vorbestimmten Zeitpunkten in jeder Halbwelle der den Eingangsanschlüssen der Schaltung 18 zugeführten Wechselspannung zugeführt werden. Die Zündsignale werden von einer Regeleinrichtung geliefert, die die Ausgangsgleichspannung der Filterschaltung 24 mit einer Soll- bzw. Bezugsspannung vergleicht und Signale in entsprechenden Zeitpunkten innerhalb jeder Halbwelle liefert, um die Ventile in der Weise leitend zu steuern, daß die Differenz zwischen

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der Ausgangsgleichspannung und dem Spannungs-Sollwertsignal miniraisiert wird. Diese Einrichtung enthält einen Nulldurchgangsdetektor 30 an sich bekannter Bauart, der jeden Nulldurchgang der Wechselspannung feststellt. Der Nulldurchgangsdetektor liefert, bei jedem Nulldurchgang, einer Sägezahngeneratorschaltung 32 an sich bekannter Bauart einen Impuls. Die Sägezahngeneratorschaltung 32 wird durch jeden Impuls des Nulldurchgangsdetektors 30 auf ihren Anfangswert zurückgestellt. Nach jeder Rückstellung erzeugt die Sägezahngeneratorschaltung 32 ein sich linear änderndes Ausgangssignal, das über eine Leitung 34 einer Vergleichsschaltung 36 zugeführt wird. Die Ausgangsgleichspannung der Filterschaltung 24 wird ferner einem Eingang einer Spannung sr eg el schaltung 38 zugeführt, die eine Verstärkerschaltung mit Verzögerung erster Ordnung, auch "Integral-und-Proportional"-Glied genannt, enthält. Ein Gleichspannungs-Sollwertsignal wird einem zweiten Eingang der Spannungsregelschaltung 38 zur Ermittlung eines Regelabweichungssignals zugeführt, das die verstärkte Differenz von Sollwertsignal und Gleichspannung darstellt. Die Regelschaltung 38 liefert ein Ausgangssignal, das den zur Minimisierung der Differenz zwischen Gleichspannungs-Istwert und Spannungs-Sollwert erforderlichen Zündwinkel der Ventile in der Gleichrichterschaltung 18 darstellt. Das Ausgangssignal der Regelschaltung 38 wird dem zweiten Eingang der Vergleichsschaltung 36 zugeführt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel fällt die Rückflanke des Sägezahnsignals der Sägezahngeneratorschaltung 32 linear ab. Wenn die Amplitude des Sägezahnsignals die Ausgangsspannung der Regelschaltung 38 unterschreitet, wechselt die Vergleichsschaltung 36 ihren Ausgangssignalzustand. Dieser Ausgangssignal-Zustandswechsel wird von einem NAND-Glied 40 festgestellt, das daraufhin einem Impulsformer 42 ein Signal zuführt. Bei dem Impulsformer 42 kann es sich um einen monostabilen Multivibrator handeln. Die vom Impulsformer 42 erzeugten Zündsignale werden einer Thyristör-Zündschaltung 44 zugeführt, die die zur Zündung der Ventile der Gleichrichterschaltung 18 erforderliche Zündleistung liefert. Die von der Thyristör-Zündschaltung 44 erzeugten Signale werden den Ventilen in der Gleichrichterschaltung 18 über Leitungen 46 und 47 zugeführt.

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Wenn die Zündsignale der Zündschaltung 44 in einem Zeitpunkt auftreten, in dem die Gleichspannung an den Gleichspannungs-Ausgangsanschlüssen der Gleichrichterschaltung 18 größer als die Wechselspannung an den Wechselspannungs-Eingangsanschlüssen der Gleichrichterschaltung ist, sind die Zündsignale nicht in der Lage, die Ventile in den leitenden Zustand zu steuern,, weil die Ventile an Sperrspannung liegen» Da diese Zündunfähigkeit unerwünschte Spannungssprünge bewirken kannj, ist eine Wiederzündschaltung vorgesehen die sicherstellt, daß jedesmal ein Wiederzündsignal erzeugt wird, sobald die Wechselspannung die Gleichspannung überschreitet;, doh„ wenn die Ventile an Durchlaßspannung liegen» Diese Wiederzündschaltung enthält eine zweite Vergleichsschaltung 50_s die den Augenblickswert der Wechselspannung mit dem Istwert der Gleichspannung vergleicht» Die Wechselspannung wird der Vergleichsschaltung 50 über eine Koppelschaltung 48 zugeführt. Wenn die Wechselspannung die Gleichspannung überschreitet, wechselt die Vergleichsschaltung 50 ihren Ausgangszustand, so daß dem Impulsformer 52 ein Signal zugeführt wird. Der Impulsformer 52 kann einen monostabilen Multivibrator enthalten, der bei Empfang des Signals der Vergleicherschaltung 50 einen Ausgangsimpuls erzeugte Der Ausgangsimpuls des Impulsformers 52 wird dem zweiten Eingang des NAND-Gliedes 40 zugeführt^ in dem er nach einer UND-Funktion mit dem normalen Zündsignal verknüpft und dann über den Impulsformer 42 und die Thyristor-Zündschaltung 44 den Ventilen der Gleichrichter schaltung 18 zugeführt wird» Das Wiederzündsignal stellt sicher, daß der Gleichrichterschaltung 18 in einem Zeitpunkt ein Zündsignal zugeführt wird, in dem die Ventile an Durchlaßspannung liegen«

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig_o 1 wird auf Fig_e 2 Bezug genommene Die Wechselspannung aus der Wechselspannungsquelle 12 wird in ihrer Amplitude verringert und nach einer Vollweggleichrichtung der Vergleichsschaltung zugeführtο In Fig„ 2 stellt die Kurve 54 den Verlauf der vollweggleichgerichteten Wechselspannung dar. Die Kurve 56 stellt

den idealen Verlauf der Gleichspannung am Ausgang der Filterschaltung 24 dar, da der tatsächliche Verlauf eine meßbare Welligkeit aufweist. Die Kurve 58 stellt das Sägezahnsignal am Ausgang des Sägezahngenerators 32 dar. Wie man sieht, ist das Sägezahnsignal mit den Nulldurchgängen des Wechselspannungsverlaufs 54 synchronisiert. Die Kurve 59, die dem Sägezahnsignal 58 überlagert wird, stellt das von der Regelschaltung 38 gelieferte analoge Regelabweichungssignal dar.

Die Kurve 60 stellt die Ausgangssignale der Vergleichsschaltung 36 dar. Das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 36 ist normalerweise (logisch) 0, und wird auf (logisch) 1 umgeschaltet, wenn das Regelabweichungssignal der Regelschaltung 38 den Augenblickswert des Sägezahnsignals 58 überschreitet. Das Ausgangssignal 60 der Vergleichsschaltung 36 wird dem einen Eingang des NAND-Gliedes 4Q zugeführt, das daraufhin das Signal 62 erzeugt. Das NAND-Glied 40 erhält an dem einen Eingang das Signal 60 .und am anderen Eingang das Ausgangssignal des Impulsformers 52. Im Normalzustand, d.h. vor der Auslösung irgendeines Zündsignals, ist das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 36 ein O-Signal und das Ausgangssignal des Impulsformers 52 ein 1-Signal. Wenn das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 50 wechselt, weil die Wechselspannung 54 die Gleichspannung 56 überschreitet, erzeugt der Impulsformer 52 das Signal 64. Wenn der Impulsformer 52 als monostabiler Multivibrator ausgebildet ist, erzeugt er einen Ausgangsimpuls mit fester Impulsdauer, wie es durch die Kurve 64 dargestellt ist.

Solange wie das Ausgangssignal des Impulsformers 52 auf 1 bleibt, bewirkt ein Zustandswechsel des Ausgangssignals der Vergleichsschaltung 36 einen Zustandswechsel des Ausgangssignals des NAND-Gliedes 40. Ein Zustandswechsel des Ausgangssignals des Impulsformers 52 von 1 auf 0 hat jedoch keinen Einfluß auf den Zustand des Ausgangssignals des NAND-Gliedes 40, solange das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 36 null bleibt. Der Effekt dieser Diskriminierung zwischen den beiden Eingangs-

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Signalen des NAND-Gliedes 40 ist an der Kurve 66 zu erkennen, die die verknüpften Zündsignale wiedergibt, die der Thyristor-Zündschaltung 44 vom Impulsformer 42 zugeführt werden. Im Zeitpunkt t^ wechselt der Ausgangs signalzustand der Vergleicherschaltung 36, so daß das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 40 wechselt, wie es durch die Kurve 62 dargestellt ist. Wenn das Ausgangs signal des NAND-Gliedes 40 von 1 auf 0 übergeht, bewirkt dieser Übergang, daß der Impulsformer 42 ausgelöst wird und das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 40 von 0 auf 1 wechselt. Der Impulsformer 42 spricht jedoch nur auf die Rückflanke eines Auslösesignals an und erzeugt daher im Zeitpunkt tp kein Zündsignal. Im Zeitpunkt t^ endet die Laufzeit des Impulsformers 52, wobei sein Ausgangssignal auf 1 zurückwechselt und das Ausgangs signal des NAND-Gliedes 40 auf 0 übergeht. Dieser 1-O-Übergang des Ausgangssignals des NAND-Gliedes 40 löst den Impulsformer 42 aus, so daß im Zeitpunkt t, ein Wiederzündsignal erzeugt wird. Auf diese Weise wird in einer vorbestimmten Zeit, nachdem die Wechselspannung die Gleichspannung überschritten hat, ein Wiederzündsignal erzeugt, das sicherstellt, daß der Gleichrichter schaltung 18 in einem Zeitpunkt ein Zündsignal zugeführt wird, wenn ihre Ventile an Durchlaßspannung liegen. Am Anfang der zweiten Halbwelle der Wechselspannung 54 treten ähnliche Vorgänge auf. In der dritten Halbwelle ist die Gleichspannung jedoch soweit abgesunken, daß die Vergleichsschaltung 36 ein Zündsignal erst dann abgibt, nachdem die Wechselspannung 54 die Gleichspannung 56 überschritten hat. Der Impulsformer 52 hat dagegen schon im Zeitpunkt tj- ein Ausgangssignal erzeugt, wie es am Verlauf der Kurve 64 zu erkennen ist. Im Zeitpunkt tj- war das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 36 jedoch noch 0, so daß der Übergang des Eingangssignals am zweiten Eingang des NAND-Gliedes 40 auf 0 keinen Einfluß auf das Ausgangs signal des NAND-Gliedes 40 hat. Infolgedessen ändert sich das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 40 beim Überschreiten der Gleichspannung durch die Wechselspannung nicht . Im Zeitpunkt tg gibt der Vergleicher 36 jedoch ein 1-Signal ab, so daß beiden Eingängen des NAND-Gliedes 40 ein 1-Signal zugeführt wird, und das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 40 auf 0

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übergeht. Dadurch wird der Impulsformer 42 ausgelöst und der Thyristor-Zündschaltung 44 ein Zündimpuls zugeführt. Man sieht also, daß durch die erfindungsgemäße Schaltung sichergestellt ist, daß den Ventilen in der Gleichrichterschaltung 18 immer ein Wiederzündsignal zugeführt wird, wenn ein Zündsignal in einer Halbwelle der Wechselspannung erzeugt wird, die unmittelbar vor dem Zeitpunkt liegt, in dem die Wechselspannung die Gleichspannung überschreitet. Wenn die Wechselspannung die Gleichspannung jedoch vor der Auslösung eines Zündsignals überschreitet, wird das Wiederzündsignal im Übergangszeitpunkt gesperrt und nicht zur Thyristor-Zündschaltung 44 durchgelassen.

Nachstehend wird der Aufbau der Anordnung nach Fig. 1 anhand des etwas ausführlicheren Schaltbildes nach Fig. 3 beschrieben, wobei die Regelanordnung für einen Gleichstrommotor verwendet wird und die Stellschaltung 26 eine Zerhackerschaltung ist. Die Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 12 wird über die Leitungen 14 und 16 der phasenanschnittgesteuerten Gleichrichterschaltung 18 zugeführt, die einen Vollweg-Brückengleichrichter mit Halbleiterdioden 70 und 72 und steuerbaren Ventilen 74 und 76, z.B. in Form steuerbarer Siliciumgleichrichter oder anderer steuerbarer Schaltelemente, aufweist. Die Thyristor-Zündschaltung 44 führt den Ventilen 74 und 76 Zündsignale zu, um die Größe der Gleichspannung an den Ausgangsanschlüssen der Gleichrichterschaltung 18 zu regeln. Sowohl die Brückengleichrichter anordnung als auch die Zündschaltung 44 sind an sich bekannt und ausführlich im Kapitel 9 des "GE SCR Manual", 5. Auflage, herausgegeben 1972 von Semiconductor Products Department der General Electric Company, Syracuse, New York, beschrieben.

Das Glättungsfilter 24 enthält eine Längs-Drosseispule 78 und einen Quer-Kondensator 80. Die Filter-Ausgangsspannung V_dc liegt am Kondensator 80 und wird der Reihenschaltung aus Leistungs-St eil schaltung 26 und Motor 10 zugeführt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Motor 10 ein Reihenschlußmotor. Statt dessen kann auch ein Nebenschlußmotor verwendet werden. Die St eil schaltung 26 enthält eine Zerhacker schaltung mit einem

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Haupt-Thyristor 82, der den Strom des Motors 10 steuert. Die Löschschaltung für den Thyristor 82 enthält einen Kondensator 84, eine Drosselspule 86 und einen Hilfs-Thyristor 88. Eine Diode 90 verbindet die Löschschaltung mit der Kathode des Thyristors 82. Eine ausführlichere Beschreibung dieser Zerhackerschaltung findet sich in der US-PS 4 017 777. Die Stromregelschaltung 28, die in Abhängigkeit von einem Strom-Sollwertsignal Zündsignale für die Zerhacker-Thyristoren 82 und 88 erzeugt, ist ebenfalls ausführlicher in der oben erwähnten US-PS 3 866 098 beschrieben. Bei einem Zugfahrzeug wird das Strom-Sollwert signal gewöhnlich von einer Bedienungsperson an einem "Beschleuniger" oder einer anderen Leistungs- oder Geschwindigkeitssteuereinrichtung bekannter Art eingestellt. Ein Strom-Istwert signal wird der Regelschaltung 28 von einem im Motorstromkreis liegenden Strommeßwiderstand 29 zugeführt. Eine Freilaufdiode 87 bildet einen Freilaufzweig für den Motorstrom, wenn, der Zerhacker 26 gesperrt ist.

Die Koppelschaltung 48 enthält einen Transformator 92 mit einer an den Ausgangsanschlüssen der Spannungsquelle 12 liegenden Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, die an einem VoIlweggleichrichter 93 angeschlossen ist, der Dioden 94 und 96 aufweist. Die pulsierende Ausgangsspannung des Vollweggleichrichters 93 hat eine niedrigere Amplitude als die eingangsseitige Wechselspannung und wird über einen Vorwiderstand 98 dem nicht umkehrenden Eingang eines Vergleichers 100 zugeführt. Die am Kondensator 80 liegende Gleichspannung V, wird über eine Leitung 102 vom oberen Anschluß des Kondensators 80 einem Spannungsteiler aus Widerständen 104 und 106 zugeführt. Ein Anschluß 107 zwischen den Widerständen 104 und 106 ist mit dem umkehrenden Eingang des Vergleichers 100 verbunden. Über einen Widerstand 109, der zwischen dem Anschluß 107 und dem positiven Pol +V einer Gleichspannungsquelle liegt, wird dem Vergleicher 100 eine kleine Vorspannung zugeführt.

Der Vergleicher 100 dient zum Vergleichen des den Istwert der Gleichspannung V, darstellenden Signals mit dem Wechselspan-

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nungssignal vom Gleichrichter 93. Der Vergleicher 100 ist so ausgebildet, daß sein Ausgangssignal von 0 auf 1 -wechselt, wenn das gleichgerichtete Wechselsignal das Signal am Anschluß 107 überschreitet. Um einen raschen Wechsel bzw. ein rasches Umschalten des Vergleicher ausgangs signals sicherzustellen, weist der Vergleicher eine positive Mitkopplung in Form eines Widerstands 112 zwischen seinem Ausgang und seinem nicht umkehrenden Eingang auf. Der Vergleicher 100 und seine zugehörigen, oben beschriebenen Bauelemente entsprechen im wesentlichen dem Vergleicher 50 nach Fig. 1.

Die Ausgangssignale des Vergleichers 100 werden über einen Widerstand 118 und eine Umkehrstufe 119 (auch NICHT-Glied genannt) einem Takteingang CL eines monostabilen Multivibrators 120 und einem ersten Eingang eines NOR-Gliedes 122 zugeführt. Der Q- oder nicht umkehrende Ausgang des Multivibrators 120 ist mit dem zweiten Eingang des NOR-Gliedes 122 verbunden. Der Ausgang des NOR-Gliedes 122 ist mit dem Takteingang CL eines zweiten monostabilen Multivibrators 140 verbunden. Der invertierte oder Q-Ausgang des Multivibrators 140 ist mit dem ersten Eingang des NAND-Gliedes 40 verbunden. Die Kombination der beiden Multivibratoren 120 und 140 mit dem NOR-Glied 122 bewirkt die Erzeugung eines Doppelimpulses, d.h. zweier Zündimpulse mit einem Zeitabstand, der gleich der Dauer des vom Multivibrator 120 erzeugten Impulses ist, und diese beiden Impulse werden dem NAND-Glied 40 zugeführt. Der Doppelimpuls entsteht dadurch, daß das zuerst von der Umkehrstufe 119 erzeugte Signal direkt über das NOR-Glied 122 dem Takteingang des Multivibrators 14O zugeführt wird und dessen Zustand wechselt bzw. kippt. Das Ausgangssignal der Umkehrstufe 119 wird jedoch auch dem Multivibrator 120 zugeführt, so daß dieser ebenfalls seinen Zustand wechselt. Sobald letzteres geschieht, wird das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 122 zwangsweise auf 0 zurückgestellt. Da die für den ZuStandswechsel des Multivibrators 120 aufgrund eines Signals an seinem Takteingang erforderliche Zeit verhältnismäßig kurz ist, hat das vom NOR-Glied 122 zuerst erzeugte Signal eine ver-

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hältnismäßig kurze Dauer, d.h. es stellt praktisch einen Impuls dar. Danach hält der Multivibrator 120 das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 122 eine vorbestimmte Zeit lang auf 0, d.h. der Multivibrator 120 erzeugt eine vorbestimmte Zeit lang ein 1-Signal. Am Ende dieser vorbestimmten Zeit wechselt das Signal am Ausgang Q des Multivibrators 120 auf 0, so daß das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 122 von 0 auf 1 wechselt.

Der Multivibrator 140 wird von der Vorderflanke bzw. dem 0-1-Übergang eines Taktsignals ausgelöst. Da zwei derartige Taktsignale vom NOR-Glied 122 erzeugt werden, jedesmal wenn der Vergleicher 100 ein 1-Signal abgibt, wird der Multivibrator zweimal ausgelöst, so daß er zwei aufeinanderfolgende Ventil-Zündsignale erzeugt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Multivibrator 120, im Gegensatz zum Multivibrator 140, von der Rückflanke bzw. dem 1-0-Übergang eines Taktsignals ausgelöst wird. Multivibratoren, die sowohl von der einen als auch von der anderen Flanke eines Signals auslösbar sind, sind an sich bekannt und können beispielsweise von der Motorola Corporation unter der Artikelnummer 14528 bezogen werden. Wie man sieht, bilden die MuIt!vibratoren 120 und 140 sowie das NOR-Glied Teile des Impulsformers 52 nach Fig. 1.

Dem zweiten Eingang des NAND-Gliedes 40 wird das normale Ventil-Zündsignal zugeführt, das durch den Vergleich des Spannung-Regelabweichungssignals der Regelschaltung 38 mit dem synchronisierten Sägezahnsignal gebildet wird. Die Spannungsregelschaltung 38 enthält ein Übertragungsglied mit Verzögerung erster Ordnung bzw. integralem plus proportionalem Verhalten, das einen Verstärker 128 mit einer negativen Rückführung (Gegenkopplung) über einen ohmschen Widerstand 132 und einem zu diesem parallelgeschalteten Kondensator 134 aufweist. Um das Spannung-Regelabweichungssignal zu erzeugen, wird das Spannung-Sollwertsignal VreF zuerst mit dem den Istwert der Gleichspannung V, darstellenden Signal verglichen. Dieser Vergleich wird dadurch bewirkt, daß das Signal V„g„ über einen ohmschen Widerstand 130 einem Summierverbindungspunkt 124 am umkehrenden Eingang des Verstär-

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kers 128 zugeführt wird. Ein ohmscher Widerstand 126 verbindet den Anschluß 107 mit dem Summierverbindungspunkt 124 und überträgt auf diese Weise das Istwertsignal der Gleichspannung V^₀ zum Verbindungspunkt 124.

Der nicht umkehrende Eingang des Verstärkers 128 ist auf Erdoder Bezugspotential gelegt.

Aufgrund dieser Beschaltung bewirkt der Verstärker 128 die Erzeugung eines analogen Regelabweichungssignals, das den Zündwinkel oder Stromflußwinkel darstellt, der für die Ventile 74 und 76 erforderlich ist, um die Differenz zwischen Sollwert der Gleichspannung V, , der durch das Signal Voto? dargestellt wird, und Istwert der Gleichspannung V_dc zu minimisieren bzw. zu null zu machen.

Der Ausgang des Verstärkers 128 ist ferner mit dem nicht umkehrenden Eingang eines Vergleichers 136 verbunden, der im wesentlichen dem Vergleicher 36 nach Fig. 1 entspricht. Der umkehrende Eingang des Vergleichers 136 ist mit dem Ausgang der Sägezahngeneratorschaltung 32 verbunden. Der Vergleicher 136 liefert solange ein 1-Ausgangssignal, wie die Spannung an seinem umkehrenden Eingang größer als die Spannung an seinem nicht umkehrenden Eingang ist. Wenn die größere der beiden Spannungen jedoch am nicht umkehrenden Eingang liegt, erzeugt der Vergleicher 136 ein 0-Ausgangssignal. Wie bereits erwähnt wurde, hat das Sägezahnsignal eine lineare Rückflanke. Es sei angenommen, daß der Verstärker 128 ein normales Regelabweichungssignal liefert. Dann ist das Sägezahnsignal zu Anfang größer als das Regelabweichungssignal, so daß am Ausgang des Vergleichers 136 ein 1-Signal auftritt. Mit abnehmender Amplitude erreicht das Sägezahnsignal einen Punkt, in dem das Regelabweichungssignal größer als das Sägezahnsignal ist, so daß der Vergleicher 136 ein O-Signal abgibt.

Das Ausgangssignal des Vergleichers 136 wird über einen Widerstand 138 dem zweiten Eingang des NAND-Gliedes 40 zugeführt.

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Der Ausgang des NAND-Gliedes 40 ist mit dem Takteingang CL eines monostabilen Multivibrators'142 verbunden. Wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 136 seinen Zustand wechselt, wechselt auch das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 40, so daß dem monostabilen Multivibrator 142 ein Ausgangssignal zugeführt wird. Der Multivibrator 142 entspricht dem Impulsformer 42 nach Fig. 1. Wenn das Ausgangssignal des Multivibrators 142 seinen Zustand wechselt, wird ein Signal über eine Leitung 144 der Zündschaltung 44 zugeführt, die dann den Ventilen 74 und 76 entsprechende Auslöse- bzw. Zündsignale zuführt.

Wie bereits erwähnt wurde, unterscheidet das NAND-Glied 40 zwischen Zündsignalen, die von der Wiederzündschaltung erzeugt wurden, d.h. der Schaltung, die die Wechselspannung mit der Gleichspannung V, vergleicht, und Zündsignalen, die in Abhängigkeit vom analogen Spannung-Regelabweichungssignal erzeugt wurden. Diese Unterscheidung wird in diesem Ausführungsbeispiel dadurch bewirkt, daß man das Ausgangssignal des Multivibrators 140 von 1 auf 0 wechseln läßt, wenn ein Zündsignal erzeugt werden soll, während man das Ausgangssignal des Vergleichers 136 von 0 auf 1 wechseln läßt, wenn ein Zündsignal erzeugt werden soll. Ohne einen Wechsel des Zustande des Ausgangssignals des Vergleichers 136 hat daher das Ausgangssignal des Multivibrators 140 keinen Einfluß auf den Zustand des Ausgangssignals des NAND-Gliedes 40.

Wie man sieht, ermöglicht die beschriebene Steuereinrichtung die Zündung der Thyristoren einer Vollweg-Thyristor-Gleichrichterschaltung, die aus einer Wechselspannungsquelle gespeist wird, in den richtigen Zeitpunkten der Betriebszyklen, unabhängig vom Auftreten einer Differenz zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung der Gleichrichterschaltung. Infolgedessen ist kein kontinuierliches Zündsignal erforderlich, und gleichzeitig wird die Nennleistung einer derartigen Schaltung gesenkt.

Zusammenfassend liefert die beschriebene Vorrichtung Zündsignale für eine phasenanschnittgesteuerte Gleichrichterschaltung

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in einem Zeitpunkt, in dem Ventile in der Gleichrichterschaltung an Durchlaßspannung liegen, ohne daß kontinuierliche Zündsignale erforderlich sind. Die Vorrichtung überwacht die an die Gleichrichterventile angelegte Spannung und liefert ein Signal, wenn ein Ventil an Durchlaßspannung liegt. Dieses Signal wird einer Verknüpfungs- bzw. Torsclraltung zugeführt, die feststellt, ob ein normaler Phasenanschnitt-Zündbefehl vor dem Zeitpunkt ausgelöst wurde, in dem das Ventil an Durchlaßspannung gelegt wurde. Wenn ein derartiger Befehl ausgelöst worden ist, läßt die Verknüpfungsschaltung das Signal zu einer Ventilzündschaltung durch, die der Gleichrichterschaltung Zündsignale zuführt. Wenn der Zündbefehl nicht vorher ausgelöst wurde, wird das Signal gesperrt, so daß anschließend Zündsignale der Gleichrichterschaltung bei Empfang eines Zündbefehls zugeführt werden.

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Claims

Paienicmwälle O Ö / 1 C O η

Dr.-Inij. Wilhelm Beichel Z 8 41 b Z Q

Dipl-Ins. Woligang ¹MgM

6 Frankfurt a. M. 1
Pcakstraße 13

9181 GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, VStA

Patentansprüche

/ 1. /Leistungsregelanordnung für einen Elektromotor, der aus ^-—' einer Wechselspannungsquelle gespeist wird, mit einer phasenanschnittgesteuerten Gleichrichterschaltung, die Wechselspannungs-Eingangsanschlüsse für den Anschluß an die Wechselspannungsquelle, zwei Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse und eine Einrichtung mit mehreren steuerbaren elektrischen Ventilen zur Verbindung der Ein- und Ausgangsanschlüsse aufweist, wobei die Ventile zyklisch bei derart veränderbaren Zündwinkeln gezündet werden, daß der Mittelwert der Gleichspannung an den Ausgangsanschlüssen geregelt wird; mit einer Filterschaltung, die einen Glättungskondensator zwischen den Gleichspannungs-Ausgangsanschlüssen aufweist; mit einer Leistungsregeleinrichtung zum Verbinden der Filterschaltung mit dem Motor und zur Regelung der Motorleistung; und mit einer Steuereinrichtung, durch die der Gleichrichterschaltung Zündsignale in der Weise zuführbar sind, daß die Ventile bei veränderbaren Zündwinkeln gezündet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30 - 52) aufweist: eine erste Einrichtung (30 - 38) zur Erzeugung einer Folge erster Zündsignale (60) synchron mit der Wechselspannung (V ) an den Eingangsanschlussen (14, 16), wobei die erste Einrichtung (30 - 38) die Zündwinkel der ersten Zündsignale (60) in Ab-

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hängigkeit von der Gleichspannung am Glättungskondensator (80) so ändert, daß die Kondensatorspannung (V^ ) im wesentlichen einen vorbestimmten Betrag beibehält; eine zweite Einrichtung (50, 52), die in Abhängigkeit von der Kondensatorspannung (V_dc) und der Wechselspannung (V ) an den Eingangs anschluss en (14, 16) zweite Zündsignale (64) jedesmal dann erzeugt, wenn der Augenblickswert der Wechselspannung (V ) den Istwert der Kondensatorspannung (V, ) überschrei-

3» C CLC

tet; und eine Kopplungseinrichtung (40, 42, 44) zum Übertragen der ersten Zündsignale (60) und zusätzlich eines zweiten Zündsignals (64), das in jeder Halbwelle der Wechselspannung (V ) nach einem· ersten Zündsignal (60) erzeugt wird, zur Gleichrichterschaltung (18).
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (24) eine Drosselspule (78) aufweist, die zwischen dem einen Gleichspannungs-Ausgangsanschluß (20) und dem Glättungskondensator (80) angeordnet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30 - 52) aufweist: eine Einrichtung (38) zum Vergleichen der Kondensatorspannung (V, ) mit einer Bezugsspannung (V^gp) und. zum Erzeugen eines ersten Signals (59), das den Zündwinkel darstellt, der zur Minimisierung der Differenz zwischen den beiden Spannungen erforderlich ist; eine Einrichtung (32) zum Erzeugen eines periodischen Sägezahnsignals (58) synchron zur Wechselspannung (V ) der Wechselspannungsquelle (12); eine Einrichtung (36)

clC

zum Vergleichen des ersten Signals (59) mit dem Sägezahnsignal (58) und zum Erzeugen der ersten Zündsignale (60), jedesmal wenn der Betrag des Sägezahnsignals (58) den Betrag des ersten Signals (59) überschreitet; eine Einrichtung (50, 52) zum Vergleichen des Betrags der Kondensator spannung (V_dc) mit dem Augenblickswert der Wechselspannung (V ) und zum

Q. C

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Erzeugen der zweiten Zündsignale (64), jedesmal wenn die Wechselspannung (V ) die Kondensatorspannung (V, ) überschreitet; und eine Verbindungseinrichtung (40, 42, 44) zum Übertragen der ersten und zweiten Zündsignale (60, 64) zur Gleichrichterschaltung (18), wobei die Verbindungseinrichtung eine Einrichtung (40) aufweist, die die Übertragung des zweiten Zündsignals (64) sperrt, wenn das zweite Zündsignal (64) während irgendeiner Halbwelle der Wechselspannung (V ) vor dem ersten Zündsignal (60) auftritt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet,

. daß die Leistungsregeleinrichtung (26, 28, 29) eine Tastverhältnissteuerungs-Thyristörschaltung (82 - 90) aufweist und der Elektromotor (10) ein Gleichstrommotor ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsregeleinrichtung eine Wechselrichterschaltung aufweist und der Elektromotor ein Wechselstrommotor ist.

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