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Antriebsanordnung für ein Zugfahrzeug
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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Zugfahrzeug,
das folgende Einrichtungen aufweist: eine Energiequelle; mindestens einen in der
Drehzahl einstellbaren Wechselstrom-Zugmotor; einen den Zugmotor speisenden Wechselrichter;
einen Wechselstromgenerator mit Ständer- und Feldwicklung; eine Antriebseinrichtung
für den Läufer des Generators; eine Einrichtung zum Erregen der Feldwicklung des
Generators; eine Einrichtung zum Gleichrichten des Ausgangsstroms des Generators
in einen ungeglätteten Gleichstrom; eine den ungeglätteten Gleichstrom dem Wechselrichter
zuführende Einrichtung; eine Einrichtung zum Steuern der Schaltfrequenz des Wechselrichters
derart, daß die Grundfrequenz seines Ausgangswechselstroms einen gewünschten Wert
erhält; und eine Einrichtung zum Steuern des Erregerstroms der Feldwicklung des
Generators derart, daß die Grundamplitude des Generator-Ausgangsstroms und mithin
der Mittelwert des ungeglätteten Gleichstroms sowie die Amplitude des Wechselrichter-Ausgangsstroms
einen gewünschten Wert erhalten.
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Bei großen mit eigener Kraft elektrisch angetriebenen Zugfahrzeugen,
wie Lokomotiven oder Schwerlastkraftwagen, werden die Räder des Fahrzeugs von Elektromotoren
angetrieben (oder abgebremst), die aus einer elektrischen Energiequelle gespeist
werden. Diese enthält einen elektrodynamischen Generator, der von einem auf dem
Fahrzeug angeordneten Hauptantrieb, z.B. einer Dieselmaschine, angetrieben wird.
Ein Beispiel hierfür ist in der US-PS 3 878 400 beschrieben.
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Bislang hat man als Zugmotoren üblicherweise Gleichstrommotoren verwendet.
Der erforderliche Erregergleichstrom für diese Motoren wurde von einem Gleichstromgenerator
oder durch Gleichrichtung der Ausgangsspannung eines Wechselstromgenerators geliefert.
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Da Wechselstrommotoren im allgemeinen einfacher und kompakter als
Gleichstrommotoren sind, keinen Verschleiß behafteten Kommutator aufweisen, bei
höheren Drehzahlen ein höheres Drehmoment aufweisen, ein verhältnismäßig geringes
Gewicht haben, in der Anschaffung billiger und leichter zu warten sind, sind in
ihrer Drehzahl einstellbare Wechselstrom-Zugmotoren gegenüber Gleichstrommotoren
in Antriebsanordnungen für elektrisch angetriebene Zugfahrzeuge günstiger. Bei einer
Wechselstrom-Antriebsanordnung hängt die Zugmotor-Drehzahl (und mithin die Fahrzeuggeschwindigkeit)
in erheblichem Maße von der Grundfrequenz des den Ständerwicklungen des Motors zugeführten
Erregerstroms ab, und zur Steuerung der Frequenz hat man bereits die Motoren über
in der Frequenz steuerbare elektrische Leistungswechselrichter oder Frequenzwandler
mit steuerbaren elektrischen Ventilen oder Halbleiter-Schaltelementen (z.B. Thyristoren)
mitßder Fähigkeit, den Stromdurchgang solange zu sperren, bis ein entsprechendes
Zünd- oder Einschaltsignal zugeführt wird, gespeist. Das Zündsignal steuert ein
steuerbares Ventil vom Sperrzustand in den leitenden Zustand, in dem es solange
den Verbraucherstrom praktisch ungehindert durchläßt, bis der Strom auf ein Nachbarventil
übertragen oder kommutiert wird. Im Falle eines Wechselrichters liegen die Ventile
in alternativ den Verbraucherstrom führenden Zweigen zwischen Wechselstrom-Anschlüssen
(die an die Ständerwicklungen des Wechselstrommotors angeschlossen sind) und zwei
Gleichstrom-Anschlüssen (die an eine Gleichstromquelle angeschlossen werden können),
und sie werden zyklisch in einer vorbestimmten Reihenfolge so gezündet, daß sie
eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom in eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom
mit einer Grundfrequenz umformen, die durch die Schaltfrequenz der Ventile bestimmt
wird. Es können entweder Spannungs- oder Stromquellen-Wechselrichter verwendet werden.
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Bei einem Spannungsquellen-Wechselrichter werden die Amplitude und
Frequenz der Grundschwingung der Wechselspannung,
die den Ständeranschlüssen
der Wechselstrommotoren zugeführt werden, gesteuert, während sich die Ständerstromstärke
stark ändern kann. Bei einem Stromquellen-Wechselrich-ter (nachstehend stromgesteuerter
Wechselrichter genannt) sind die gesteuerten.
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Größen die Amplitude und die Frequenz des die Ständerwicklungen erregenden
Wechselstroms, wogegen sich die Spannung während der Kommutierung stark ändern kann.
Zur Ausführung der.Erfindung ist ein stromgesteuerter Wechselrichter erforderlich.
Die in der US-PS 3 980 941 beschriebene Schaltung ist besonders geeignet.
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Um einen zuverlässigen Betrieb eines stromgesteuerten Wechselrichters
sicherzustellen, müssen seine Gleichstrom-Anschlüsse an eine Gleichstromquelle angeschlossen
sein, die einen weitgehend geglätteten Gleichstrom abgibt, dessen Stärke die Amplitude
des dem Wechselstrom-Zugmotor zugeführten Wechselstroms bestimmt, und diese Stromquelle
muß so gesteuert oder geregelt werden, daß die gewünschte Gleichstromstärke eingestellt
und eingehalten wird. Bei einem Kraftfahrzeug mit eigener Energieversorgung, das
einen eigenen Hauptantrieb aufweist, weist die Gleichstromquelle einen rotierenden
Gleichstromgenerator auf, dessen Ankerwicklung mit den Gleichstrom-Anschlüssen jedes
stromgesteuerten Wechselrichters über eine Gleichstrom-Verbindungseinrichtung, die
ein Stromglättungsfilter enthält, verbunden ist, und die Stromstärke wird durch
entsprechende Steuerung der elektromagnetischen Erregung des Generators so geregelt,
daß die Größe der vom Generator der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung aufgedrückten
Spannung eingestellt wird. Das Stromglättungsfilter besteht gewöhnlich aus einer
Längs-Induktivität (auch Reaktanz oder Drosselspule genannt), die kurzzeitige Spannungsschwankungen
dämpft und die Änderungsgeschwindigkeit des Gleichstroms begrenzt, die der Generator
jeder getrennten Wechselrichter-Motor-Anordnung zuführt. Insbesondere verhindert
die Induktivität des in der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung liegenden Filters
zusammen mit irgendeiner Quellen- bzw. Eigeninduktivität und der Motorinduktivität
das Auftreten zu starker Stromspitzen, die eine Uöerlastung der Wechselrichter-Ventile
bewirken
können, und sie verringert die Welligkeit des Motorstroms im stationären Zustand,
so daß daraus resultierende Oberwellen des Zugmotor-Drehmoments weitgehend vermieden
werden.
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In der Regel ist das Filter so bemessen, daß die Stromwelligkeit auf
etwa 10 % des Mittelwerts des Stroms in der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung der
stromgespeisten Induktionsmotor-Antriebsanordnung begrenzt wird.
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Bislang ist nicht erkannt worden, daß in einem Zugfahrzeug mit aus
eigener Stromquelle gespeistem Wechselstrom-Motorantri eb das Stromglättungsfilter
völlig aus der Gleichstrom-Verbindung weggelassen werden kann, wenn der Gleichstromgenerator
durch einen Wechselstrom-Generator mit nachgeschaltetem Gleichrichter ersetzt wird.
Um diese Erkenntnis näher zu erläutern, sollen nachstehend die Eigenschaften eines
Wechselstrom-Generators näher erläutert werden, die ihn besonders geeignet erscheinen
lassen, um ihn zusammen mit einem stromgesteuerten Wechselrichter zu verwenden.
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Ein Wechselstromgenerator in Form eines Synchron-Generators ist eine
Maschine mit einer Ankerwicklung, in der ein Wechselstrom fließt, und mit einer
Feldwicklung, die mit Gleichstrom erregt wird. Die Ankerwicklung befindet sich gewöhnlich
auf dem Ständer, und bei einer Dreiphasen-Maschine sind die Wicklungen der einzelnen
Phasen zueinander um 120° elektrisch über den Umfang des Ständer-Läufer-Luftspalts
verteilt angeordnet. Die Feldwicklung ist auf dem Läufer angeordnet, der entweder
ausgeprägte Pole aufweisen oder zylindrisch ausgebildet sein kann, während die Feldpole
durch Gleichstrom erregt werden, der über Schleifringe oder durch einen bürstenlosen
Erreger zugeführt wird. Das von der Gleichstrom-Läuferwicklung erzeugte Feld läuft
mit dem Läufer um. Wenn der Läufer von einem Hauptantrieb angetrieben wird, mit
dem er mechanisch verbunden sein kann, dann induziert das von der Läuferwicklung
erzeugte Magnetfeld in den Ständerwicklungen eine Wechselspannung mit einer Frequenz,
die der Anzahl der Pole und der Winkelgeschwindigkeit bzw.
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Drehzahl des Läufers proportional ist. Gewöhnlich sind die Ständerwicklungen
derart verteilt angeordnet, daß die Wechselspannung einen im wesentlichen sinusförmigen
Verlauf aufweist, doch können sie auch so angeordnet sein, daß die Wechselspannung
einen anderen Verlauf hat.
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Synchrongeneratoren, die speziell für Zugfahrzeuge ausgelegt sind
(nachstehend Zug-Wechselgeneratoren genannt) haben gewöhnlich eine hohe Reaktanz.
Mit hoher Reaktanz ist gemeint, daß die Ankerrückwirkung (in Amperewindungen pro
Pol) der Maschine bei voller Belastung einen hohen Prozentsatz (z.B.
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200 %) der Leerlauf-Feldampèrewindungszahl bei Nennspannung und Nennfrequenz
beträgt. Die Ankerrückwirkung bezieht sich auf den Einfluß der magnetomotorischen
Kraft (MMK), die durch einen Strom in den Ankerwicklungen hervorgerufen wird. Diese
Anker-MMK ändert den von dem Strom in den Feldwicklungen erzeugten elektromagnetischen
Fluß und die Stärke des resultierenden Feldes im Luftspalt der Maschine zwischen
Ständer und Läufer. Wenn ein an die Ankeranschlüsse eines Zug-Wechselstromgenerators
angeschlossener Verbraucher kurzgeschlossen und die Felderregung konstant gehalten
wird, wirkt die Anker-DEMK der Feld-MMK praktisch direkt entgegen, so daß die resultierende
Feldstärke im Luftspalt geschwächt und der Ankerstromanstieg begrenzt wird. Praktisch
wird die Änderungsgeschwindigkeit des Stroms von einer Ubergangsreaktanz begrenzt,
die der Ersatzreaktanz eines kurzgeschlossenen Transformators entspricht.
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Der Endwert des Kurz schluß stroms ist der Synchronimpedanz der Maschine
proportional.
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Ein typischer Zug-Wechselstromgenerator hat bei normaler Erregung
und Drehzahl eine so hohe Reaktanz, daß er einen Kurzschluß strom im stationären
Zustand auf einen unterhalb des Nennbelastungsstroms liegenden Wert begrenzt. Diese
Reaktanz wird auch als ungesättigte Synchronreaktanz x, des Wechselstromgenerators
im stationären Zustand bezeichnet. In der Praxis liegt ihr Wert pro Einheit (die
Bedeutung von "Wert pro Einheit wird nachstehend anhand der Fig. 2 und 3 näher
erläutert)
im Bereich von 1,0 bis 3,0, so daß ein typischer Zug-Wechselstromgenerator bestrebt
ist, seinen Nennstrom bei sich ändernder Belastungsimpedanz beizubehalten.
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Zur Ausführung der Erfindung ist beispielsweise der Zug-Wechselstromgenerator
GTA22 geeignet, der von der General Electric Company, Transportation Systems Business
Division in Erie, Pennsylvania, U.S.A. hergestellt wird. Die Nennleistung dieses
Generators bei Nenndrehzahl der Verbrennungskraftmaschine liegt bei etwa 894 Kilowatt
(1200 HP). Zu der verhältnismäßig hohen Synchronreaktanz des Wechselstromgenerators
GTA22 trägt bei, daB er keine Dämpfungswicklungen aufweist. Dämpfungswicklungen
sind kurzgeschlossene Dämpfungsstäbe oder Kurzschlußwicklungen, die häufig in den
Läuferpolflächen von Synchrongeneratoren eingesetzt werden, um Drehmomente zu erzeugen,
die dazu beitragen, mechanische Schwingungen des Läufers um seine Gleichgewichtslage
herum zu dämpfen. Diese Windungen verbessern auch die-Einschwingspannungsregelung
des Generators. Mit Spannungsregelung ist die Konstanthaltung der Spannung an den
Anschlüssen der Ständerwicklungen bei konstanter Erregung und Frequenz und sich
ändernder elektrischer Belastung durch einen an die Anschlüsse angeschlossenen Verbraucher.
Wenn der Synchrongenerator Dämpfungswicklungen aufweist, wirken diese Anderungen
des magnetischen Flusses im Luftspalt entgegen, so daß die Geschwindigkeit, mit
der sich die Klemmenspannung in Abhängigkeit von raschen Belastungsänderungen ändert,
verringert wird. In einigen Anwendungsfällen (z.B. elektrischen Netzen, die von
parallel geschalteten Generatoren gespeist werden) ist die durch die Dämpfungswicklungen
bewirkte Dämpfung und Spannungsstabilisierung erwünscht, doch sind diese Eigenschaften
bei Zugantrieben nicht erforderlich, so daß Zug-Wechselstromgeneratoren im ailgemeinen
keine Dämpfungswicklungen benötigen. Wegen seiner hohen Synchronreaktanz und der
fehlenden Dämpfungswicklungen ist ein Zug-Wechselstromgenerator besonders in Kombination
mit stromgesteuerten Wechselrichtern geeignet, die drehzahlsteuerbare Wechselstrom-Zugnotoren
speisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Antriebsanordnung
anzugeben, die leichter, kompakter und weniger aufwendig ist.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Eigeninduktivität
oder eine gegebenenfalls eingefügte Induktivität der Gleichstromzuführeinrichtung
einen so niedrigen Wert aufweist, daß er nicht ausreicht, den ungeglätteten Gleichstrom
wesentlich zu glätten.
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Bei dieser Ausbildung entfällt ein Glättungsfilter, insbesondere eine
Glättungs-Drosselspule, so daß die Antriebsanordnung entsprechend einfacher, leichter
und kompakter im Aufbau wird.
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Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand schematischer
Zeichnungen bevorzugter Ausführungsb ei spiele näher beschrieben. Es zeigen: Fig.
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung, Fig. 2A, 2B und
2C den Verlauf von Ein- und Ausgangssignalen der Befehlslogik in Fig. 1, insbesondere
die Beziehungen zwischen den Ausgangssignalen und der Fahrzeuggeschwindigkeit, die
gewöhnlich in der Befehlslogik für zwei verschiedene Einstellungen der Drosselklappe
programmiertsind, Fig. 3 die Abhängigkeit der Zugkraft von der Geschwindigkeit des
Fahrzeugs nach Fig. 1 im Antriebs-Betrieb bei einer Drosselklappeneinstellung von
1,0 pro Einheit und ferner ein Beispiel für die Abhängigkeit der Zugkraft von der
Geschwindigkeit im Bremsbetrieb,
Fig. 4 ein schematisches Schaltbild
einer Abwandlung der Stromversorgungsschaltung nach Fig. 1, bei der die Zugmotoren
parallel und nicht in Reihe mit Strom versorgt werden, und Fig. 5 ein Blockschaltbild
einer Abwandlung der Motoren nach Fig. 1 und ihrer zugehörigen Wechselrichter-und
Steuerungen, wobei dieser Motor zwei sterngeschaltete 3-Phasen- Ständerwicklungsgruppen
aufweist.
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In Fig. 1 stellt der Block 9 eine Lokomotive oder einen Schwerlastkraftwagen
mit mehreren Rädern dar, von denen nur zwei Räder 10 und 20 dargestellt sind. Um
die dargestellten Räder und damit das Fahrzeug 9 anzutreiben oder abzubremsen, sind
auf dem Fahrzeug elektrische Zugmotoren 11 und 21 angeordnet und mit ihren Wellen
jeweils mechanisch mit den Rädern 10 und 20 verbunden. Bei den Motoren 11 und 21
handelt es sich um in der Drehzahl einstellbare Mehrphasen-Wechselstrommotoren,
vorzugsweise Induktionsmotoren, doch können auch Synchronmotoren, Synchronreluktanzmotoren
oder andere Wechselstrommotoren, sei es in Form von runden oder linearen Motoren,
verwendet werden.
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Die Motoren 11 und 21 haben jeweils sterngeschaltete 3-Phasen-Ständerwicklungen,
die zur Stromversorgung an einer Gruppe von Wechselstrom-Anschlüssen jeweils eines
von zwei elektrischen Leistungs-Wechselrichtern 12 und 22 mit ruhenden Ventilen
über drei Wechselstromleitungen A, B und C angeschlossen sind. Die Anzahl der Phasen
ist nicht kritisch, vielmehr können Motoren mit ein, zwei, sechs oder mehr Phasen
alternativ verwendet werden.
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Bei den Wechselrichtern 12 und 22 handelt es sich um stromgesteuerte
Wechselrichter, die so ausgebildet und geschaltet sind, daß sie die Ständerwicklungen
des angeschlossenen Zugmotors mit Wechselstrom veränderbarer Frequenz und Amplitude
versorgen. Die in der US-PS 3 980 941 dargestellte und beschriebene Stromversorgungsschaltung
ist für diesen Zweck besonders geeignet. Der Speisestrom wird von einer steuerbaren
Gleichstromversorgungseinrichtung
geliefert, an die die Gleichstrom-Anschlüsse
jedes Wechselrichters angeschlossen sind. Die steuerbare Gleichstromversorgungseinrichtung
enthält einen von einem Hauptantrieb angetriebenen Zug-Wechselstromgenerator mit
Ankerwicklungen, die an die Gleichstrom-Anschlüsse der jeweiligen Wechselrichter
über eine Gleichrichterbrücke und eine Gleichstrom-Verbindungseinrichtung ohne Stromglättungs-Drosselspule
angeschlossen sind. In Fig. 1 ist der Hauptantrieb mit 30, der Wechselstromgenerator
mit 34, die Gleichrichterbrücke mit 40 und die Gleichstrom-Verbindungseinrichtung
mit 50 bezeichnet.
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Der Hauptantrieb 30 ist eine Verbrennungskraftmaschine, z.B.
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ein Dieselmotor oder eine Gasturbine. Ihre Drehzahl wird von einem
Regler 32 geregelt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Drehzahl des Hauptantriebs
veränderbar, sie kann jedoch auch konstant gehalten werden.
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Der Zug-Wechselstromgenerator 34 hat einen Läufer, der mechanisch
mit der Abtriebswelle des Hauptantriebs 30 verbunden ist, eine auf dem Läufer angeordnete
Feldwicklung 36, die mit einer Erregerstromquelle 38 verbunden ist, und mehrere
Ankerwicklungen auf dem Ständer des Wechselstromgenerators, so daß darin eine dreiphasige
Wechselspannung mit einer Grundfrequenz, die von der Drehzahl abhängt, mit der das
Feld rotiert, und mit einer Grundamplitude, die sowohl von der Drehzahl als auch
von der Erregung der Feldwicklung 36 abhängt, induziert wird. Der Zug-Wechselstromgenerator
34 hat eine hohe Synchronreaktanz (z.B. etwa 2,0 pro Einheit) und keine Dämpfungswicklungen.
Vorzugsweise handelt es sich um den eingangs erwähnten Zug-Wechselstromgenerator
GTA22 der General Electric oder eine Abwandlung davon. Dieser Generator hat eine
hohe Einschwing-Reaktanz, was für diesen Anwendungszweck besonders günstig ist.
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Die Gleichrichterbrücke 40 weist sechs ungesteuerte elektrische Ventile
oder Dioden, die zu einer Vollweg-Gleichrichteranordnung verbunden sind, und drei
Wechselstrom-Anschlüsse 41, 42 und 43 sowie zwei Gleichstrom-Anschlüsse 45 und 46
auf. Die
Wechselstrom-Anschlüsse der Brücke sind jeweils mit den
Ankerwicklungs-Anschlüssen des Zug-Wechselstromgenerators 34 verbunden, während
die Gleichstrom-Anschlüsse mit der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung 50 verbunden
sind, so daß der vom Generator 34 gelieferte Wechselstrom von der Brücke 30 in einen
"unidirektionalen", d.h. pulsierenden oder ungeglätteten Gleichstrom in der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung
50 (bzw.
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GI eichstromzufuhreinri chtung ) umgeformt ist. Der pulsierende Gleichstrom
wird über die Verbindungseinrichtung 50 geleitet, ohne merklich geglättet oder gefiltert
zu werden, und den Gleichstrom-Anschlüssen der Wechselrichter 12 und 22 zugeführt.
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Erfindungsgemäß ist die üblicherweise verwendete Stromglättungs-Drossel
aus der Gleichstrom-Terbindungseinrichtung 50 weggelassen. Wenn sie dennoch vorgesehen
ist, kann sie sehr klein bemessen sein, weil der Zug-Wechselstromgenerator 34 bewirkt,
daß den Wechselrichtern 12 und 22 ein im wesentlichen stabilisierter Strom, wie
zuvor erläutert wurde, zugeführt wird.
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Die Gleichstrom-Verbindungseinrichtung 50 enthält eine Leitung 51,
die zwischen dem Anoden-Anschluß 45 der Brücke 40 und einem ersten Gleichstrom-Anschluß
23a des steuerbaren Wechselrichters 22 liegt, eine Leitung 52, die zwischen dem
anderen Gleichstrom-Anschluß 23b des Wechselrichters 22 und einem ersten Gleichstrom-Anschluß
13a des Wechselrichters 12 liegt, und eine Leitung 53, die zwischen dem zweiten
Gleichstrom-Anschluß 13b des Wechselrichters 12 und dem Kathoden-Anschluß 46 der
Brücke 40 liegt. Zwischen den Leitungen 51 und 53 liegt kein Spannung-Glättungskondensator
und in Reihe mit ihnen keine Glättungs-Drosselspule. Ein dynamischer Bremswiderstand
54, der von einem Schalter 55 überbrückt wird, liegt in Reihe mit einer dieser Leitungen,
vorzugsweise zwischen dem Anoden-Anschluß 45 der Gleichrichterbrücke und einem nahegelegenen
Anschluß 47 der Leitung 51.
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Der Schalter 55 steht mit einem Bremsregler 56 in Verbindung, der
ihn öffnet oder schließt. Im Antriebs-Betrieb (M) ist der
Schalter
55 geschlossen, so daß er einen vernachlässigbar kleinen Widerstand parallel zu
dem ohmschen Widerstand 54 für einen währenddessen in der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung
50 fließenden Strom darstellt, während er im Bremsbetrieb (B) geöffnet ist und den
Widerstand 54 mit der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung in Reihe schaltet. Während
einer elektrischen Bremsung (Verzögerung) werden die Zug-Motoren 11 und 21 durch
die Massenträgheit des Fahrzeugs angetrieben, so daß sie als Generatoren wirken
und den Wechselrichtern 12 und 22 jeweils elektrische Energie zufuhren, wobei sich
die Polarität der Spannung an den Wechselrichter-Gleichstromanschlüssen umkehrt,
so daß das mittlere Potential des Anschlusses 23a (und mithin des Anschlusses 47
der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung) gegenüber dem des Anschlusses 13b negativ
und nicht positiv ist. In dieser Betriebsart fällt die Potentialdifferenz zwischen
dem relativ negativen Anschluß 47 und dem positiveren Anoden-Anschluß 45 der Gleichstrom-Versorgungseinrichtung
am Bremswiderstand 54 ab, so daß der Widerstand 54 elektrische Energie in Wärme
umsetzt. Die Fahrzeugregeleinrichtungen enthalten geeignete Mittel, die bewirken,
daß die Erregung des Wechselstromgenerators 34 im Bremsbetrieb bis auf null herabgesetzt
wird, so daß keine der den Brückengleichrichter 40 bildenden Dioden gesperrt wird
und die Brücke ungehindert Jeden Strom durchläßt, der während einer dynamischen
Bremsung in der Gleichstrom-Verbindungseinri chtung 50 fließt.
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Die beschriebene Kombination bildet eine stromgespeiste Wechselstrommotor-Antriebsanordnung,
bei der jeder der steuerbaren Strom-Wechselrichter 12 und 22 im Motorbetrieb der
Wechselstrommotoren bewirkt, daß der durch die Gleichstrom-Verbindungseinrichtung
fließende Strom nacheinander auf die jeweiligen Phasen der Ständerwicklungen des
angeschlossenen Motors umgeschaltet wird, so daß der angeschlossene Zug-Motor mit
einem Wechselstrom gespeist wird, dessen Grundschwingungsfrequenz durch die Schaltfrequenz
der elektrischen Ventile im Wechselrichter und dessen Amplitude durch den Mittelwert
des ungeglätteten Gleichstroms
in der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung
50 bestimmt wird.
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Der Strom in der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung wird seinerseits
durch die Amplitude des Ausgangswechselstroms der Ankerwicklungen des Zug-Wechselstromgenerators
34 bestimmt.
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Da der Wechselstromgenerator eine hohe Reaktanz und keine Dämpfungswicklungen
aufweist, bleibt die Amplitude seines Ausgangsstroms im wesentlichen konstant (bei
konstanter Drehzahl und Erregung des Wechselstromgenerators), obwohl die Impedanz
seiner elektrischen Belastung sich während der Kommutierungsintervalle der Wechselrichter
12 und 22 stark ändert.
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Mit anderen Worten, die von den nachgeschalteten Wechselrichtern und
Motoren gebildete Belastungsimpedanz ist im Vergleich zum Innenwiderstand des Zug-Wechselstrom-Generators
vernachlässigbar klein, und die einzige Variable, die die Stromamplitude merklich
beeinflußt, ist die Amplitude der in den Ankerwicklungen des Wechselstromgenerators
induzierten Wechselspannung. Infolgedessen braucht der gleichgerichtete Ausgangsstrom
des Wechselstromgenerators 34 in der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung 50 nicht
gefiltert oder geglättet zu werden.
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Durch entsprechende Steuerung der Frequenz, Amplitude und Phasenfolge
des Zugmotor-Erregerstroms kann das Fahrzeug 9 vorwärts-oder rückwärts angetrieben
oder abgebremst werden.
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Zu diesem Zweck ist eine geeignete Einrichtung zur Steuerung und Regelung
der Drehzahl und Erregung des Wechselstromgenerators 34 und der Schaltfrequenz der
Wechselrichter 12 und 22 in programmierter Abhängigkeit von einer von der Bedienungsperson
gesteuerten Drosselklappe 59 (oder - während einer dynamischen Bremsung - einem
von Hand betätigten Potentiometer 57, das an den Bremsregler 56 angeschlossen ist)
und von bestimmten zurückgeführten Istwert-Signalen vorgesehen. Die Drosselklappe
58 wird in Abhängigkeit von dem bzw. der während des Antriebs-Betriebs gewünschten
Drehmoment oder Leistung des Motors eingestellt, während die zurückgeführten Istwert-Signale
die Istwerte von Motor-Größen darstellen. Bevor die dargestellte Steuereinrichtung
ausführlicher beschrieben wird, sei
betont, daß die dargestellte
Fahrzeug-Antriebsanordnung auch durch andere Einrichtungen als die in Fig. 1 als
Beispiel dargestellten gesteuert oder geregelt werden kann.
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Die Drosselklappe 58 führt sowohl dem Regler 32 als auch einer Sollwert-Logikeinheit
60 Steuersignale zu. Der Regler 32 bewirkt in Abhängigkeit von Änderungen der Drosselklappeneinstellung
eine derartige Einstellung der Brennstoffeinspritzung in den Hauptantrieb 30, daß
die Drehzahl des Wechselstromgenerator-Läufers mit zunehmendem Sollwert der Leistung
des Fahrzeugs 9 steigt. Eine Anderung der Läuferdrehzahl bewirkt eine entsprechende
Änderung der Grundschwingungsamplitude sowohl der in den Ankerwicklungen erzeugten
Spannung als auch des Ausgangsstroms des Wechselstromgenerators 34 (unter der Voraussetzung,
daß der Felderregerstrom konstant bleibt und die Belastungsimpedanz konstant oder
vernachlässigbar ist), und auf diese Weise läßt sich die Stärke des den Zugmotoren
11 und 21 zugeführten Stroms ändern. Eine feinere oder genauere Regelung des Motorstroms
ergibt sich durch entsprechende Steuerung der Wechselstromgenerator-Erregung, wie
nachstehend ausführlicher dargelegt wird. (Die Einheit 60 wird auch "Befehlslogik"
genannt.) Die Sollwert-Logikeinheit 60 spricht auf Steuersignale der Drosselklappe
58 und auf Motordrehzahl-Istwertsignale Or1 und Wr2 an, die sie über Leitungen 61
und 62 von einer geeigneten Einrichtung, z.B. Tachometergeneratoren 14 und 24, zum
Messen des Istwertes der Winkelgeschwindigkeit der Läufer der Motoren 11 und 21
erhält. Die Einheit 60 erhält auch ein Steuersignal über eine Leitung 63 vom Bremsregler
56. Sie leitet daraus zwei variable Ausgangssignale ab: auf einer Leitung 64 ein
erstes Signal T*, das den Sollwert des Motordrehmoments darstellt, und auf einer
Leitung 95 ein zweites Signal C*' das den Sollwert der Motorerregung darstellt.
Wie nachstehend erläutert wird, bestimmt das erste Ausgangs signal die Grundschwingungsfrequenz
des Zugmotor-Erregerstroms, während das zweite Ausgangs signal die Grundschwingungsamplitude
dieses Stroms darstellt.
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Die Einheit 60 ist so ausgebildet, daß sie den Wert von mit dem Wert
von T* koordiniert, und sie wird so vorprogrammiert, daß sie - unter Berücksichtigung
von Nenn-Grenzwerten - die Werte dieser beiden Ausgangssignale während des Antriebs-Betriebs
in Abhängigkeit von der bezogenen Einstellung der Drosselklappe 58 gemäß den Diagrammen
der Fig. 2 ändert, in denen auf der Abszisse bezogene (normierte) Werte der Fahrzeuggeschwindigkeit
aufgetragen sind, wobei eine gute Haftung der Räder unterstellt wird. Diese als
Beispiel dargestellten Diagramme zeigen, daß das erste Ausgangssignal T* sich direkt
proportional mit der Drosselklappeneinstellung ändert, während das zweite Ausgangssignal
XC* der Quadratwurzel aus der Drosseleinstellung entspricht. Außerdem ändern sich
beide Ausgangssignale umgekehrt proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit, sobald
diese einen bezogenen Eckwert von 1,0 überschreitet.
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Dies bedeutet eine Konstantregelung des Drehmoments unterhalb des
Eckwertes der Geschwindigkeit und eine Konstantregelung der Leistung oberhalb dieser
Eckgeschwindigkeit, jeweils analog einem Betrieb mit konstantem Feld und Feldschwächung
bei einem herkömmlichen Antrieb mit Gleichstrom-Zugmotor.
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Wenn es sich bei dem Fahrzeug 9 um eine dieselelektrische Lokomotive
handelt, können die Werte der Ausgangssignale der Sollwert-Logikeinheit 60 gewünschtenfalls
von zwei anderen Eingangssignalen beeinflußt werden. Eines der möglichen zusätzlichen
Eingangssignale wird über eine Leitung 66 von einem Belastungseinstellpotentiometer
oder dergleichen im Regler 32 zugeführt.
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Wenn der Regler 32 im Bestreben, einen eingestellten Sollwert der
Drehzahl des Hauptantriebs 30 konstant zu halten, die Brennstoffzufuhr bis zu einem
vorbestimmten Grenzwert anzusteigen gestattet, der für jede Drosseleinstellung vorherbestimmt
ist, wird auf der Leitung 66 ein Signal erzeugen, das das normale Programm der Sollwert-Logikeinheit
60 so übersteuert, daß das erste Ausgangssignal T* verringert wird. Dies führt zu
einer elektrischen Entlastung des Hauptantriebs zur Anpassung an den zulässigen
Brennstoff-Nennwert, so daß eine Überlastung oder
Blockierung der
Maschine verhindert wird. Das zweite zusätzliche Eingangssignal kann ein einem Anschluß
67 zugeführtes Turbinendrehzahlsignal sein, das die Läuferdrehzahl eines (nicht
dargestellten) Turboladers darstellt, der normalerweise mit dem Hauptantrieb 30
verbunden ist, um die Luft in seiner Ansaugleitung zu verdichten. Bei jeder Drosselklappeneinstellung
übersteuert das Turbinendrehzahlsignal, wenn der Istwert der Turbinendrehzahl niedriger
als erwartet ist, vorübergehenl das normale Programm in der Sollwert-Logikeinheit
60 so, daß das Ausgangs signal T* der Turbinendrehzahl während der Beschleunigung
auf stationäre Drehzahl folgt. Infolgedessen wird die geforderte Leistung an die
Luftzufuhr zur Verbrennungskammer des Hauptantriebs während der Beschleunigung angepaßt,
so daß eine mangelhafte Verbrennung bzw. Rauch in den Abgasen vermieden wird (vgl.
die erwähnte US-PS 3 878 400).
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Das erste Ausgangssignal T* auf der Ausgangsleitung 64 der Sollwert-Logikeinheit
60 wird einer Summiereinrichtung 70 zugeführt, die über eine Leitung 71 auch ein
Spannungsabweichungs-Signal erhält und die ein Drehmomentkompensations-Sollwertsignal
erzeugt, das die Differenz zwischen dem Signal T* und dem Spannungabweichungssignal
(so vorhanden) darstellt. Das Drehmomentkompensations-Sollwertsignal aus der Summiereinrichtung
70 wird über eine Leitung 72 zwei Wechselrichter-Steuereinrichtungen 15 und 25 zugeführt,
die jeweils mit den beiden steuerbaren Strom-Wechselrichtern 12 und 22 verbunden
sind.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jede Wechselrichter-Steuereinrichtung
15 und 25 so ausgebildet, wie es in der US-PS 4 088 934 beschrieben ist. Jede Einrichtung
15 und 25 führt einer Ausgangsleitung 73 ein Schlupffrequenzsignal zu, das die Schaltfrequenz
des gesteuerten Wechselrichters (und damit die Grundschwingungsfrequenz des Motor-Erregerstroms)
in der Weise steuert, daß das Drehmoment der Motoren geregelt und die Wechselstrommotor-Antriebsanordnung
stabilisiert wird. Daher wird der ersten Wechselrichter-Steuereinrichtung
15
ein Drehmoment-Istwertsignal T1, ,das den Betrag und das Vorzeichen des Läufer-Drehmoments
des ersten Motors 11 darstellt, und ein Drehmomentwinkel-Istwertsignal sin9T1, das
den Istwert des Phasenwinkels zwischen Strom und Fluß dargestellt, die im Motor
zur Bildung des Drehmoments zusammenwirken, zugeführt. Diese Istwertsignale werden
von Meßwert-Verarbeitungsschaltungen im Block 74 geliefert.
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Den Verarbeitungsschaltungen 74 wird ein erstes Signal ii, das den
Erregerstrom der Ständerwicklungen des Motors 11 dargestellt, der mittels dreier
Stromwandler 16 gemessen wird, die mit den Wechselstromleitungen zwischen diesem
Motor und dem Wechselrichter 12 gekoppelt sind, und ein zweites Signal +1 zugeführt,
das den von einem in diesem Motor angeordneten Flußfühler 17 gemessenen Istwert
des elektromagnetischen Flusses im Luftspalt des Motors 11 darstellt. Ferner erhalten
die Verarbeitungsschaltungen 74 ein Signal i2> das den Erregerstrom im Ständer
des Motors 21 dargestellt, der mittels Stromwandlern 26 gemessen wird, die an den
Leitungen zwischen diesem Motor und dem Wechselrichter 22 angekoppelt sind, und
ein Signal t2 das den von einem Flußfühler 27 im Motor 21 gemessenen Istwert des
Flusses im Luftspalt dargestellt, und aus diesen Signalen bilden sie für die Wechselrichter-Steuereinrichtung
25 ein Drehmoment-Istwertsignal T2> das den Betrag und die Richtung des Drehmoments
des Läufers des zweiten Motors 21 dargestellt, wenn er erregt ist, und ein Drehmomentwinkel-Istwertsignal
5i"8T2, das den Phasenwinkel zwischen Strom und Fluß dargestellt, die in diesem
Motor zur Bildung des Drehmoments zusammenwirken. Vorzugsweise sind die Flußfühler
17 und 27 so ausgebildet, wie es in der US-PS 4 011 489 angegeben ist, während die
Drehmomentprozessoren im Block 74 entsprechend der US-PS 4 023 083 und die Drehmomentwinkel-Prozessoren
im Block 74 entsprechen der US-PS 4 088 934 ausgebildet sind.
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Bei dieser Ausbildung geben die Wechselrichter-Steuereinrichtungen
15 und 25 über ihre Ausgangsleitung ein Schlupffrequenzsignal
mit
im stationären Zustand im wesentlichen konstantem Wert ab, der sich vorübergehend
in Abhängigkeit von einer Regelabweichung zwischen dem Istwert des Drehmomentwinkels
des zugehörigen Motors, den das Drehmomentwinkel-Istwertsignal darstellt, und einem
Drehmomentwinkel-Sollwert ändert, der sich seinerseits in korrigierendem Sinne in
Abhängigkeit von einer Regelabweichung zwischen dem zugehörigen Drehmoment-Istwertsignal
(T1 oder T2) ) und dem kompensierten Drehmoment-Sollwert signal auf der Leitung
72 ändert.
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Das Schlupffrequenzsignal auf der Ausgangsleitung 73 der ersten Wechselrichter-Steuereinrichtung
15 wird in einer Summierstelle 75 dem ersten Motordrehzahl-Istwertsignal Or1 überlagert,
um auf einer Leitung 76 ein Erregungsfrequenzsteuersignal qel* zu bilden, das die
algebraische Summe des Sollwerts der Schlupffrequenz und der elektrischen äquivalenten
Frequenz zur Istdrehzahl der Welle des Motors 11 darstellt. Das zuletzt ge nannte
Signal wird einem Block 18 zugeführt, der an sich bekannte Zündschaltkreise und
einen Zündimpulsgenerator für die jeweiligen Ventile des Wechselrichters 12 darstellt,
und sein Betrag bestimmt die Grundschwingmngsfrequenz des Wechselrichters und damit
des mehrphasigen Erregerstroms, der dem ersten Motor 11 von diesem Wechselrichter
zugeführt wird. Die Phasenfolge und damit die Drehrichtung des Motors 11 entspricht
der Zündimpuls-Reihenfolge und wird praktisch von einem Vorwärts-Rückwärts-Befehlssignal
bestimmt, das den ersten Zündschaltkreisen am Anschluß 77 zugeführt wird. In ähnlicher
Weise wird das Schlupffrequenzsignal auf der Ausgangsleitung der zweiten Wechselrichter-Steuereinrichtung
25 in einer Summierstelle 78 dem zweiten Motordrehzahl-Istwertsignal r2 überlagert,
um ein Erregungsfrequenz-Steuersignal Qe2* zu erzeugen, das ihre algebraische Summe
darstellt und über eine Leitung 79 einem Block 28 zugeführt wird, der an sich bekannte
Zündschaltkreise und einen Zündimpulsgenerator für die jeweiligen Ventile des Wechselrichters
22 darstellt, wobei die Wechselrichter-Grundschwingungsfrequenz und damit die Grundschwingungsfrequenz
des mehrphasigen Erregerstroms, der dem zweiten Motor 21 zugeführt
wird,
durch den Betrag des Erregungsfrequenz-Steuersignals auf der Leitung 79 bestimmt
wird.
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Während des Betriebs ändert jede Wechselrichter-Steuereinrichtung
die Grundschwingungsfrequenz der Erregung des zugehörigen Zug-Motors so, daß die
Regelabweichung zwischen Soll- und Istwert des Drehmomentwinkels des Motors (d.h.
des Phasenwinkels zwischen Motorstrom und MotorfluB) minimal oder null ist. Infolgedessen
sind die Kommutierungs- oder Umschaltzeitpunkte in den Wechselrichtern mit der Gegen-EMK
des Motors synchronisiert und die Antriebsanordnung in der gewünschten Weise stabilisiert.
Durch diese Stabilisierung ohne Regelung des Stroms in der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung
entfällt eine schnell ansprechende Leistungs-Steuereinrichtung, wie eine phasenanschnittgesteuerte
Gleichrichterbrücke, zwischen Wechselstromgenerator 34 und Gleichstrom-Verbindungseinrichtung
50, und Dämpfungswicklungen im Zug-Wechselstromgenerator 34 brauchen nicht weggelassen
zu werden.
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Die Wechselrichter-Steuereinrichtungen bewirken ferner eine Änderung
des gewünschten Drehmomentwinkels und mithin der Motor-Erregungsfrequenz, so daß
die Regelabweichung zwischen Soll-und Istwert der Motor-Drehmomente im stationären
Zustand minimal oder null wird. Der Sollwert des Drehmoments wird von dem kompensierten
Drehmoment-Befehlssignal auf der Leitung 72 bestimmt, und er stimmt mit dem Ausgangssignal
T* der Sollwert-Logikeinheit 60 überein, ausgenommen dann, wenn auf der Leitung
71 ein Spannung-Ungleichsignal vorhanden ist. Das zuletzt genannte Signal stellt
die Differenz zwischen der Spannung an den Gleichstrom-Anschlüssen 13a und 13b des
Wechselrichters 12 und der Spannung an den Gleichstrom-Anschlüssen 23a und 23b des
Wechselrichters 22 dar, wenn diese Differenz einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Vor der Beschreibung der dargestellten Einrichtung zur Bildung des Spannungs-Ungleichsignals
sei darauf hingewiesen, daß diese Einrichtung dann entfallen kann, wenn keine Terringerung
oder Neuzuordnung des Motordrehmoments im
Falle ungleicher Spannungen
an den Gleichstrom-Anschlüssen der jeweiligen Wechselrichter 12 und 22 erforderlich
ist.
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Zur Bildung eines Spannung-Ungleichsignals auf der Leitung 71 sind
zwei herkömmliche Spannungsumformer 81 und 82 zwischen die jeweiligen Gleichstrom-Anschlüsse
der Wechselrichter 12 und 22 geschaltet. Diese Umformer führen Spannung-Istwertsignale
jeweils über eine Leitung 83 und 84 einer Summierstelle 85 zu, die über eine Ausgangsleitung
86 ein Signal abgibt, das ein Maß ihrer Differenz darstellt. Das Differenz signal
auf der Leitung 86 wird der Leitung 71 über eine Schwellwert-Feststelleinrichtung
87 zugeführt, die nur solche Differenzsignale durchläßt, deren positiver oder negativer
Wert einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Kleinere Differenzsignale fallen
in eine Totzone und werden nicht übertragen.
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Diese Totzone berücksichtigt die normalerweise zu erwartenden Unterschiede
der Rollradien der jeweiligen Räder 10 und 20, und ihre Größe wird von der maximal
zulässigen Drehzahldifferenz zwischen den beiden Motoren 11 und 21 bestimmt. Gewünscht
enfall s kann die Spannung-Ungl eichheits-F e st stell einrichtung so ausgebildet
sein, daß sie den Drehmoment-Sollwert für einen der beiden Motoren 11 und 21 verringert
(für den Motor, dessen Wechselrichter die höhere Spannung zwischen seinen Gleichstrom-Anschlüssen
aufweist) und den Drehmoment-Sollwert für den anderen Motor erhöht (für den Motor,
dessen Wechselrichter die niedrigere Eingangsgleichspannung aufweist). Wenn das
Fahrzeug 9 ein Lastkraftwagen ist, kann eine (nicht dargestellte) Einrichtung vorgesehen
sein, die die Schwellwert-Feststelleinrichtung 87 sperrt, so daß auf der Leitung
71 kein Spannung-Ungleichheitssignal erscheint, während der Lastkraftwagen seine
Fahrtrichtung ändert oder wendet.
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Das zweite Ausgangssignal XC* der Sollwert-Logikeinheit 60 dient als
Bezugs- oder Sollwertsignal für einen Wechselstromgenerator-Erregungssteuerblock
90, dem es über die Leitung 65 zugeführt wird. Der Erregungssteuerblock 90 erhält
ein weiteres
Steuersignal über die Leitung 63 vom Bremsregler 56
und ein Motorerregungs-Istwertsignal über einen Anschluß 91. Das zuletzt genannte
Signal stellt den Mittelwert der Ständererregung der Zug-Motoren 11 und 21 dar,
und während des Antriebs-Betriebs ist es vorzugsweise ein Signal wav das von den
Verarbeitungsschaltungen 74 in Abhängigkeit von dem Istwert des Flusses in den Luftspalten
der Motoren gebildet wird. Der Erregungssteuerblock 90 ist so ausgebildet, daß der
über eine Leitung 92 ein Wechselstromgenerator-Feldstromsignal If* abgibt, das sich
in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Bezugssignal auf der Leitung 65
und dem Motorerregungs-Istwertsignal am Anschluß 91 ändert. Das Ausgangssignal If*
steuert die Erregerstromquelle 38 des Zugwechselstromgenerators 34 so, daß die Stromstärke
in der Feldwicklung 36 bestimmt wird, die ihrerseits die Grundschwingungsamplitude
des Ausgangswechselstroms der Ankerwicklungen des Wechselstromgenerators 34 bestimmt.
Die Stromquelle 38 spricht auf Änderungen des Wertes von I* durch eine Änderung
der Amplitude des Wechselrichter-Ausgangsstroms in der Weise an, daß die Differenz
zwischen dem Istwertsignal am Anschluß 91 und dem Bezugssignal C* minimal oder null
wird.
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Die Erregerstromquelle 38 kann in herkömmlicher Weise ausgebildet
sein. So kann es sich beispielsweise um einen bürstenlosen Erregerkreis, der im
Wechselstromgenerator 34 eingebaut ist, um einen getrennten statischen Erregerkreis
oder einen rotierenden Erreger handeln, der mechanisch mit der Antriebswelle des
Hauptantriebs 30 und elektrisch über Schleifringe mit der Feldwicklung 36 verbunden
ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt eine Feldstrom-Begrenzungseinrichtung
zwischen der Ausgangsleitung 92 des Erregungssteuerblocks 90 und des Erregers 38.
Diese Einrichtung weist eine Summiereinrichtung 93 auf, die an der Leitung 92 angeschlossen
ist, um vom Wechselstromgenerator-Feldstrom-Sollwertsignal I* ein Grenzwertsignal
zu subtrahieren, das von einem Schwellwertdetektor 96 erzeugt wird, der an einen
in Reihe mit der Wechselstrongenerator
-Feldwicklung 36 liegenden
Stromwandler 94 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal der Summiereinrichtung 93
wird über eine Verstärkungsschaltung 95 dem Erreger 38 zugeführt. Immer wenn der
Istwert des Stroms in der Feldwicklung 36 einen vorbestimmten maximalen Grenzwert
überschreitet, ändert der Schwellwertdetektor 96 das Ausgangssignal der Summiereinrichtung
93 so, daß die Feldstromstärke bis auf einen sicheren Wert verringert wird. Infolgedessen
wird eine Ubererregung des Wechselstromgenerators im Falle einer Störung, z.B. eines
Ausfalls der Istwert-Rückführung, verhindert.
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Zusammenfassend wurde eine Fahrzeug-Antriebsanordnung mit einer stromgespeisten
Gleichstrom-Zugmotor-Antriebseinrichtung beschrieben, in der die Gleichstrom-Verbindungseinrichtung
(Gleichstromzuführ- oder -Ubertragungseinrichtung) keine Stromglättungseinrichtung
aufweist. Außerdem enthält die Anordnung folgende Einrichtungen auf dem Fahrzeug:
einen Zug-Wechselstromgenerator mit Anker- und Feldwicklungen und einen Läufer,
eine Drehantriebseinrichtung für den Läufer, eine Einrichtung zum Erregen der Feldwicklung,
eine Einrichtung zum Umrichten des Ausgangswechselstroms der Ankerwicklungen in
einen unidirektionalen bzw. ungeglätteten Gleichstrom, eine Einrichtung zum Zuführen
des ungeglätteten Gleichstroms zu den Gleichstrom-Anschlüssen eines frequenzvariablen
steuerbaren Strom-Wechselrichters ohne merkliche Glättung des unidirektionalen Stroms,
eine Einrichtung zum Steuern der Schaltfrequenz des Wechselrichters in der Weise,
daß die Grundschwingungsfrequenz seines Ausgangswechselstroms in der gewünschten
Weise geändert wird, und eine Einrichtung zum Steuern der Erregung der Feldwicklung
so, daß die Grundschwingungsamplitude des Wechselrichterausgangsstroms und mithin
sowohl der Mittelwert des unidirektionalen Stroms als auch die Grundschwingungsamplitude
des Wechselrichter-Ausgangsstroms, der einen in der Drehzahl einstellbaren Wechselstrom-Zugmotor
speist, in der gewünschten Weise geändert wird.
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Das typische Verhalten eines Fahrzeugs, das die beschriebene Antriebsanordnung
aufweist, ist in Fig. 3 dargestellt, in der die Kurve 101 die Zugkraft in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs im Antriebs-Betrieb bei einer Drosselklappeneinstellung
von 1,0 pro Einheit, d.h. einer bezogenen oder normierten Drosselklappeneinstellung
von 1,0, darstellt.
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In den Fig. 2 und 3 sind die Einheiten längs der horizontalen und
vertikalen Achse ebenfalls "bezogen" bzw. "normiert", d.h.
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1,0 ist der normierte Wert, während die anderen Werte auf 1 bezogen
sind. Die Kurve 102 stellt ein Beispiel für die Abhängigkeit der Zugkraft von der
Geschwindigkeit während eines Brems- oder Verzögerungsbetriebs dar. Statt dessen
ist auch ein ausgedehntes Bremsprogramm möglich, wie es durch die gestrichelte Kurve
103 dargestellt ist, wenn der einzige Bremswiderstand 54 (siehe Fig. 1) durch mehrere
aufeinanderfolgend abgestufte dynamische Bremswiderstände ersetzt wird. Ferner läßt
sich der Kurvenverlauf 104 erzielen, wenn der Zug-Wechselstromgenerator Energie
liefert.
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Nachstehend werden zwei andere Ausführungen der in Fig. 1 dargestellten
stromgespeisten Wechselstrommotor-Antriebsanordnung angegeben. Statt elektrisch
in Reihe können die beiden Zug-Wechselstrommotoren 11 und 21 auch parallelgeschaltet
sein, wobei dann die ersten Gleichstrom-Anschlüsse (13a und 23a) der Wechselrichter
12 und 22 gemeinsam mit der Leitung 51 der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung 50
und die anderen Gleichstrom-Anschlüsse (13b und 23b) der beiden Wechselrichter mit
der Leitung 53 verbunden sind, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.
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In diesem Falle kann es zweckmäßig sein, gegebenenfalls in getrennte
Leitungen verhältnismäßig kleine Entkopplungs-Drosselspulen 105, 106 einzuschalten,
um zu verhindern, daß Spannungssprünge, die während der Kommutierung in einem Wechselrichter
auftreten, in den anderen Wechselrichter eingekoppelt werden und dessen normalen
Betrieb stören. Dies steht im Gegensatz zu den direkten Verbindungen 51, 53 nach
Fig. 1, deren Eigeninduktivitäten offensichtlich weder eine Glättung, noch eine
Entkopplung bewirken können. Die Entkopplung kann mit verhältnismäßig
kleinen
und billigen Spulen mit geringer Induktivität (z.B. in der Größenordnung von etwa
10 % der Induktivität, die eine Glättungsdrosselspule in den Verbindungsleitungen
haben müßte) bewirkt werden, so daß sie an sich auch keine merkliche Glättung des
Strom s in der Gl eichstrom-Verbindungs einrichtung bewirken. Die hier gewählte
Formulierung "ohne merkliche Glättung des Gleichstroms" soll daher nicht ausschließen,
daß gewünschtenfalls Entkopplungsspulen in die einzelnen Leitungen geschaltet werden
können, die die Gleichstrom-Verbindungseinrichtung jeweils mit einem der Wechselrichter
bei einer Parallel schaltung von Wechselrichtern verbinden.
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In einigen Anwendungsfällen, sei es bei einer Reihenschaltung (Fig.
1) oder einer Parallelschaltung (Fig. 4) der Wechselrichtermotor-Anordnungen, kann
es zweckmäßig sein, das Motorerregungs-Istwertsignal, das dem Anschluß 91 des Wechselstromgenerator-Erregungssteuerblocks
90 zugeführt wird, den Mittelwert der Erregung immer desjenigen Motors, der augenblicklich
das höhere Drehmoment hat, und nicht den Mittelwert der Erregung beider Motoren
darstellen zu lassen.
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Fig. 5 stellt einen 6-Phasen-Wechselstrom-Zugmotor- 111 dar, der anstelle
der beiden 3-Phasen-Motoren 11 und 21, die in Fig. 1 dargestellt sind, verwendet
werden kann. Ein 6-Phasen-Motor hat den Vorteil, daß sein Drehmoment nicht so stark
pulsiert wie das einer 3-Phasen-Maschine. Die Ständerwicklungen des 6-Phasen-Motors
111 sind jedoch als zwei getrennte Gruppen 109a und 109b aus drei in Stern geschalteten
Wicklungen ausgebildet, wobei die Wicklungsgruppe 109b gegenüber der Wicklungsgruppe
109a um 30 elektrisch verschoben ist. Ein steuerbarer Wechselrichter, der diesen
Motor speist, besteht vorzugsweise aus zwei gleichen Wechselrichterteilen 112a und
112b, die jeweils den gleichen Aufbau wie der Wechselrichter 12 nach Fig. 1 haben.
Wie Fig. 5 zeigt, sind die Gleichstrom-Anschlüsse der beiden Wechselrichterteile
112a und 112b und eine Verbindungsleitung 113 in Reihe zwischen die Leitungen 53
und 52 der
Gleichstrom-Verbindungseinrichtung geschaltet. Die Zündschaltkreise
und Zündimpulsgeneratoren 118a und 118b für den jeweiligen Wechselrichter 112a und
112b sind im wesentlichen ebenso ausgebildet wie der zu dem Wechselrichter 12 in
Fig. 1 gehörende Block 18, nur daß der Block 118b so ausgebildet ist, daß die Gruppe
der Zündimpulse, die er den Ventilen des Wechselrichters 112b zuführt, gegenüber
den Zündimpulsen, die der Block 118a für den Wechselrichter 112a erzeugt, um 300
elektrisch phasenverschoben ist. Infolgedessen speist der Wechselrichter 112b die
Wicklungsgruppe 109b des Motors 111 über Leitungen A', B' und C' mit einem dreiphasigen
Wechselstrom, der gegenüber dem dreiphasigen Wechselstrom, den der Wechselrichter
112a über Leitungen A, 3 und C der Wicklungsgruppe 109a zuführt, um 300 phasenverschoben
ist. Die Grundschwingungsfrequenz des Wechselstroms wird vom Betrag der Erregungsfrequenz-Steuersignale
auf Leitungen 76a und 76b bestimmt, wobei diese Signale von Summierstellen 75a und
75b geliefert werden, die in Fig. 5 dargestellt sind.
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Abweichungen von den dargestellten Ausführungsbeispielen liegen im
Rahmen der Erfindung. So kann beispielsweise ein Zug-Wechsel stromgenerator mit
Dämpfungswicklungen verwendet werden, wobei jedoch der Spitzenwert des Stroms in
den Zug-Motoren während der Kommutierung höher ist als wenn diese Dämpfungswicklungen
weggelassen sind.
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