DE2855886A1

DE2855886A1 - Antriebsanordnung fuer ein zugfahrzeug

Info

Publication number: DE2855886A1
Application number: DE19782855886
Authority: DE
Inventors: Dennis Francis Williamson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-23
Publication date: 1979-06-28
Also published as: SE441733B; BR7808423A; AU4285978A; CA1115392A; SE7813289L; JPS5497911A; AU525761B2; DE2849298A1

Description

Pafenfonvralle

Vr.-hn. VmieLm ßeichel

Wpto V-. \.-, i-i^i _ 4 _ 2855886

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., U.S.A. Antriebsanordnung für ein Zugfahrzeug

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 ungeglatteten Gleichstrom; eine den ungeglatteten 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 ungeglatteten Gleichstroms sowie die Amplitude des Wechselrichter-Ausgangsstroms einen gewünschten Wert erhalten.

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 elektrodynamisehen 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. 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.

909826/1001

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,-c.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 Halbleiterschaltelement en (z.B. Thyristoren) mit der Fähigkeit, den Strömdurchgang 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 Verbraücherstrom führenden Zweigen zwischen Wechselstrom-Anschlüssen (die an die Ständerwicklungen des Wechselstrommotors angeschlossen sind) und zwei Gleichstrom-AnSchlussen (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.

Bei einem Spannungsquellen-Wechselrichter werden die Amplitude und Frequenz der Grundschwingung der Wechselspannung,

909826/1GOt

die den Ständeranschlüssen der Wechselstrommotoren zugeführt werden, gesteuert,: während sich die Ständerstromstärke stark ändern kann. Bei einem Stromquellen-Wechselrichter (nachstehend stromgesteuerter Wechselrichter genannt) sind die gesteuerten 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.

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-Anschluss en jedes stromgesteuerten Wechselrichters über eine Gleichstrom-Verbindungseinrichtung, die ein Strömglättungsfilter 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 d±ä Änderungsgeschwindigkeit des Gleichstroms begrenzt* die deifGenerator jeder getrennten Wechselrichter-Motor-Anordnung Zuführt. Insbesondere verhindert die Induktivität des in der Glä-icHstrom-Verbindungseinrichtung liegenden Filters zusammen mit^: !irgendeiner Quellen- bzw. Eigeninduktivität und der Motorinduls&ivität das Auftreten zu starker Stromspitzen, die eine Überlastung 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. 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.

Bislang ist nicht erkannt worden, daß in einem Zugfahrzeug mit aus eigener Stromquelle gespeistem Wechselstrom-Motor antrieb 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. . -. ■ ■

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.

909826/1001

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.

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. 200 %) der Leerlauf-FeIdamperewindungszahl 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-MMK der FeId-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 Übergangsreaktanz begrenzt, die der Ersatzreaktanz eines kurzgeschlossenen Transformators entspricht. Der Endwert des KurzSchlußStroms ist der Synchronimpedanz der Maschine proportional.

Ein typischer Zug-Wechselstromgenerator hat bei normaler Erregung und Drehzahl eine so hohe Reaktanz, daß er einen Kurzschlußstrom im stationären Zustand auf einen unterhalb des Nenribelastungsstroms 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

909826/1001

-9- 2855888

erläutert) im Bereich, von 1,0 bis 3,0, so daß ein typischer Zug-Wechselstromgenerator bestrebt ist, seinen Nennstrom bei sich ändernder Belastungsimpedanz beizubehalten.

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, daß er keine Dämpfungswicklungen aufweist. Dämpfungswicklungen sind kurzgeschlossene Dämpfungsstäbe oder Kurzschlußwicklungen, die häufig in den Lauferpolflachen 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 Änderungen 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 allgemeinen 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-Zugmotoren speisen.

9 0 9826/10 01

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Antriebsanordnung anzugeben, die leichter, kompakter und weniger aufwendig ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dieser Ausbildung entfällt ein Glättungsfilter, insbesondere eine Glättungs-Drosseispule, so daß die Antriebsanordnung entsprechend einfacher, leichter und kompakter im Aufbau wird.

Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand schematischer Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele 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 programmiert sind,

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,

909826/1001

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.

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. 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.

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 Gleichstromversorgungs-

909826/1001

einrichtung 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.

Der Hauptantrieb 30 ist eine Verbrennungskraftmaschine, z.B. 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.

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.

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

909826/1001

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. Gleichstromzuführeinrichtung) 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. Erfindungsgemäß ist die üblicherweise verwendete Stromglättungs-Drossel aus der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung 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.

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 ·

Der Schalter 55 steht mit einem Bremsregler 56 in Verbindung, der ihn öffnet oder schließt. Im Antriebs-Betrieb (M) ist der

* Es ist natürlich die Eigenleiterkapazität zwischen den Leitern 51 und 53 vorhanden, die selbst keine Spannungsglättung ausführen kann. Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, daß eine Kapazität eingesetzt werden kann, deren Wert jedoch beträchtlich geringer ist als er erforderlich ist, um die Gleichspannung wirksam zu glätten, die den Eingangsanschlüssen eines sog. ⁿSpannungsquellen^w-Wechselrichters zugeführt wird; dies wird im folgenden noch erläutert.

909826/1001

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 zuführen, 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-Verbindungseinrichtung 50 fließt.

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

909826/1001

in der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung 50 bestimmt wird. Der Strom in der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung wird seinerseits durch die Amplitude des Ausgangswechselstroms der Ankerwicklungen des Zug-Wechselstromgenerators 34 bestimmt. 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 Kommutierung sint ervalle der Wechselrichter 12 und 22 stark ändert. 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.

Durch entsprechende Steuerung der Frequenz, Amplitude und Phasenfolge des Zugmotor-ErregerStroms kann das Fahrzeug 9 vorwärts oder rückwärts angetrieben oder abgebremst werden. 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

909826/1001

betont, daß die dargestellte Fahrzeug-Antriebsanordnung auch durch andere Einrichtungen als die in Fig. 1 als Beispiel dargestellten gesteuert oder geregelt werden kann.

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 Änderung 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 O * und **^>r2 ^an* ^{die sie üt)}er 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 Ausgangssigriale ab: auf einer Leitung 64 ein erstes Signal T*, das den Sollwert des Motordrehmoments darstellt, und auf einer Leitung 95 ein zweites Signal 0_C*, das den Sollwert der Motorerregung darstellt. Wie nachstehend erläutert wird, bestimmt das erste Ausgangssignal die Grundschwingungsfrequenz des Zugmotor-Erregerstroms, während das zweite Ausgangssignal die Grundschwingungsamplitude dieses Stroms darstellt.

909826/1001

Die Einheit 60 ist so ausgebildet, daß sie den Wert von 0_C* 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 0_C* der Quadratwurzel aus der Drosseleinstellung entspricht. Außerdem ändern sich beide Ausgangs-, signale umgekehrt proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit, sobald diese einen bezogenen Eckwert von 1,0 überschreitet. 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.

Wenn es sich bei dem Fahrzeug 9 um eine dieselelektrische Lokomotive handelt, können die Werte der Ausgangssignale der Sollwert-Logikeinheit 60 gewürischtenfalls 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. 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 erzeugt, 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

9 0 9 8 2 6/1001

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, vorübergehend das normale Programm in der Sollwert-Logikeinheit 60 so, daß das Ausgangssignal 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).

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.

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-Steuereinrich-

909826/1001

tung 15 ein Drehmoment-Istwertsignal T^, das den Betrag und das Vorzeichen des Läufer-Drehmoments des ersten Motors 11 darstellt, und ein Drehmomentwinkel-Istwertsignal sin9_T1, das den Istwert des Phasenwinkels zwischen Strom und Fluß darstellt, die im Motor zur Bildung des Drehmoments zusammenwirken, zugeführt. Diese Istwertsignale werden von Meßwert-Verarbeitungsschaltungen im Block 74 geliefert.

Den Verarbeitungsschaltungen 74 wird ein erstes Signal i^,, das den Erregerstrom der Ständerwicklungen des Motors 11 darstellt, der mittels dreier Stromwandler 16 gemessen wird, die mit den Wechselstromleitungen zwischen diesem Motor und dem Wechselrichter 12 gekoppelt sind, und ein zweites Signalψ. 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 ip, das den Erregerstrom im Ständer des Motors 21 darstellt, der mittels Stromwandlern 26 gemessen wird, die an den Leitungen zwischen diesem Motor und dem Wechselrichter 22 angekoppelt sind, und ein Signal ψρ, das den von einem Flußfühler 27 im Motor 21 gemessenen Istwert des Flusses im Luftspalt darstellt, und aus diesen Signalen bilden sie für die Wechselrichter-Steuereinrichtung 25 ein Drehmoment-Istwertsignal Tp, das den Betrag und die Richtung des Drehmoments des Läufers des zweiten Motors 21 darstellt, wenn er erregt ist, und ein Drehmomentwinkel-Istwertsignal sinÖ_T2, das den Phasenwinkel zwischen Strom und Fluß darstellt, 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.

Bei dieser Ausbildung geben die Wechselrichter-Steuereinrichtungen 15 und 25 über ihre Ausgangsleitung ein Schlupffrequenz-

909826/1001

signal mit im stationären Zustand im wesentlichen konstantem Wert at>, 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-Istwert signal (T₁ oder Tp) und dem kompensierten Drehmoment-Sollwertsignal auf der Leitung 72 ändert.

Das Schlupffrequenzsignal auf der Ausgangsleitung 73 der ersten Wechselrichter-Steuereinrichtung 15 wird in einer Summierstelle 75 dem ersten Motordrehzahl-Istwertsignal O_r1 überlagert, um auf einer Leitung 76 ein Erregungsfrequenz steuersignal W_e-i * 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 genannte 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 Grundschwingungsfrequenz 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 Motordrehzahlrlstwertsignal Q_r2 überlagert, um ein Erregungsfrequenz-Steuersignal ^ω _β?* ^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

009826/1001

wird,' durch den Betrag des Erregungsfrequenz-Steuersignals auf der Leitung 79 bestimmt wird.

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 Motorfluß) 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.

Die Wechselrichter-Steuereinrichtungen bewirken ferner eine Änderung des gewünschten Drehmomentwinkels und mithin der Motor-Erregungsfrequenz, so daß die Regelabweichung zwischen SoIl- 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 Verringerung oder Neuzuordnung des Motordrehmoments im

9098 2 6/1001

2S55886

Falle ungleicher Spannungen an den Gleichstrom-Anschlüssen der jeweiligen Wechselrichter 12 und 22 erforderlich ist.

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 Summierst eile 85 zu, die über eine .Ausgangsleitung 86 ein Signal abgibt, das ein Maß ihrer Differenz darstellt. Das Differenzsignal 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. 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. Gewünschtenfalls kann die Spannung-Ungleichheits-Feststelleinrichtung 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.

Das zweite Ausgangssignal 0_C* 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

909826/1001

2S55886

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-Be-· triebs ist es vorzugsweise ein Signal S>_av> 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 I_f* 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 I_f* 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 WechselriehterAusgangs Stroms in der Weise an, daß die Differenz zwischen dem Istwertsignal am Anschluß 91 und dem Bezugssignal 0_C* minimal oder null wird.

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_f* ein Grenzwertsignal zu subtrahieren, das von einem Schwellwertdetektor 96 erzeugt wird, der an einen in Reihe mit der Wechsel-

909S26/1001

stromgenerator-Feldwicklung 36 liegenden Stromwandler Sk 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 Summiersinrichtung 93 so, daß die Feldstromstärke bis auf einen sicheren Wert verringert wird. Infolgedessen wird eine Übererregung des Wechselstromgenerators im Falle einer Störung, z.B. eines Ausfalls der Istwert-Rückführung, verhindert.

Zusammenfassend wurde eine Fahrzeug-Antriebsanordnung mit einer stromgespeisten Gleichstrom-Zugmotor-Antriebseinrichtung beschrieben, in der die Gleichstrom-Verbindungseinrichtung (Gleichstromzuführ- oder -Übertragungseinrichtung) 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 ümrichten 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 unidirektzonalen 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.

2 8/1001

_ 25 _ 2355886

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. In den Fig. 2 und 3 sind die Einheiten längs der horizontalen und vertikalen Achse ebenfalls "bezogen" bzw. "normiert", d.h. 1,0 ist der normierte Wert, während die anderen Vierte 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.

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. 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 verhältnis-

309826/1001

mäßig kleinen und billigen Spulen mit geringer Induktivität (z.B. in der Größenordnung von etwa 10 % der Induktivität, die eine Glättungsdros sei spule in den Verbindungsleitungen haben müßte) bewirkt werden, so daß sie an sich auch keine merkliche Glättung des Stroms in der Gleichstrom-Verbindungseinrichtung 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 Parallelschaltung von Wechselrichtern verbinden.

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.

Fig. 5 stellt einen 6-Phasen-Wechselstrom-Zugmotor 111 dar, der anstelle der beiden 3rPhasen-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. 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

0 9 8 2 6/1001

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 30° elektrisch phasenverschoben ist. Infolgedessen speist der Wechselrichter 112b die Wicklungsgruppe 109b des Motors 111 über Leitungen A¹, B¹ und C mit einem dreiphasigen Wechselstrom, der gegenüber dem dreiphasigen Wechselstrom, den der Wechselrichter 112a über Leitungen A, B und C der Wicklungsgruppe 109a zuführt, um 30° 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.

Abweichungen von den dargestellten Ausführungsbeispielen liegen im Rahmen der Erfindung. So kann beispielsweise ein Zug-Wechselstromgenerator 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.

Rückblickend sei darauf hingewiesen, daß bei der Ausführungsform nach Fig. 1 der gesamte in eine Richtung fließende Gleichstrom, der von der Gleichrichterbrücke 40 abgegeben wird, über die Leitung 51 in den Anschluß 23a des stromgesteuerten Wechselrichtes 22a fließt, durch diesen hindurchfließt und dann an seinem Anschluß 23b abgegeben wird, dann in den Anschluß 13a des stromgesteuerten Wechselrichters 12, durch diesen hindurchfließt und von seinem Anschluß 13b zu der Gleichrichterbrücke fließt und daß ein ähnlicher Stromverlauf in Fig. 5 vorliegt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird jedoch der gesamte in einer Richtung fließende Gleichstrom, der von der Gleichrichterbrücke abgegeben wird, in einzlene Ströme aufgeteilt, von denen jeder

909828/1001

in den zugehörigen stromgesteuerten Wechselrichter 22 bzw. 12 hinein und dann wieder aus diesem heraus fließt. Die stromgesteuerten Wechselrichter sind auch in der Technik als "Stromquellen"-Wechselrichter (»current source"-Wechselrichter) bekannt und sie können so wie es in der US-PS 3 980 941 beschrieben ist, ausgebildet sein. Ein "Stromquellen"-We chselricht er unterscheidet sich in seinem Aufbau und auch insbesondere in seiner Arbeitsweise grundsätzlich von einem sogenannten "Spannungsquellen"-Wechselrichter, der auch in der Technik gut bekannt ist; dazu wird beispielsweise auf den Aufsatz von Brenneisen et al, IEEE, (Institute of the Electrical and Electronics Engineers) Transactions on Industry Applications, Ausgabe Juli/Aug. 1973, Seiten 482 bis 490 (USA-Ausgabe) mit dem Titel "A New Converter Drive System for a Diesel Electric Locomotive with Asynchronous Traction Motors" verwiesen. Die darin beschriebene Anordnung, die später Brenneisen-Anordnung genannte wird, bezieht sich allgemein gesagt auf eine Einrichtung zu einem ähnlichen Zweck wie die hierin beschriebene Anordnung, aber sie unterscheidet sich grundsätzlich darin, daß sie "Spannungsquellen"-Wechselrichter (siehe Fig. 6 d. Aufs, von Brenneisen et al) anstelle der hier verwendeten "Stromquellen"-Wechselrichter verwendet. Bei der Brenneisen-Anordnung wie auch bei den hier beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen sind keine glättenden Induktivitäten zwischen der Gleichrichter-Schalteinheit und den Wechselrichtern vorgesehen. Stattdessen werden bei der Brenneisen-Anordnung ein Glättungskondensator (der in Fig. 6 des Aufsatzes von Brenneisen mit Cj bezeichnet ist), verwendet, der zwischen die Gleichstromeingangsanschlüsse des Wechselrichters geschaltet ist, wohingegen bei den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung selbst ein Glättungskondensafor weggelassen ist. Die Unterschiede zwischen "Spannungsquellen"-Wechselrichter und "Stromquellen"-Wechselrichter werden im folgenden kurz beschrieben.

9826/1001

Um einen "Spannungsquellen"(spannungsgesteuerten)-Wechselrichter richtig zu speisen,müssen seine Gleichstromanschlüsse von einer festen oder einstellbaren verhältnismäßig gut geglätteten Gleichspannungsquelle gespeist werden, ohne daß eine stromglättende Drossel einer beträchtlichen Größe zwischengeschaltet ist, wodurch eine recht- · eckförmige oder gleichsam rechteckförmige Spannung dem Wechselstromzug- oder -fahraugmotor. zugeführt wird. In diesem Fall wird die Größe des Motorstroms durch die Motorimpedanz bestimmt und sie kann in einem weiten Bereich verändert werden. Da die Motorlast eine Reaktanz ist, ist der Motorstrom mit der Motorspannung nicht in Phase und es gibt innerhalb des Umlaufzyklus Zeitabschnitte, zu denen die Richtung des Stromes im Verhältnis zur Polarität der zugeführten Spannung umgekehrt ist. Deshalb sind bei einem mit einer Spannung gespeisten Wechselrichter Rückkopplungsgleichrichter (Dioden) zu den Wechselrichterventilen parallel geschaltet, um den Rückstrom aufzunehmen und der Eingangsstrom des Wechselrichters hat eine YJechselstromkomponente. Das Gleichstromverbindungsglied, das die Gleichspannungsquelle und die Gleichstromeingangsanschlüsse des spannungsgesteuerten Wechselrichters verbindet, muß eine "Senke" aufweisen, die gewöhnlich als paralleler Kondensator ausgebildet ist, um diese Wechselstromkomponente aufzunehmen. Der parallel geschaltetete Kondensator dient auch zur Glättung der Eingangsspannung, wenn das Ausgangssignal der Gleichspannungsquelle die Form einer gleichgerichteten Wechselspannung mit einer hohen Welligkeit hat. Um diese Spannungsglättungs- oder ·-filterwirkung des parallelen Kondensators zu unterstützen, wird das Gleichstromverbindungsglied üblicherweise eine kleine Reiheninduktivität aufweisen, die auch deshalb notwendig sein kann, tun zu verhindern, daß Kondensatorspitzenströme einen Wert überschreiten, der die Ventile der Gleichrichterschaltung zerstören würde. Jedoch muß die Reiheninduktivität des Gleichstromverbindungsglieds für einen spannungsgesteuerten

909826/1001

Wechselrichter verhältnismäßig klein sein, um eine Erschwerung der erforderlichen Umkehrung des Stromes in dem Gleichstromverbindungsglied bei der Regeneration zu vermeiden.

Zusammenfassend sei gesagt, daß der Zweck des Kondensators im Gleichstromverbindungsglied einer spannungsgesteuerten Anordnung (d.h. einer Anordnung, die einen spannungsgesteuerten Wechselrichter verwendet) zum einen darin besteht, einen niederimpedanten Pfad für die Wechselstromkomponente des VerbindungsStroms zu schaffen, und zum anderen die Größe der Änderung der Gleichspannung, die den Gleichstromquellen des Wechselrichters zugeführt wird, zu begrenzen. Insbesondere wird durch die Kapazität, die durch das Filter in dem Gleichstromverbindungsglied gegeben ist, zusammen mit jeder anderen Eigen- oder Streukapazität des Verbindungsgliedes der stationäre Welligkeitsgehalt der Gleichspannung des Verbindungsgliedes vermindert und es werden übergroße Spannungsspitzen verhindert, die die Wechselrichterventile überlasten könnten. Allgemein gesagt wird das Filter so bemessen, daß die Welligkeit der Spannung auf weniger als etwa Λ5% des Mittelwertes der Spannung an dem Gleichstromverbindungsglied für die spannungsgespeiste Induktionsmotorantriebsanordnung beträgt und bei Verwendung von elektrolytischen Kondensatoren wird sogar eine stärkere Spannungsglättung vorgenommen, da das Filter groß genug sein muß, so daß es ohne Überhitzung die Wechselstromspitzen des Gleichstromverbindungsgliedes weiterleiten kann.j Im Gegensatz zu einem spannungsgesteuerten Wechselrichter speist ein stromgesteuerter Wechselrichter den Wechselstrom-Zugmotor mit rechteckf örmigem oder gleichsam rechteckf örmigem Strom, während die Motorspannung durch die Motorimpedanz bestimmt ist und sich in einem weiten Bereich ändern kann. Bei einem stromgesteuerten Wechselrichter ist der Strom durch das Verbindungsglied auf eine Richtung beschränkt und die Umkehrung des Leistungsflusses zur Regeneration wird durch. Umkehrung der Polarität der Gleichspannung erreicht. Des*·

90 9 82 6/1001

halb darf bei einem stromgesteuerten Wechselrichter die Spannung an den Gleichstromanschlüssen des Wechselrichters nicht aufgezwungen sein, sondern sie muß vielmehr frei veränderbar sein^und der stromgesteuerte Wechselrichter würde ein beträchtlich verändertes Betriebsverhalten zeigen, wenn parallel zu den Gleichstromanschlüssen eine beträchtliche Kapazität parallel geschaltet wäre, selbst bei einer Kapazität, die etwa 10% des Kapazitätswertes beträgt, der zwischen die Gleichstromeingangsanschlüsse von spannungsgesteuerten Wechselrichtern geschaltet ist, wie beispielsweise bei der Brenneisen-Anordnung, und es ergäbe sich eine beträchtliche Glättung der Spannung an den zuletzgenannten Gleichstromanschlüssen. Wenn jedoch ein Kondensator mit einem Kapazitätswert von weniger als dem eben erwähnten 10?6-Wert zwischen die Gleichstromeingangs anschlüsse eines stromgesteuerten Wechselrichters ' geschaltet wird, dann ergeben sich keine unerwünschten Ergebnisse, sondern es können sich für bestimmte Anwendungen Vorteile ergeben.. Es ist deshalb Ziel der Erfindung, einen Kondensator vorzusehen, der "einen geringeren Kapazitätswert als den 10%-Wert" aufweist, wobei man nicht nur die Eigenleitungskapazität zwischen den Eingangsanschlüssen des stromgesteuerten Wechselrichters hinnehmen möchte.

903826/1001

-sz-

Leerseite

Claims

-r^kiari α. Ινί. J
Jroxfcsiroße 13

GENERALELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., U.S.A.

Patentansprüche

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-Aus gangs stroms einen gewünschten Wert erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigeninduktivität oder eine gegebenenfalls eingefügte Induktivität (105, 106) der Gleichstromzufuhreinrichtung (50) einen Wert aufweist, der beträchtlich geringer ist als der Induktivitätswert, der erforderlich ist, um den Gleichstrom wirksam zu glätten und daß der Wert der Eigenkapazität oder einer gegebenenfalls zwischen den Gleichstromanschlüssen des

909826/1001

Wechselrichters eingefügten. Kapazität beträchtlich geringer ist als der Wert der Kapazität, die zur wirksamen Glättung der Spannung erforderlich wäre, die zwischen den Gleichstromanschlüssen eines statischen Wechselrichters mit steuerbarer Spannung auftritt.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromzufuhreinrichtung (50) einen oder mehrere eingefügte Entkopplungsinduktivitäten (Fig. 4: 105, 106) aufweist, von denen jede einen Induktivitätswert aufweist, der höchstens bei etwa 10% des Induktivitätswertes liegt, der zum Glätten des Gleichstromes erforderlich ist, der durch eine solche Glättungsindiktivitat fließt, wenn diese anstelle der Entkopplungsinduktivität eingesetzt wäre.
3. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß jede zuvor erwähnte eingefügte Kapazität einen Kapazitätswert aufweist, der höchstens geringer als 10% des Kapazitätswertes ist, der zwischen die Gleichstrojnanschlüsse eines statischen Wechselrichters mit steuerbarer Spannung gelegt werden müßte, um die zwischen den Gleichstromanschlüssen auftretende Spannung wirksam zu glätten.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug (9) mit- mindestens einem in der Drehzahl einstellbaren Induktionsmotor (11; 21; 111) als Zugmotor versehen ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug (9) mit mindestens einem in der Drehzahl einstellbaren Asynchronmotor (11; 21; 111) als Zugmotor versehen ist.

909826/1001
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Läufer des Generators (34) antreibende Einrichtung (30) so ausgebildet ist, daß sie die Läuferdrehzahl entsprechend der gewünschten Leistung des Fahrzeugs (9) einstellt.
7· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromgenerator (34) keine Dämpferwicklung aufweist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur Ableitung eines Winkel-Istwertsignals (sinörp ; sinörn ) aufweist, das den Phasenwinkel zwischen Strom und Fluß darstellt, die in dem Wechselstrom-Zugmotor zur Bildung des Motor-Drehmoments zusammenwirken, und daß die Wechselrichterschaltfrequenz-Steuereinrichtung (18; 28; 118a; 118b) die Grundfrequenz des Wechselrichter-Ausgangsstroms in Abhängigkeit von dem Winkel-Istwert signal so ändert, daß die Differenz zwischen Ist- und Sollwert des Phasenwinkels ein Minimum wird.

Ö09826/1001