DE2934316A1

DE2934316A1 - Verfahren zum betrieb eines gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2934316A1
Application number: DE19792934316
Authority: DE
Inventors: ?
Original assignee: Schweizerische Industrie Gesellschaft
Current assignee: Bedia Maschinenfabrik Verwaltungs-Gmbh 53117 Bonn
Priority date: 1979-08-17
Filing date: 1979-08-24
Publication date: 1981-02-26
Also published as: AU542477B2; GB2056796A; GB2056796B; US4506200A; CH661160A5; AU6152680A; SE8005767L; SE456707B; DE2934316C2

Description

Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrommotors

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrommotors.

üeblicherweise werden Gleichstrommotoren mit Anlasswiderständen angefahren, welche mit Hilfe mechanischer Schützen sukzessive ausgeschaltet resp. wieder eingeschaltet werden. Abgesehen davon, dass solche Schaltorgane, wie beispielsweise die erwähnten Schützen, verschleissanfällig sind, ergibt sich, grundsätzlich durch die Schaltvorgänge bedingt, kein weiches kontinuierliches Anfahren.

Um diesen Nachteil zu beheben und eine verbesserte Anfahr-Charakteristik an einem Gleichstrommotor zu schaffen, wobei die Möglichkeit einer Nutzbremsung ausgenützt wird, zeichnet sich das erfindungsgemässe Verfahren nach dem Wortlaut des Anspruchs 1 aus.

Eine Anordnung zur Ausführung dieses Verfahrens zeichnet sich nach dem Wortlaut des Anspruchs 4 aus.

Bekannterweise werden für gleichstrommotor-getriebene Fahrzeuge meistens in Hauptschlussschaltung geschaltete Motoren verwendet, da diese Beschaltung eine sog. "weiche" Drehzahl/ Drehmomenten-Charakteristik ergibt, dank welcher Drehmomentstösse nur gedämpft an die elektrische Speisung übertragen werden. Der Hauptschlussmotor ist jedoch wegen seiner Abhängigkeit von Anker- und Erregerstrom für die Durchführung von Nutz- resp. Rekuperationsbremsungen schlechter geeignet als der Nebenschlussmotor.

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Um diesen Nachteil zu beheben und praktisch einen Nebenschlussmotor mit Hauptschluss-Charakteristik zu führen, zeichnet sich ein weiteres erfindungsgemässes Verfahren nach dem Wortlaut des Anspruchs 11 aus.

Eine Anordnung zur Ausführung dieses weiteren Verfahrens zeichnet sich nach dem Wortlaut des Anspruchs 14 aus.

Wie erwähnt worden ist, eignet sich der Nebenschlussmotor vorzüglich für eine Nutz- resp. Rekuperationsbremsung bis hinunter zu tiefsten Drehzahlen. Anderseits ist aber die Nebenschluss-Traktions-Charakteristik relativ "hart".Ein Motor mit Hauptschluss-Traktions-Charakteristik hingegen weist eine "v/eiche" Betriebskennlinie auf, eignet sich jedoch schlecht für eine Nutzbremsung bis hinunter zu tiefsten Drehzahlen. Im weiteren ist es üblich, Gleichstrommotoren mit Anlasswiderstände, welche mit Hilfe von mechanischen Schützen sukzessive einresp. ausgeschaltet werden, zu fahren, wodurch sich ein ruckartiges Beschleunigen ergibt.

Um all diese Nachteile zu beheben, wird ein drittes erfindungsgemässes Verfahren nach dem Wortlaut des Anspruchs 21 vorgeschlagen.

Eine Anordnung zur Ausführung dieses letzteren Verfahrens zeichnet sich nach dem Wortlaut des Anspruchs 25 aus.

Da insbesondere die obgenannten Nachteile bei batteriegetriebenen Fahrzeugen, insbesondere bei Grubenlokomotiven auftreten, welche äusserst rauhen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, wird nach dem Wortlaut der Ansprüche 10, 20 und 35 die Verwendung der erwähnten drei erfindungsgemässen Verfahren für batteriegetriebene Fahrzeuge, insbesondere Grubenlokomotiven vorgeschlagen.

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Bekannterweise werden Speisequellen für Verbraucher, welche mittels Gleichstrompulswandlern betrieben werden, pulsierend belastet. Sind mehrere Verbraucher vorgesehen, so steigt, ohne besondere Vorkehrungen zu treffen, diese Belastungspulsation der Speisequelle mit der Anzahl vorgesehener Verbraucher. Um nun diesen Nachteil zu beheben und die Belastungspulsation einer Speisequelle für mindestens zwei mittels Gleichstrompulswandlern betriebene Verbraucher, welche durch Impulszüge gleicher Repetitionsfrequenz angesteuert werden zu verringern, zeichnet sich ein viertes erfindungsgemässes Verfahren nach dem Wortlaut des Anspruchs 36 aus, wobei sich eine Anordnung zur Ausführung dieses Verfahrens nach dem Wortlaut des Anspruchs 38 auszeichnet.

Im weiteren wird eine Kombination der ersten drei erwähnten Verfahren mit dem letzterwähnten vierten vorgeschlagen.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Drehzahl-Quellspannungs- und den Drehzahl-Ankerspannungsverlauf bei einer Regelung mit dem Ankerstrom als Regelgrösse und der Ankerspannung als Führungsgrösse für verschiedene Ankerstrom-Führungsgrössen,

Fig. 2 die daraus resultierende Drehmoment/Drehzahl-Kennlinien,

Fig. 3 ein prinzipielles Blockdiagramm der Ankerstrom/ Ankerspannungsregelung,

Fig. 4 ein Funktionsblockdiagramm der Regelung nach Flg. 3,

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Fig. 5 eine Schaltungsanordnung, teilweise mit Funktionsblöcken der Anordnung gemäss Fig. 4,

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung, teilweise mit Funktionsblöcken der Anordnung gemäss Fig. 4, mit Ausbau für Nutzbremsung und Drehrichtungsumkehr,

Fig. 7 eine Drehzahl/Drehmomenten-Charakteristik eines geregelten Gleichstrommotors mit dem Ankerstrom als Regelgrösse und dem Feld als Stellgrösse,

Fig. 8 ein grundsätzliches Blockdiagramm des Regelkreises für diese Ankerstrom/Erregungsregelung,

Fig. 9 ein Funktionsblockdiagramm für die Ankerstrom/Erregungsregelung,

Fig. 10a ein Funktionsblockdiagramm gemäss Fig. 9, mit teilweiser Angabe einer möglichen Beschaltung,

Fig. lob eine schaltungsmässige Realisation der in Fig. 9 und 10a als Funktionsblock dargestellten Differenzeinheit zur Bildung einer Regeldifferenz,

Fig. 11 eine mögliche Ausbildung einer Strommessanordnung, wie sie als Funktionsblock in den Figuren 4, 5, 6, 9 und 10a, weiter in den Fig. 13 , 14 dargestellt ist,

Fig. 12 eine Drehzahl/Drehmomenten-Charakteristik eines geregelten Gleichstrommotors, mit dem Ankerstrom als Regelgrösse und, alternativ, der Ankerspannung als Stellgrösse oder der Erregung als Stellgrösse,

Fig. 13 ein Funktionsblockdiagramm einer Anordnung zur Ausführung der kombinierten Regelung,

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Fig. 14 eine Schaltungsanordnung mit teilweise als
Funktionsblöcken dargestellten Einheiten,
gemäss dem Funktionsblockdiagramm von Fig. 13,

Fig. 15 den zeitlichen Verlauf zweier Impulszüge zur Ansteuerung von Gleichstrompulswandlern zweier Verbraucher, welche von derselben Speisequelle gespiesen werden, mit bezüglich Belastungspulsation besagter Quelle optimierter gegenseitiger Phasenlage bei gleichem Betrieb der beiden Verbraucher,

Fig. 15b eine Darstellung gemäss Fig. 15a bei unterschiedlichem Betrieb der Verbraucher,

Fig. 16 ein Funktionsblockdiagramm zur Einstellung einer
bezüglich Quellenbelastung optimierter· Phasenlage von Impulszügen für zwei mittels Gleichstrompulswandlern betriebene, von einer Speisequelle gespiesene Verbraucher.

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Bei der Regelung einer Gleichstrommaschine mit dem Ankerstrom I als Regelgrösse und einer Ankerstrom-Führungsgrösse

I wird die Maschine gemäss Ao

M = - pw-Φ·¹,

ein konstantes Moment M abgeben. Dabei bezeichnen

ρ : Polpaarzahl

w : Windungszahl zwischen zwei Bürsten

Φ : Erregungsfluss

I : Ankerstrom

Es muss weiter gelten:

3 η

= ο,

woraus sich mit

T - ^U " ⁴Ρ"^ηΦ /ο,

A R

⁹¹A dU _ 4pwΦ

3 η R_Adn R₁₁ A A

mit R als Ankerwiderstand der Verlauf der Ankerspannung ü in Funktion der Drehzahl und der Führungsgrösse I zu

U = 4pwΦn + I R (3)

AO J\

ergibt.

Dieser Verlauf ist qualitativ in Fig. 1 dargestellt. Ueber der Drehzahl η ist die Quellenspannung U abgetragen, welche

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mit einer Steigung von 4pw4> mit der Drehzahl linear ansteigt. Die Ankerspannung U folgt der Quellenspannung ü parallel, wobei der Ordinatenabstand dem entsprechenden Spannungsabfall I R entspricht. Erreicht die Ankerspannung U die Nennspannung U_n, so kann sie nicht weiter ansteigen, die Stellgrösse ist voll ausgesteuert.

Daraus ergibt sich eine Drehzahl/Momenten-Kennlinie gemäss Fig. 2. Bei unterbrochenem Ankerkreis stellt sich eine Maximaldrehzahl η ein, für welche gilt max ' ^

_n = "ν (4)

max 4pwⁱi>

Entsprechend den vorgegebenen Führungsgrössen I _r fährt die Maschine mit entsprechendem, konstantem Moment

M=- PWtI₇₁ (5)

X TT ^c AOX

an. Bei einer Lastkennlinie M , welche lediglich beispiels-

L·

weise eingetragen ist, wird der stationäre Lauf beim vorgegebenen Moment M₁ in Punkt P , entsprechend beim Moment M~ im Punkt P„ erreicht, während bei der vorgegebenen Führungsgrösse I _. die Ankerspannung bis auf den Nennwert U_x steigt,

AO j vt

zur Konstanthaltung des Ankerstromes , dann jedoch der Ankerstrom gemäss (2) und damit das Moment M reduziert wird, bis im stationären Lauf der Arbeitspunkt P erreicht ist.

In Fig. 3 ist das Blockschaltbild des Regelkreises zur Regelung des Ankerstromes als Regelgrösse mit der Ankerspannung als Stellgrösse dargestellt. Die Regelabweichung ergibt sich zu:

Ao A (6)

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Entsprechend ergibt sich die Stellgrösse Y zu:

^Y = ^AR ^(IAO - V' ⁽⁷⁾

wobei A die Verstärkung des Reglers R bezeichnet.

Mit der Störgrösse

Z = - 4pw<f>n (8)

ergibt sich die Regelgrösse zu

Vr ^as X ⁼ I»⁼ TT^—;r~ I» ⁺ TT^—t~ (~ 4pwΦn) (9)

Vr ^{Ao 1+a}s^ar

Dabei bezeichnet A die Verstärkung der Strecke S, welche

1
sich zu Tr— ergibt.

^RA

Mit dieser Regelung kann die Gleichstrommaschine ohne das Vorsehen von mechanisch umzuschaltenden Anfahrwiderständen in Betrieb genommen werden. Da keine Umschaltvorgänge stattfinden, wie dies bei Vorsehen umzuschaltender Anfahrwiderstände der Fall ist, ergibt sich ein ruhiges, kontinuierliches Anfahren. Diese Regelung eignet sich vorzüglich für den Betrieb von batteriegespeisten Fahrzeugen, insbesondere für Grubenlokomotiven.

In Fig. 4 ist der grundsätzliche Aufbau der Regelung für die Gleichstrommaschine GM dargestellt. Der Nebenschlussmotor GM mit einer Erregerwicklung E, welche aus einer Gleichspannungsquelle U_ resp. Gleichstromquelle für I_

tu E

gespiesen wird, ist mit ihren Ankeranschlüssen auf eine steuerbare Gleichspannungsquelle, z.B. einem steuerbaren Gleichspannungs/Gleichspannungswandler 1, geführt. Die

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- 17 - ■-. : ■■■:.".

Gleichspannungsquelle 1 wird durch eine Speisequelle mit der Spannung U_c gespiesen und gibt ausgangsseitig auf den Ankerkreis eine Spannung U ab. Das Uebersetzungsverhältnis zwischen der Speisespannung U und der Ankerspannung U wird durch ein elektrisches Signal am Steuereingang 3 der Quelle gesteuert. Der Strom I im Ankerkreis der Gleichstrommaschine GM wird mittels einer Strommessanordnung 5 gemessen, welche vorzugsweise und aus Gründen, die noch zu beschreiben sein werden, an ihrem Ausgang 7 ein ankerstrom-proportionales Signal abgibt, mit gemäss Stromrichtung vorgesehenem Vorzeichen. Das Ausgangssignal am Ausgang 7 der Strommessanordnung 5 wird einer Differenzeinheit 9 zugeführt, deren zweitem Eingang ein von einer einstellbaren Signalquelle 11 abgegebenes SOLL-Wertsignal als Führungsgrösse zugeschaltet ist. Das mit der Signalquelle 11 eingestellte Signal entspricht als Führungsgrösse dem SOLL-Ankerstrom, während das am Ausgang 7 der Messanordnung 5 erscheinende Signal dem IST-Ankerstrom entspricht. Entsprechend der in der Differenzeinheit 9 gebildeten Regeldifferenz, wird die Quelle 1 an ihrem Steuereingang 3 so angesteuert, dass die Regeldifferenz wenigstens nahezu Null wird.

Es versteht sich von selbst, dass die Speisequellen für U

und ü_, durch
E

sein können.

und ü_, durch eine und dieselbe, z.B. eine Batterie, gebildet E

In Fig. 5 ist der grundsätzlich in Fig. 4 dargestellte Regelkreis-Aufbau mit einem Thyristor-Gleichstrompulswandler als Spannungsquelle 1 dargestellt. Die Speisequelle für U liegt an den Ankerklemmen der Gleichstrommaschine GM, welche durch eine Freilaufdiode D₁ überbrückt ist. Ein Hauptthyristor T im Ankerkreis wirkt auf bekannte Art und Weise als Schalter, schliesst resp. unterbricht den Ankerstromkreis. Ueber den Hauptthyristor T„ ist eine Löschschaltung 13 geschaltet, mit

ti

an und für sich bekanntem Aufbau und einem Löschthyristor T

Ein Impulsgenerator 15 liefert an seinen Ausgang einen

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Impulszug, wobei jeder Impuls, beispielsweise mit seiner aufsteigenden Schaltflanke, beispielsweise an einem monostabilen Multivibrator 17 einen Impuls erzeugt, welcher über einen Treiber 19 verstärkt, den Haupttyristor T„ zündet. Der Aus-

gang des Generators 15 ist weiter einem Zeitgeber 21 bekannter Bauweise, beispielsweise einem Zeitgeber MC 15 55 von Motorola zugeschaltet, welch letzterer einen Steuereingang aufweist. Beispielsweise bei aufsteigender Schaltflanke des vom Generator 15 abgegebenen Impulszuges, wird der Zeitgeber 21 ausgelöst und erzeugt jeweils einen Impuls steuerbarer Impulslänge τ, welche durch ein am Steuereingang 23 anliegendes Signal gesteuert wird. Der Ausgang des Zeitgebers 21 ist wiederum auf einen monostabilen Multivibrator 25 geschaltet, welcher bei abfallender Impulsflanke am Ausgang des Zeitgebers 21 einen Impuls abgibt, der über einen Treiber 27 den Löschthyristor T zündet. Der Ausgang der Strom-

Xj

messanordnung 5 ist mit einem Tiefpassfilter 29 verbunden und anschliessend auf einen Eingang der Differenzeinheit 9, welche auf übliche Art und Weise, beispielsweise mittels eines Operationsverstärkers, realisiert ist. Die Signalquelle 11, deren Ausgang dem zweiten Eingang der Differenzeinheit 9 zugeschaltet ist, kann beispielsweise durch ein Potentiometer realisiert sein. Der Ausgang der Differenzeinheit 9 ist auf einen Regler R" geführt, der in ebenfalls bekannter Art und Weise mit gewünschter Verstärkung und gewünschtem Frequenzgang ausgebildet ist. Der Ausgang des Reglers R¹ steuert die Pulslänge τ am Zeitgeber 21 an.

Die Strommessung an der Strommessanordnung 5 kann beispielsweise mit einen Isolationsverstärker realisiert sein.

An der Signalquelle 11 wird als Führungsgrösse der Ankerstrom-SOLL-Wert vorgegeben, welcher in der Differenzeinheit mit dem IST-Wert verglichen wird. Ist diese Regeldifferenz

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ira am

positiv, d.h. SOLL-Wert grosser als IST-Wert, so wi Zeitgeber 21 die Pulslänge τ verlängert, wodurch sich ein höherer Ankerspannungs-Mittelwert U ergibt. Umgekehrt wird die Pulslänge τ reduziert, wenn die Regeldifferenz am Ausgang der Differenzeinheit 9 negativ wird.

Wie aus Fig. 4 sofort ersichtlich ist, eignet sich diese Regelung vorzüglich für eine Nutzbremsung. Wird nämlich an der Signalquelle 11 der SOLL-Stromwert als Führungsgrösse eingepolt, z.B. mit der Quelle 11 ein negatives Signal eingestellt, so wird, da bei negativer Regeldifferenz die Ankerspannung reduziert wird, die Gleichstrommaschine GM eine grössere Quellenspannung U als die angelegte Ankerspannung U erzeugen. Der Ankerstrom I wechselt seine Richtung, so dass die Strommessanordnung 5 ein nun negatives Ausgangssignal am Ausgang 7 erzeugt. Am Ausgang der Differenzeinheit 9 erscheint somit die Regeldifferenz (I -I).

Bei Ueberwiegen des IST-Wertes I und damit positiver Regeldifferenz wird die Ankerspannung U erhöht, wie dies bei einem positiven Signal am Steuereingang 3 der Spannungsquelle auch im Antriebsbetrieb der Fall ist. Damit verringert sich die Differenz zwischen Quellenspannung U und angelegter Ankerspannung U und der Ladestrom für die Speisequelle U wird

in diesem Fall auf den vorgegebenen SOLL-Wert reduziert. Ist die Regeldifferenz negativ, so wird die Ankerspannung reduziert, bis wiederum der geforderte Ladestrom erreicht ist. Im Bremsbetrieb bewirkt eine Reduktion der Ankerspannung eine Erhöhung des Lade- resp. Ankerstromes, umgekehrt im Antriebsbetrieb .

Die Weiterausbildung der Anordnung gemäss Fig. 5 für Bremsbetrieb ist in Fig. 6 dargestellt. Wegen des Ventil-Charakters der eingesetzten Thyristoren muss für den Bremsbetrieb ein

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zweiter Gleichstrom-Pulswandler vorgesehen sein, wobei selbstverständlich auch ein einziger Triac vorgesehen werden kann. Generell muss die gesteuerte Spannungsquelle bei Stromrichtungsumkehr in ihrem Ausgangskreis auch eine Stromrichtungsumkehr an ihrem Eingangskreis, d.h. einen Wechsel von Speisestrom auf Lade- resp. Rekuperationsstrom erwirken.

Der Ankerkreis der Gleichstrommaschine GM ist über den, dem Hauptthyristor T von Fig. 5 entsprechenden Antriebs-Haupt-

thyristor T geführt, mit der entsprechenden Löschschal-Ha

tung 13 . Letztere weist wiederum einen Löschthyristor T

et La

auf. Ueber der Speisequelle für U liegt, im Sinne mit D

S 1

eine weitere Freilaufdiode D_, worüber ein Bremshauptthyristor T , mit entsprechender Löschschaltung 13, , darin der Löschthyristor T ,,angeordnet ist. Der Ausgang der wie-

LO

derum schematisch dargestellten Differenzeinheit 9, welche, wie in Fig. 5 dargestellt, ausgebildet sein kann, führt auf den Zeitgeber 21, derart, dass eine positive Regeldifferenz eine Vergrösserung der Pulslänge τ bewirkt und umgekehrt. Die schematisch dargestellte Signalquelle 11 mit beispielsweise positivem Ausgangssignal für Antriebsbetrieb ist über einen Antriebs/Bremsschalter S im Antriebsbetrieb auf

Ad

den einen Eingang der Differenzeinheit 9 geführt. Bei diesem Betrieb sind zwei Umschalter S₁ und S^ am Ausgang der Treiberschaltungen 19 resp. 27 auf den Antriebs-Hauptthyri-

stor T resp. den Antriebs-Löschthyristor T_T geschaltet. Ha La

Durch Umschalten des Antriebs/Bremsschalters S in Bremsposition wird der Differenzeinheit 9 ein negativer SOLL-Ladestrom -I als Führungsgrösse zugeführt. Die nun er-

OB

folgende Ankerstromumkehr bewirkt ein negatives Ausgangssignal an der Messanordnung 5. Ist die Regeldifferenz am Ausgang der Differenzeinheit 9 somit positiv, entsprechend

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einem zu grossen Ladestrom -Iw so wird die Pulslänge τ am Zeitgeber 21, wie bereits beschrieben, verlängert und umgekehrt.

Mit dem Umschalten des Antriebs/Bremsschalters S in Bremsposition sind die beiden Schalter S-, und S₂ in ihre zweite, gestrichelt dargestellte Schaltposition geschaltet worden. Je länger nun in diesem Fall die Impulsbreiten τ werden, entsprechend einem zu grossen Ladestrom -Iw desto höher muss, wie erwähnt, die Ankerspannung ü gesteuert werden. Da aber der Hauptthyristor T₇₇, des Brems-Pulswandlers die Spannung

HD

über dem Ankerkreis kurzschliesst und der entsprechende Löschthyristor T , wieder öffnet, wird mit den Schaltern

Lb

S, und S- das im Antriebsbetrieb dem Hauptthyristor T zugeführte Zündsignal nun dem Löschthyristor T , zugeführt und entsprechend das im Antriebsbetrieb dem Löschthyristor T zugeführte Signal im Bremsbetrieb dem Hauptthyristor T , .

Im Bremsbetrieb kann selbstverständlich, wie dies gestrichelt dargestellt ist, auch eine verstellbare Signalquelle 11 vor-

Sl

gesehen sein, zur Vorgabe des jeweils einzuhaltenden Ladestromes und damit Bremsmomentes, wobei sichergestellt werden muss, dass der maximal zulässige Ladestrom für die Quelle U

mit -I nicht überschritten werden kann. oBmax

Um eine Richtungsumkehr des Antriebes vorzunehmen, wird vorzugsweise die Erregungsspannung U₇, resp. der Erregerstrom I_

Xj Ei

durch die Erregerwicklung E mit Hilfe eines Richtungsschalters S_ umgepolt,
κ

Da mit zunehmender Bremsung die Quellspannung U mit der Drehzahl η abnimmt, wird auch die nach dem SOLL-Ladestrom geführte Ankerspannung abnehmen und im Stillstand praktisch den Wert Null erreichen. Um nun sicherzustellen, dass der

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Richtungsumkehrschalter S_D nicht im Betrieb umgeschaltet werden kann, wird beispielsweise die Ankerspannung U einem Tiefpassfilter 31 zugeführt, dort geglättet und einer Schwellwerteinheit 33 zugeleitet, welche bei Unterschreiten eines vorgegebenen Wertes durch die Ankerspannung ein Ausgangssignal U abgibt. Erst wenn die Ankerspannung diesen Wert unterschritten hat, kann mit dem manuell betätigten Richtungsumkehrschalter S_RI die Richtungsumkehr vorgenommen werden.

Mit dieser Regelung, welche sich, wie bereits erwähnt, und insbesondere mit der Möglichkeit der Nutzbremsung für batteriebetriebene Fahrzeuge, insbesondere Grubenlokomotiven eignet, wird ein optimales Anfahr- und Bremsverhalten bis zu tiefsten Drehzahlen erreicht. Allerdings werden Drehmomentstösse gemäss der "harten" Kennlinie des Nebenschlussmotors umgedämpft an die Speisequelle für U übertragen.

Mit der als Nebenschlussmaschine geschalteten Gleichstrommaschine lässt sich nun aber eine "weiche" Kennlinie in Analogie zur Hauptschlussmaschine dadurch erzeugen, dass der Ankerstrom als Regelgrösse verwendet wird und die Erregung als Stellgrösse. Mit der Bedingung (1) und nun konstantgehaltener Ankerspannung U in (2) ergibt die partielle Ableitung des Ankerstromes nach der Drehzahl und deren Nullsetzen den Ausdruck

do)

mit C als Integrationskonstanten und dem Ansatz Φ= Φ - ΔΦ.

Die Randbedingung, dass bei der Nennerregung Φ die Nenndrehzahl η erreicht sein soll, ergibt sich für die Dreh-

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zahl der Ausdruck

η Φ _/Ί _Ί .

η ο (11)

^η ~ Φ - ΔΦ
ο

und für das Moment, bei vorgegebenem Ankerstrom I

^M = f

Die resultierende Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie ist für

verschiedene Ankerstrom-Führungsgrössen resp. SOLL-Wer-

te I in Fig. 7 qualitativ dargestellt. Bei Nenndrehzal η

,Ti C? X Xl

ergibt sich, abhängig von der Führungsgrösse das Moment

M=- pwl, Φ (13)

χ ir ^c Aox ο

Aus diesem Verlauf ist ersichtlich, dass in der Tat mit der beschriebenen Regelung eines Nebenschlussmotores eine Hauptschlusscharakteristik realisiert wird.

In Fig. 8 ist das Blockschaltbild des entsprechenden Regelkreises dargestellt. Mit der Führungsgrösse

^W - ¹AO'

der Regeldifferenz

w-x- (i_Ao
der Störgrösse

und der Störgrösse

7 - ^ü

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ergibt sich für den Ankerstrom

_T U ^(Φο-^ΜΐΑο V> (14)

^A " ^RA ^RA

Mit der Verstärkung des Reglers R

A = k

und derjenigen der Strecke

4pwn

V R

ergibt sich die bekannte Darstellung der Regelgrösse I zu:

_ _φ S ₊ U . 1 ₍₁₅₎

1+A A R 1+A A

« j _{φ +}

¹A OA 1+A A_ ο 1+A A_ R 1+A A_ ro t υ τ. ο

In Fig. 9 ist die grundsätzliche Realisierung dieses Regelkreises dargestellt. Der Ankerkreis der Gleichstrommaschine GM ist an die starre Ankerspannung U, beispielsweise an eine Batterie, geschaltet. Der Ankerstrom wird mit einer Strominessanordnung 40 abgegriffen und einer Differenzeinheit 42 zugeführt. Dieser Differenzeinheit 42 wird als Führungsgrösse ein an einer Signalquelle 44 einstellbares Signal zugeschaltet und die in der Einheit 42 gebildete Signaldifferenz steuert über einen Steuereingang 46 eine Gleichstromquelle 48 an, welche die Erregerwicklung E der Maschine speist.

Der gesteuerten Gleichstromquelle 48 ist die Speisespannung U von einer Quelle, beispielsweise von einer Batterie, zugeführt.

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Ist die erfasste Regelgrösse grosser als die Führungsgrösse, so wird z.B. das Ausgangssignal der Differenzeinheit 42 negativ, der Strom im Erregerkreis wird vergrössert. Ist, umgekehrt, die erfasste Regelgrösse kleiner als die Führungsgrösse, so wird der Erregerfluss verkleinert.

Obwohl die so geregelte Gleichstrommaschine grundsätzlich eine der Hauptschlussmaschine entsprechende Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik aufweist, kann mit ihr trotzdem ohne weiteres eine Nutzbremsung ausgeführt werden, da Erregung- und Ankerstrom dank der eigentlichen Nebenschlussbeschaltung nicht wie bei der Hauptschlussmaschine notwendigerweise gleich sind. Eine Nutzbremsung ist insbesondere bei höheren Drehzahlen ohne weiteres zu realisieren.

Wird in Fig. 9 beispielsweise bei einer angenommeaien Antriebsrichtung ein positiver Ankerstrom als Regelgrösse abgegriffen, und mit der Signalquelle 44 dann eine positive Führungsgrösse eingegeben, so bewirkt eine Polaritätsumkehr der Führungsgrösse, dass unmittelbar eine negative Regeldifferenz am Ausgang der Differenzeinheit 42 erscheint. Dadurch wird die Erregung, beispielsweise gemäss (14) erhöht, so dass die Quellspannung U = 4pwn<i> grosser als die Ankerspannung U wird. Si

Dadurch erfolgt im Ankerkreis eine Stromumkehr und der abgegriffene Ankerstrom wird negativ. Solange er betragsmässig kleiner ist als die vorgegebene Führungsgrösse, wird die Erregung weiter erhöht, bis der Ankerstrom gleich der Führungsgrösse ist, welche somit den Ladestrom für die Batterie resp. Rekuperationsstrom für die Quelle generell der Ankerspannung U festlegt. Bei abnehmender Drehzahl wird mit der Abhängigkeit zwischen Erregung und Drehzahl (11) die Quellspannung weitgehend konstant gehalten, was jedoch selbstverständlich nur bis zu einem vorgegebenen Maximalwert der Erregung möglich" ist.

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In Fig. 10a und 10b ist eine mögliche Ausbildung der Gleichstromquelle 48 gemäss Fig. 9 dargestellt. Die Differenzeinheit 42 gemäss Fig. lob ist als Differenzverstärker aufgebaut, welchem eine eintsprechend gepolte Offsetspannung -ϋ(Φ ) zur Vorgabe der Nennerregung Φ zugeschaltet ist.

In Fig. 11 ist der grundsätzliche Aufbau der Strommessanordnung 5 gemäss den Fig. 4, 5,6 resp. 40 gemäss den Fig. 9 und 10 dargestellt. Im Ankerkreis liegt ein Messwiderstand R Die, entsprechend dem Ankerstrom I abgegriffene Messspannung U₁, wird erst einem Tiefpassfilter 52 und dann einem Isolationsverstärker 54 zugeführt, derart, dass an seinem Ausgang eine ankerstrom-proportionale Spannung U(I ) auftritt, welche mit der Richtung des Ankerstromes ihr Vorzeichen wechselt.

Wie festgestellt worden ist, ergibt die Ankerstromregelung mit der Ankerspannung als Stellgrösse wohl ein ausserordentlich günstiges Anfahr- und Nutzbrems-Verhalten in unteren Drehzahlbereichen, anderseits kann eine weitere Drehzahlerhöhung damit nicht realisiert werden. Zudem wäre für das Fahrverhalten nicht eine "harte" Drehzahl/Drehmoment-Kennlinie erwünscht, sondern eine "weiche" gemäss der Charakteristik eines Hauptschlussmotors.

Auf der anderen Seite wurde die Möglichkeit aufgezeigt, mit einem Nebenschlussmotor eine Hauptschluss-Drehzahl/ Momenten-Charakteristik zu realisieren, indem der Ankerstrom mit der Erregung als Stellgrösse geregelt wird. Diese Möglichkeit ist weniger für Betrieb und die Nutzbremsung bei tieferen Drehzahlen geeignet, lässt jedoch einen Betrieb und eine Nutzbremsung in oberen Drehzahlbereichen zu und weist den für den Betrieb erwünschten "weichen" Charakteristikverlauf des Hauptschlussmotors auf.

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für den

Optimale Verhältnisse werden somit beispielsweise Antrieb von batteriegespeisten Fahrzeugen, wie Grubenlokomotiven, dadurch erreicht, dass beide Regelungen im Alternativbetrieb kombiniert eingesetzt werden. Die dadurch erlangten Drehzahl/Drehmomenten-Kennlinien sind quantitativ in Fig. 12 beispielsweise aufgezeichnet. Zum Anfahren wird die Ankerspannung so nachgeführt, dass der Ankerstrom der vorgegebenen Führungsgrösse I entspricht. Dies ergibt ein Anfahren mit konstantem Drehmoment M, so lange, bis der Nennwert U der Ankerspannung U erreicht ist, d.h. die Stellgrösse voll ausgesteuert ist. Bei beispielsweise eingezeichneter Lastkennlinie M würde nun bei konstanter voll ausgesteuerter Ankerspannung U die Drehzahl η und das Drehmoment M sich so verändern, dass die Charakteristik von Punkt P, nach Punkt P„ durchlaufen wird. Mit der immer noch konstanten Erregung gemäss den Ausführungen von Fi-, 1 bis 6 reduziert sich dabei der Ankerstrom, welcher, /ie bereits erwähnt, nicht mehr durch eine weitere Erhöuung der Ankerspannung auf seinen eingegebenen SOLL-Wert I gehalten werden kann. Setzt nun im Moment, in welchem die Ankerspannung U voll ausgesteuert ist, die zweite Regelung ein, indem von nun an der Ankerstrom durch Stellen der Erregung konstant gehalten wird, so wird eine Kennlinie gemäss Fig. 7 für den entsprechend vorgegebenen SOLL-Ankerstrom I durchlaufen, d.h. der Antrieb läuft in den Arbeitspunkt P₃. Es kann gezeigt werden, dass dabei die Tangenten im Einsetzpunkt der Ankerstrom/Erreger-Regelung desto steiler sind, je grosser der vorgegebene Ankerstrom-SOLL-Wert I gewählt wird. Für den Nutzbremsbetrieb ab P^, bei reduzierter Erregung Φ - ΔΦ wird vorerst die Erregung, wie anhand von Fig. 9 erläutert worden ist, erhöht, bis, beispielsweise im Punkt P₁, Nennerregung Φ erreicht ist. Von diesem Moment an wird, wie beispielsweise anhand von Fig.6 erläutert worden ist, die Ankerspannung U zur Konstanthaltung des vorgegebenen Ladestromes, entsprechend dem dann vorgegebenen Ankerstrom als Führungsgrösse gestellt.

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In Fig. 13 ist die Anordnung zur Ausführung der kombinierten Regelung, wie sie anhand von Fig. 12 erläutert worden ist, dargestellt. Dabei sind für die Ankerstrom/Ankerspannungsregelung die Positionszeichen von Fig. 4 übernommen und für die Ankerstrom/Erregungsregelung diejenigen von Fig. 9. Funktionseinheiten, die in der kombinierten Regelung nur einmal vorzusehen sind und je für die vorgängig beschriebenen Regelungen in den entsprechenden Figuren 4 und 9 dargestellt sind, weisen beide Positionszeichen auf. Der Erregerstrom I wird mittels einer weiteren Strommessanordnung 56, beispielsweise gemäss der in Fig. 11 dargestellten ausgebildet, erfasst und einer Schwellwerteinheit 58 zugeführt. Die Schwellwerteinheit 58 ergibt ein Ausgangssignal A, ab, sobald der Erregerstrom I_E und damit die Erregung Φ den Nennwert I„ resp. Φ erreicht.

JfciO O

Die Ankerspannung U wird ebenfalls einer Schwellwerteinheit 60 zugeführt, welche ein Ausgangssignal A- abgibt, wenn die Ankerspannung ü ihren Nennwert ü„ erreicht hat. Mit dem Signal A₂ wird ein bistabiler Multivibrator 62 gesetzt, mit dem Signal A, rückgesetzt. Bei gesetztem bistabilem Multivibrator 62 wird ein Regelungsumschalter S geschlossen und ist bei Rücksetzung wieder geöffnet.

Zum Anfahren der Maschine wird, wie dies bereits anhand von Fig. 4 beschrieben worden ist, mit der Signalquelle 11 die Führungsgrösse für den Ankerstrom vorgegeben und die gesteuerte Gleichspannungsquelle 1 so angesteuert, dass der Ankerstrom gleich der Führungsgrösse wird. Erreicht die Ankerspannung U ihren Nennwert IL,, so wird der bistabile Multivibrator 62 über die Schwellwerteinheit 60 gesetzt und der Schalter S geschlossen. Von diesem Moment an auftretende Regeldifferenzen am Ausgang der nun der Differenzeinheit 42 von Fig. 9 entsprechenden Einheit, wird diese über den geschlossenen Schalter S auf den Steuereingang 46 der gesteuerten Gleichstromquelle 48 geführt. Die an der Signalquelle 11, 44 vorge-

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gebene Führungsgrösse wird nun ohne weitere Umschaltung für die Ankerstrom/Erregungsregelung verwendet. Die Erregung wird so gestellt, dass der Ankerstrom I seiner Führungsgrösse I folgt, womit gemäss Fig. 12 einer der hyperbolischen Kennlinienäste durchlaufen wird.

Zur Einleitung einer Bremsung wird, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, die Führungsgrösse, welche der Differenzeinheit 9, 42 zugeführt wird, umgepolt, und es ergibt sich gemäss Erläuterungen zu Fig. 9 beispielsweise eine negative Regeldifferenz, welche eine Wiedererhöhung der Erregung bewirkt. Bei Einhaltung des dann mit der Signalquelle 11, 44 vorgegebenen SOLL-Ladestromes sinkt die Drehzahl der Antriebsgruppe ab, solange, bis die Erregung Φ ihren Nennwert Φ erreicht hat. In diesem Moment wird von der Ankerstrom/Erregungsregelung zurück auf die Ankerstrom/Ankerspannungsregelung geschaltet, indem die Schwellwerteinheit 58 den bistabilen Multivibrator 62 rücksetzt und der Schalter S geöffnet wird. Gemäss immer noch vorgegebenem SOLL-Wert für den Ladestrom, d.h. den rückfliessenden Ankerstrom, wird, wie dies anhand von Fig. 4 oder 6 erläutert worden ist, die Ankerspannung U mit abnehmender Drehzahl reduziert, bis die Antriebsgruppe zum Stillstand kommt.

Mit dieser kombinierten Regelung, welche sich, wie bereits erwähnt worden ist, ausgezeichnet für den Betrieb von batteriegespeisten Antriebsgruppen, insbesondere für Fahrzeuge, wie Grubenlokomotiven, eignet, wird somit im stationären Betrieb auf einem der hyperbolisch verlaufenden Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinienäste ein Fahrverhalten wie mit einem Hauptschlussmotor erreicht, wogegen Anfahren und Nutzbremsung bis zu tiefsten Drehzahlen trotzdem vorgenommen werden können. Die kombinierte Regelung ermöglicht ein Umschalten von Hauptschlusscharakteristik auf Nebenschlusscharakteristik und umgekehrt, so dass beide Charakteristiken optimal für das ge-

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wünschte Betriebsverhalten ausgenützt werden können. Durch entsprechende Wahl und Auslegung der Erregerwicklung ist es ohne weiteres möglich, den Erregerstrom mit einer Transistorschaltung zu stellen.

In Fig. 14 ist ein detailliertes Schaltschema der Anordnung mit der kombinierten Regelung dargestellt. Die Funktionseinheiten, welche denjenigen von Fig. 6 für die Ankerstrom/Ankerspannungsregelung entsprechen, sind mit denselben Positionszeichen versehen und analog diejenigen, welche der Anordnung gemäss Fig. 9 resp. 10 mit der Ankerstrom/Erregerregelung entsprechen.

Die Ankerstrom/Ankerspannungsregelung ist in Analogie zu Fig. 6 aufgebaut und braucht nicht nochmals erläutert zu werden. Als Kriterium, ob die Ankerspannung ihren Nennwert U_n erreicht, werden das Signal des Impulsgenerators 15 und das Ausgangssignal des Zeitgebers 21 in einer ODER-Schaltung 64 miteinander verknüpft. Mit steigender Pulslänge τ des Zeitgebers 21 steigt auch der Mittelwert des Ausgangssignals am ODER-Tor 64 an, bis dann, wenn die Pulslänge τ=Τ ist, der Maximalwert entsprechend der Nennankerspannung U erreicht ist. Dabei entspricht T der Pulsrepetitionsperiode am Ausgang des Generators 15. An einem Tiefpass 66 wird eine, dem Mittelwert der Ausgangsspannung des ODER-Tores 64 entsprechende Spannung U¹ (U) in Funktion der Ankerspannung U erzeugt, welche einem als Schwellwerteinheit wirkenden Komparator 60 zugeführt wird. Eine Vergleichsspannung U-, (U„) wird dem Vergleichseingang des Komparators zugeschaltet, so dass dann, wenn die Ankerspannung U ihren Nennwert U_n erreicht, ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches, wie bereits anhand von Fig. 13 erläutert worden ist, den bistabilen Multivibrator 62 setzt, und dieser, zum Wechsel der Regelung, den Schalter S_w schliesst. Die Differenzeinheit 9, 42 ist mit einem Differenzverstärker aufgebaut. Der Antriebs/

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Bremsschalter S schaltet zum Antrieb, als Signalquelle zur Vorgabe der Führungsgrösse das Potentiometer P mit positivem Signal auf die Differenzeinheiten 9, 42. Am Ausgang dieser Einheit liegt die Regeldifferenz, entsprechend

I. - I₁ an.
Ao A

Nach Schliessung des Schalters S wird diese Regeldifferenz einem weiteren Differenzverstärker 68 zugeführt, über einen entsprechend dimensionierten Regler R¹¹, welcher, gemäss eingetragenen Vorzeichen, keine Signalinversion bewirken möge. Dem Differenzverstärker 68 ist die Ausgangsspannung der Speisequelle für U zugeführt, welche z.B. gerade der Nennerregung Φ entspricht. Am Ausgang des Verstärkers 68 erscheint somit das Signal entsprechend

ϋ,~Φ - k (L - I)
Io Ao A

mit k als Verstärkung des Reglers R¹'.

Die Ausgangsspannung des Verstärkers 68 wird einer auf bekannte Art und Weise aufgebauten bipolaren Stromquelle, z.B. FET-Stromquelle, zugeführt. Entsprechend der üebertragungskennlinie der Stromquelle

ι - ^i

E 2R

fliesst ein ErregerstromI^ in eingezeichneter Richtung, solange das Signal am Ausgang des Verstärkers 68 positiv ist. Ist der Ankerstrom I grosser als I , so nimmt das Ausgangssignal des Verstärkers 68 zu, wodurch der Erregerstrom I_ vergrössert wird und gemäss (2) oder (14) der Ankerstrom rückgestellt wird. Ist anderseits der Ankerstrom I kleiner I , so wird das Ausgangssignal des Verstärkers 68

AO

kleiner und die Erregung nimmt ab.

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Wird, zur Drehrichtungsumkehr, im Stillstand mit dem Schalter S₀, gekoppelt mit den Schaltern S₁ und S_, wie bereits

R Li

anhand von Fig. 6 erläutert wurde, die Erregung umgepolt, so wird damit auch die der Nennerregung entsprechende Spannung ϋ(Φ ), welche dem Verstärker 68 zugeführt wird, umgepolt. Dabei bleiben Stromrichtung im Ankerkreis und Vorzeichen der Führungsgrösse unverändert. Somit ergibt sich

^Ul * - ^Φο - ^k(IAo - V

Ist jetzt die Regelgrösse I ^mit Bezug auf die Führungsgrös-

se I_a zu gross, so wird die negative Ausgangsspannung des Verstärkers 68 betragsmässig kleiner ,wodurch auch die Erregung abnimmt. Dies ergibt wiederum eine Zunahme des Ankerstromes, was dem geforderten Regelverhalten entspricht.

Es versteht sich von selbst, dass die dargestellten Funktionseinheiten in einer Vielzahl von Realisationsmöglichkeiten, die dem Fachmann geläufig sind, konkretisiert werden können. Als Regler R¹¹ wird vorzugsweise ein PI-Regler verwendet.

Zur Detektion, ob Stillstand erreicht ist, was bei minimaler Pulslänge am Ausgang des Zeitgebers 21 erreicht ist, wird dessen Ausgangssignal über einen Tiefpass 72 einem NuIlkomparator 74 zugeführt, welcher über das bereits anhand von Fig. 6 erläuterte UND-Tor 76 die Richtungsumkehrschaltung mit Hilfe des Schalters S_, freigibt.

Eine Gleichspannungsquelle, welche einem Verbraucher über eine Gleichstrompulswandlerschaltung Leistung zuführt, wird pulsierend beansprucht. Dies gilt z.B. für die Ankerspeisungsquelle U_c gemäss Fig. 6 und Fig. 14, sowohl im Antriebs- wie auch im Bremsbetrieb. Des öftern werden nun an eine und die-

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selbe Gleichspannungsquelle zwei oder mehr Verbraucher geschaltet, welche je an einem Gleichstrompulswander arbeiten. Um in einem solchen Fall die Speisequelle gleichmässig zu belasten, werden die den Verbrauchern zugeordneten Pulswandler zeitlich gestaffelt betrieben.

In Fig. 15 ist der Impulszug Z,, welcher einen Gleichstrompulswandler ansteuert, mit einer Pulslänge τ bei einer PuIsrepetitionsperiode T dargestellt. Der Impulszug Z₂ stellt nun die optimale Staffelung für die Ansteuerung eines zweiten Gleichstrompulswandlers aus derselben Quelle dar, wobei in diesem Fall beide Verbraucher mit der gleichen Pulslänge τ betrieben werden.

Die Darstellung B(t) zeigt den Verlauf der Quellenbelastung, welche zwischen den Belastungswerten für einen Verbraucher und zwei Verbraucher schwankt. Die Quelle wird wesentlich gleichmässiger belastet, wenn dazu im Vergleich die gestrichelt eingezeichnete Belastung betrachtet wird, welche eintritt, wenn beide Verbraucher zeitlich synchron betrieben werden.

In Fig. 15b ist die gleiche Darstellung aufgezeigt, wobei jedoch die beiden Verbraucher entsprechend den Impulszügen Z. und Z- unterschiedlich betrieben werden und entsprechend Pulslängen τ, und t„ vorliegen. Bei zeit-synchroner Ansteuerung gemäss der gestrichelten Darstellung ergäbe sich wiederum eine wesentlich höhere Belastungsschwankung B(t).

Die optimale Phasenverschiebung zwischen den Impulszügen für zwei Verbraucher ergibt sich zu:

Ti T T-T . .a U) J- . ι ί X ^ + 4

^r12 2 2 2 2 2

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Sie ist dann erreicht, wenn unabhängig von den Pulslängen die Zeitpunkte, an welchen die Impulse ihre Halbzeit τ/

T durchlaufen haben, sich in gleichen Abständen von -z folgen. Dies führt, unter Berücksichtigung der veränderlichen Impulslängen, auf den obigen Ausdruck für die Phasenverschiebung.

Sind nun drei Verbraucher vorgesehen, so ergibt sich aus Analogieschlüssen für die optimale Phasenverschiebung zwischen einem Impulszug Z₁ für den ersten Verbraucher und einem Impulszug Z_ für einen zweiten:

4. 1 _ Il - ^τι " ^τ2 . τ

32 2⁺3

Entsprechend ergibt sich für die Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dritten Impulszug Z₁ resp. Z :

2T ⁺3

Für mehr als drei Verbraucher lässt sich für die jeweils opti male Phasenverschiebung zwischen einem Bezugsimpulszug eines ersten Verbrauchers Z und einem Impulszug Z eines weiteren Verbrauchers die Relation

£ _T .
Ti

angeben, wobei η die Gesamtanzahl vorgesehener Verbraucher bezeichnet.

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2934318

In Fig. 16 ist das Blockschaltbild einer Anordnung zur Einstellung der optimalen Phasenverschiebung zwischen zwei Impulszügen für die Ansteuerung zweier an derselben Gleichspannungsquelle U ^mit Pulswandlern betriebener Verbraucher.

Die Verbraucher 81 und 83 können beispielsweise, wie bereits vorgängig beschrieben wurde, Gleichstrommaschinen mit Thyristor-Gleichstrompulswandlern sein, d.h. je mit einem Hauptthyristor T„ und einem Löschthyristor T sowie entsprechend

π L

zugehörigen Schaltelementen. Selbstverständlich können auch Gleichstrommaschinen als Verbraucher 81 resp. 83 je mit Antriebs- und Bremsgleichstrompulswandlern und entsprechenden Thyristoren die Verbraucher bilden.

Der Gleichstrompulswandler des Verbrauchers 81 wird über einen Impulsgenerator 85 angesteuert, wobei beispielsweise ein monostabiler Multivibrator bei jeder aufsteigenden Impulsflanke einen Zündimpuls an den Hauptthyristor T abgibt.

Bei dieser Schaltflanke des Impulszuges mit der Frequenz fo wird ein Zeitgeber 87 ausgelöst und gibt einen Impuls einstellbarer Impulslänge T₁ ab. Auf die abfallende Schaltflanke des vom Zeitgeber 87 abgegebenen Impulses wird beispielsweise über einen weiteren monostabilen Multivibrator 88 ein Zündimpuls an den Löschthyristor T des Gleichstrompulswandlers

Xj

am Verbraucher 81 geleitet.

Die Pulslänge τ, wird vorzugsweise mit Hilfe einer Steuerspannung U₁ am Steuereingang 89 des Zeitgebers 87 festgelegt. Zu diesem Zweck ist dieser Anschluss auf eine einstellbare Signalquelle 91 geführt.

Der Ausgang des Generators 85 ist weiter auf einen Bandpass 93 geführt, mit einer Mittenfrequenz fo, also gleich

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der Pulsrepetitionsfrequenz des vom Generator 85 abgegebenen Impulszuges. Das Ausgangssignal des Bandpassfilters 93 wird einem Phasenschieber 95 zugeführt, welcher vorzugsweise als Allpassfilter ausgebildet ist und, mit einem Steuereingang versehen, vorzugsweise mit einer Steuerspannung angesteuert werden kann. Mit der Steuerspannung U₀^ am Steuereingang 97 kann die Phasenverschiebung τ zwischen Eingang und Ausgang des Phasenschiebers 95 eingestellt werden. Das derart phasenverschobene Ausgangssignal des Phasenschiebers 95 wird, zur Rückgewinnung eines Pulszuges, beispielsweise einem Schmittrigger 98 zugeführt, dessen Ausgang über einen monostabilen Multivibrator 100 bei aufsteigender Impulsflanke einen Zündimpuls an den Hauptthyristor T des Verbrauchers 83 leitet

und den diesem Verbraucher zugeordneten Zeitgeber 99 ansteuert. Mit der Signalquelle 101 wird eine weitere Steuerspannung U₀ eingestellt, welche dem Steuereingang 103 des Zeitgebers 99 zugeführt wird und dessen Ausgangsimpulslänge x„ festlegt. Auf die abfallende Flanke des vom Zeitgeber 99 abgegebenen Impulses wird über einen monostabilen Multivibrator 102 ein Zündimpuls an den Löschthyristor T des Verbrauchers 83

abgegeben.

Gilt für die Steuerspannungen U₁ und U₂

^üsi

und für eine konstante Offsetspannung U

u_T - kT = k - i_o,

so ist ersichtlich, dass am Ausgang einer Differenzeinheit 105, welcher die beiden Steuerspannungen U und U zuge-

SX SZ

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führt sind, ein Signal entsprechend den Pulslängenunterschieden τ, - t„ erscheint, welche an einer üeberlagerungseinheit 107 um einen konstanten Wert entsprechend der Impulsrepetitionsperiode des Generators 85 vergrössert wird. Der Ausgang der Ueberlagerungseinheit 107 wird an einem Verstärker 109 gewichtet, dessen Ausgangssignal als Steuerspannung dem Steuereingang 97 des Phasenschiebers 95 zugeführt wird.

Damit wird erreicht, dass unabhängig von den eingestellten Pulslängen τ, und τ« eine für die Speisequelle U optimale Belastung erreicht wird. Sind τ und r_o gleich und damit für die Ansteuerung der beiden Zeitgeber 89 und 99 nur eine Steuersignalquelle notwendig, so wird an den Steuereingang des Phasenschiebers 95 eine feste Spannung entsprechend der Pulsrepetitionsperiode des vom Generator 85 abgegebenen Impulszuges angelegt. Bei extern spannungsgesteuerter Frequenz fo am Generator 85 versteht es sich von selbst, dass man vorzugsweise die Frequenzsteuerspannung als U verwendet.

Diese Steuerung kann auch für mehr als zwei Verbraucher erweitert werden, wobei gemäss (16) Gewichtungen für die Ansteuerung der vorzusehenden Phasenschieber einzuführen sind.

Die anhand der Fig. 15 und 16 beschriebene Betriebsweise für von der gleichen Gleichspannungsquelle betriebene Verbraucher mit Pulswandlern, eignet sich insbesondere für den Betrieb von Gleichstrommaschinen, wie an batteriebetriebenen Fahrzeugen, z.B. an Grubenlokomotiven, welche vorzugsweise zudem eine Ankerstrom/Ankerspannung- oder, kombiniert, eine Ankerstrom/Ankerspannung- und Ankerstrom/Erregungs-Regelung, wie sie beschrieben worden sind, aufweisen.

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Claims

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SIG Schweizerische Industrie-Gese] l;;cnait _ „ _r

2 9 v3 4 J Ib

Patentanspr ü r

L. ■ Verfahren zum Betrieb eines GI >--i iM.stromraoto: :;, dadurch gekennzeichnet, dass man den Ankern! η >i:i als Hegt-· 1 .grOsse v«.-rwendet und die Ankerspannung als SLeIi iröasu.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, das:; man den Bremsbetrieb mit einer Führunv-grösse steuert.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch qekennze i./lnui: , dass man für den AntriebsbetrJ eb eine Führungsgrösse diesseits eines Festwertes vorgibt und für den Hr^msbetr ie;· j en se i t :;, und vorzugsweise als Festwert den NulLvert wählt.
4. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Ankerstromkreis eine Strornmessanordnung (5, 52, 54) vorgesehen ist, deren Ausgang auf den einen Eingang einer Differenzeinheit (9) geführt ist, deren zweitem Eingang eine einstellbare Signalquelle (11, 11 ) zugeschaltet ist, und dass im Ankerkreis eine steuer-

bare Gleichspannungsquelle (1) mit einem Steuereingang (3, 3a, 3b) angeordnet ist, wobei der Ausgang der Differenzeinheit (9) mit dem Steuereingang (3, 3a, 3b) der Gleichspannungsquelle (1) verbunden ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (1) ein Gleichstrompulswandler (T / T) ist, und dass eine Impulslängen-Steuerschaltung

η J-·

(15, 17, 21, 25) vorgesehen ist mit einem Impulslängen-Steuereingang (23) , wobei der Ausgang der Differenzeinheit,

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BAD ORIGINAL

(9) mit diesem Eingang (23) verbunden ist.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (1) eingangsseitig an eine Speiseeinheit (U ) angeschlossen ist, und dass die Quelle (1) so ausgebildet ist, dass eine Stromrichtungsumkehr in ihrem Ausgangskreis (I) eine Stromrichtungsumkehr an ihrem Eingang bewirkt.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (1) für beide Stromrichtungen im Ankerkreis einen Gleichstrompulswandler ^(THa' ^TLa^{; T}Hb' ^TLb⁾ "»»fasst.
8. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalquelle (11) zur Abgabe von Signalen beidseits eines ersten Festwertes, vorzugsweise des Nullwertes, ausgebildet ist und die Quelle (11) mindestens für die Signale auf einer Seite dieses Festwertes verstellbar ist, und dass die Strommessanordnung (5, 52, 54) für Ströme unterschiedlicher Richtung ein Ausgangssignal diesseits resp. jenseits eines zweiten Festwertes, vorzugsweise des Nullwertes, abgibt.
9. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Erregerkreis eine in ihrer Polarität umschaltbare Quelle (U„) für den Erregerstrom (I_) vorgesehen ist.

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10. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für batteriebetriebene Fahrzeuge, insbesondere Grubenlokomotiven.

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11. Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrommotors, dadurch gekennzeichnet, dass man den Ankerstrom als Regelgrösse verwendet und die Erregung als Stellgrösse.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man die Erregung im Antriebsbetrieb, ausgehend von einem vorgegebenen Wert (Φ ) bei einem mit zunehmender Drehzahl (n) tendenziell abnehmendem Ankerstrom (I) verringert und umgekehrt, zur Stellung der Regelgrösse auf eine vorgegebene Führungsgrösse.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man für den Antriebsbetrieb eine Führungsgrösse diesseits eines Festwertes, vorzugsweise des Nullwertes, für den Bremsbetrieb jenseits davon vorgibt.
14. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Ankerkreis eine Strommessanordnung (40, 52, 54) vorgesehen ist, welche mit dem einen Eingang einer Differenzeinheit (42) verbunden ist, während deren anderer Eingang auf eine einstellbare Signalquelle (44) geführt ist, und dass der Ausgang der Differenzeinheit (42) auf einen Steuereingang einer Gleichstromquelle (48, 50) geführt ist, deren Ausgangsstromkreis der Erregerkreis ist.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle eine Transistor- oder FET-Stromquelle (50, 48) ist.
16. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalquelle (44) zur Abgabe von Signalen beidseits eines ersten Festwertes, vorzugsweise des Nullwertes, ausgebildet ist und die Quelle (44) mindestens für die Signale auf einer Seite des Festwertes verstellbar ist, und dass die Strommessanordnung (40) für Ströme unterschiedlicher Richtung ein Ausgangssignal diesseits resp. jenseits eines zweiten Festwertes, vorzugsweise des Nullwertes, abgibt.

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17. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (48) umschaltbar für beide Ausgangsstromrichtungen ausgebildet ist.
18. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgang der Differenzeinheit (42) mittels einer Ueberlagerungseinheit, (z.B. an 42) ein Offsetsignal (U(Φ_ο)) überlagert ist.
19. Anordnung nach den Ansprüchen 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarität des Offsetsignals von Umschaltorganen (S_n) für die Richtung des Stromquellen-Ausgangs-Stromes gesteuert ist.
20. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 11 für batteriegetriebene Fahrzeuge, insbesondere für Grubenlokomotiven.
21. Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrommotors, dadurch gekennzeichnet, dass man unterhalb einer vorgegebenen Ankerspannung den Ankerstrom als Regelgrösse und die Ankerspannung als Stellgrösse verwendet und bei Aussteuerung dieser Stellgrösse auf den vorgegebenen Wert den Ankerstrom als Regelgrösse und die Erregung als Stellgrösse verwendet.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass man den Bremsbetrieb mit einer Führungsgrösse steuert.

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23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass man für den Antriebsbetrieb eine Führungsgrösse diesseits eines Festwertes, vorzugsweise des Nullwertes, vorgibt und für den Bremsbetrieb jenseits.
24. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass man beim Anfahren das Erreichen des vorgegebenen Wertes (U ) der Stellgrösse detektiert, dann die Regeldifferenz zur Stellung der Erregung umschaltet und im Bremsbetrieb das Erreichen eines vorgegebenen Erregungswertes detektiert und dann die Regeldifferenz wieder zur Stellung der Ankerspannung umschaltet.
25. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Ankerstromkreis eine Strommessanordnung (5, 52, 54) vorgesehen ist, deren Ausgang auf den einen Eingang einer Differenzeinheit (9, 42) geführt ist, deren zweitem Eingang eine einstellbare Signalquelle (11, 44) zugeschaltet ist, und dass im Ankerkreis eine steuerbare Gleichspannungsquelle (1; T , T ; T , , T , )

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mit einem Steuereingang (3, 3a, 3b) angeordnet ist, dass weiter eine steuerbare Gleichstromquelle (48) vorgesehen ist, deren AusgangsStromkreis der Erregerkreis ist, wobei der Ausgang der Differenzeinheit (9, 42) mit dem Steuereingang der steuerbaren Gleichspannungsquelle und/oder mit dem Steuereingang der steuerbaren Gleichstromquelle verbindbar ist.
26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle ein Gleichstroinpulswandler ist, und dass eine Impulslängen-Steuerschaltung (15, 17, 21, 25) vorgesehen ist, mit einem Impulslängen-Steuereingang (23), wobei der Ausgang der Differenzeinheit (9, 42) mit diesem Eingang (23) verbunden ist.

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27. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle eingangsseitig an eine Speiseeinheit (U₀) angeschlossen ist, und dass die Quelle so ausgebildet ist, dass eine Stromrichtungsumkehr in ihrem Ausgangäkrfeis (I) eine Stromrichtungsumkehr an ihrem Eingang bewirkt.
28. Anordnung nach den Ansprüchen 26 und 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (1) für beide Stromrichtungen im Ankerkreis einen Gleichstrompulswandler (T ,

^TLa^{; T}Hb' ^TLb^{) umfasst}·
29. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalquelle (11, 44) zur Abgabe von Signalen beidseits eines ersten Festwertes, vorzugsweise des Nullwertes, ausgebildet ist und die Quelle (11, 44) mindestens für die Signale auf einer Seite dieses Festwertes der einen Polarität verstellbar ist, und dass die Strommessanordnung (15) für Ströme unterschiedlicher Richtung ein Ausgangssignal diesseits resp. jenseits eines zweiten Festwertes, vorzugsweise des Nullwertes, abgibt.
30. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass im Erregerstromkreis eine Strommessanordnung (56) vorgesehen ist und im Ankerkreis eine Spannungsmessanordnung (64, 66), und dass der Ausgang der Spannungsmessanordnung auf erste schwellwertsensitive Mittel (60, 60a) geführt ist, der Ausgang der Strommessanordnung auf zweite (58, 58a), und dass der Ausgang der Differenzeinheit (9, 42) über steuerbare Schaltorgane (S ) auf den Steuereingang der Gleichspannungsquelle (1; T„, T_) und/oder den Steuereingang der Gleichstromquelle (48) schaltbar ist, wobei die Schaltorgane (S ) durch die Ausgänge der beiden schwellwertsensitiven Mittel (60, 60a; 58, 58a) angesteuert sind.

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31. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle eine Transistor- oder FET-StromquelIe ist.
32. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle umschaltbar für beide Ausgangsstromrichtungen ausgebildet ist.
33. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuereingang der Stromquelle (48) eine Ueberiagerungseinheit (68) vorgeschaltet ist, welcher ein Offsetsignal

(U (Φ )) und der Ausgang der Differenzeinheit (19, 42) zuführbar ist.
34. Anordnung nach den Ansprüchen 32 und 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarität des Offsetsignals von Umachaltorganen (S_) für die Richtung des Stromquellen-Aus^nngsstro-

mes gesteuert ist.
35. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 25 für batteriegetriebene Fahrzeuge, insbesondere für Grubenlokomotiven.
36. Verfahren zur Verringerung der Belastungspulsation einer Speisequelle für mindestens zwei,mittels Gleichstrompulswandlern betriebene Verbraucher, welche durch Impulszüge gleicher Repetitionsfrequenz (fo) angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass man die Phasenverschiebung (V, A¹C) der Impulszüge (Z₁, Z) gegenseitig derart wählt, dass sich die Zeitpunkte, an welchen je die halbe Länge (y~/ T^) ^^er entsprechenden Impulse verstrichen sind, über alle Impulszüge betrachtet,

T
in gleichen Zeitabständen — folgen.

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37. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 35 zusammen mit den Verfahren nach Anspruch 1 oder 11 oder 21.
38. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerschaltung (u.a. 87, 93, 95, 98, 99) vorgesehen ist, mit mindestens einem Eingang für einen Bezugsimpulszug (fo) und Ausgängen (von 100, 102) für diesbezüglich phasenverschobene Impulszüge, und dass die Steuerschaltung mindestens einen steuerbaren Phasenschieber (95) umfasst.
39. Verfahren oder Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-38 oder nach einem oder mehreren der in den Figuren dargestellten und/oder beschriebenen Merkmalen.

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