DE3345947A1

DE3345947A1 - Verfahren und anordnung zum kommutieren des steuerthyristors eines nebenschlussmotors

Info

Publication number: DE3345947A1
Application number: DE19833345947
Authority: DE
Inventors: Charles Edward Roanoke Va. Konrad
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-12-27
Filing date: 1983-12-20
Publication date: 1984-06-28
Also published as: FR2538631B1; FR2538631A1; US4443744A; GB8333349D0; DE3345947C2; JPS6232720B2; GB2133229B; GB2133229A; JPS59139888A

Description

5» 9239-21IY-O2458

GENERAL ELECTRIC COMPANY

Verfahren und Anordnung zum Kommutieren des Steuerthyristors eines Nebenschlußmotors

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Steuerschaltungen für Gleichstromfahrmotoren, wie sie bei dem Antrieb eines Elektrofahrzeuges verwendet werden, und betrifft insbesondere Steuerschaltungen, in denen es notwendig ist, einen Thyristor, der die an den Fahrmotor abgegebene Leistung steuert, periodisch zu kommutieren.

Der elektrische Gleichstrommotor, der meistens beim Antrieb eines Elektrofahrzeuges benutzt wird, ist der Reihenschlußmotor. Es gibt jedoch in jüngerer Zeit ein beträchtliches Interesse an der Verwendung des Nebenschlußmotors (der häufig auch als fremderregter Motor bezeichnet wird) für diese Zwecke.

Für beide Motortypen ist es selbstverständlich bekannt, die Motorleistung (d.h. Drehzahl und Drehmoment) einzustellen, indem Festkörperthyristorvorrichtungen in einer Zerhackerschaltung benutzt werden, so daß Veränderungen im Tastverhältnis des gesteuerten Thyristors die an den Motor abgegebene Gesamtleistung bestimmen. Üblicherweise werden die Thyristoren mit einer Periode, die durch eine Steuerschaltung bestimmt wird, welche auf die Relativposition eines Fahrpedals anspricht, in den Durchlaßzustand geschaltet.

Es ist für Thyristoren charakteristisch, daß sie, wenn sie in den Durchlaßzustand geschaltet worden sind, in diesem Zustand bleiben, bis eine Null- oder umgekehrte Polarität zwischen Anode und Katode angelegt worden ist, d.h. die Durchschaltung durch die Steuerschaltung unwirksam wird. Bei einer Fahrmotorsteuerung wird zum Ausschalten oder Kommutieren des Hauptleistungssteuerthyristors ein Kommutierungskondensator, der eine für den Thyristor umgekehrte Spannung gespeichert hat, zu geeigneter Zeit angeschlossen, so daß die umgekehrte Polarität den Thyristor nichtleitend macht. Typisch wird ein zweiter Steuerthyristor in den Durchlaßzustand geschaltet, um den Kommutierungskondensator zu entladen und die Kommutierung des Hauptthyristors vorzunehmen. Wenn das bei der Steuerung eines Nebenschlußfahrmotors gemacht wird, ergibt sich jedoch in einigen Fällen ein besonderes Kommutierungsproblem bei der Änderung der Betriebsart des Fahrmotors.

Der Fahrmotor eines Elektrofahrzeuges kann entweder im Motorbetrieb, in der er das Fahrzeug antreibt, oder im Bremsbetrieb, in der das Fahrzeug verzögert wird, betrieben werden. Das Bremsen erfolgt im allgemeinen elektrisch durch Umkehren der Drehrichtung des Motors durch

geeignete Betätigung des Fahrpedals. Bei einem Nebenschlußmotor hat es sich jedoch gezeigt, daß ein Kommutierungsausfall immer dann erfolgen kann, wenn der Motor aus dem Bremsbetrieb in den Motorbetrieb umgeschaltet wird, insbesondere in Zeitpunkten, in denen der dem Bremsbetrieb vorangehende Motorbetrieb durch hohe Drehzahl und niedriges Drehmoment gekennzeichnet ist.

Ein Kommutierungsausfall ergibt sich in diesem Fall als Ergebnis der Tatsache, daß die auf dem Kommutierungskondensator während des Motorbetriebes gespeicherte Ladung nicht ausreicht, um den relativ hohen Strom, der aus dem Bremsbetrieb resultiert, zu kommutieren. Wenn ein Kommutierungsausfall auftritt, muß ein Netzschütz oder eine andere Vorrichtung den Stromkreis unterbrechen, um den Fehler zu beseitigen, und dann für den normalen Betrieb wieder schließen. Das verursacht eine unerwünschte Diskontinuität im Abbremsen eines Fahrzeuges und führt zu einer frühen Schädigung der Schützkontakte.

Es könnten zwar Vorkehrungen getroffen werden, um das Durchschalten des gesteuerten Thyristors zu verzögern, bis der Bremsstrom auf einen Wert abgenommen hat, bei dem die Kommutierung gewährleistet werden kann,' das führt jedoch zu einer beträchtlichen Diskontinuität im Abbremsprofil, durch die ein Driftgefühl in den Handhabungseigenschaften des Fahrzeuges erzeugt wird.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine Kommutierungsschaltung und ein Verfahren zum Betreiben derselben zu schaffen, durch die erreicht wird, daß die Kommutierungskondensatorladung dem in dem Motoranker tatsächlich fliessenden Bremsstrom folgt, so daß der Übergang vom Bremsbetrieb auf den Motorbetrieb bei jedem Stromwert erfolgen kann, ohne daß die Gefahr eines Kommutierungsversagens besteht.

-Jf-

g.

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Anordnung, die bewirken, daß die Ladung auf einem Kommutierungskondensator dem Ankerstrom eines fremderregten Motors folgt, und zwar ungeachtet der Betriebsart des Motors. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kommutierungsschaltung vorgesehen, die einen Kommutierungskondensator, einen Ladungsumkehrthyristor und einen Kommutierungsthyristor hat und so aufgebaut ist, daß beim sequentiellen Durchschalten des Ladungsumkehrthyristors und des Kommutierungsthyristors ein Hauptsteuerthyristor mit einer Ladung ausreichender Größe, die in dem Kondensator gespeichert ist, kommutiert wird. Die Thyristoren der Kommutierungsschaltung werden gemäß der Betriebsart des Motors durchgeschaltet; daher ist ein= Einrichtung oder ein Verfahrerisschritt _2um Abfühlen der Motorbetriebsart vorgesehen. Im Bremsbetrieb ist der Hauptthyristor gesperrt, während der Ladungsumkehr- und der Kommutierungsthyristor abwechselnd sequentiell durchgeschaltet werden, so daß die Kommutierungskondensatorladung jederzeit zu dem Bremsstrom proportional ist. Bei der Wiederaufnahme des Motorbetriebes ist gewährleistet, daß die Kondensatorladung ausreicht, um ein Kommutierungsversagen zu verhindern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung einer

bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem Nebenschlußmotor bei einem batteriebetriebenen Fahrzeug,

Fig. 2 die Kommutierungsstromunter-

brechungseigenschaften der

BAD ORiGSSSSAL

Schaltung nach Fig. 1 in Abhängigkeit von dem Spitzenstrom aus einem vorherigen Kommutierungszyklus,

Fig. 3 eine Darstellung des Anker- und

des Kommutierungskondensatorstromflusses, die gemäß der Erfindung erzielt werden,

Fig. 4 ein Flußdiagramm eines Ausfüh

rungsprogramms zum Ausführen der Erfindung in Verbindung mit einem Regler auf Mikroprozessorbasis gemäß der Darstellung in Fig. 1 und

Fig. 5 ein Logikflußdiagramm, das Lo

gikfunktionen der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Es wird hilfreich sein, zuerst den normalen Kommutierungsvorgang der Steuerschaltung nach Fig. 1 zu beschreiben, bevor der Vorgang beschrieben wird, durch den bewirkt wird, daß die Kommutierungskondensatorladung der Größe des Ankerbremsstroms folgt.

Gemäß Fig. 1 wird ein fremderregter Motor, der einen Anker 16 und eine Feldwicklung 17 hat, über einen Hauptthyristor 14 aus einer Batterie 10 gespeist, die eine Eigen- oder Quelleninduktivität 12 in Reihe zu den Batterieklemmen hat. Die Stromzufuhr zu dem Anker 16 wird dadurch gesteuert, daß der Hauptthyristor 14 periodisch ein- und ausgeschaltet wird, so daß das Verhältnis der EIN-Zeit zur AUS-Zeit

den effektiven Wert der Spannung bestimmt, die an den Anker 16 angelegt wird. Während der Sperrperioden des Hauptthyristors 14 wird der Strom in der Ankerwicklung 16 durch eine Freilaufdiode 18 aufrechterhalten. Zum Erleichtern des Verständnisses der Erfindung und ihrer Arbeitsweise ist der Anker 16 mit einer effektiven Ankerinduktivität 28 und einem effektiven Reihenwiderstand 30 in Reihe mit einem Gegen-EMK-Generator 32 dargestellt.

Ein Kommutierungskondensator 26, ein Kommutierungsthyristor 20, ein Ladungsumkehrthyristor 22 und eine Drossel 24 bilden eine Kommutierungsschaltung zum Kommutieren oder Ausschalten des Hauptthyristors 14. Die an die Steuerelektroden der Thyristoren 14, 20 und 22 angelegten Steuersignale werden von einem Regler 35 auf Mikroprozessorbasis (der im folgenden ausführlicher beschrieben ist) geliefert und stehen in einer Frequenzbeziehung zu der Position des Fahrzeugfahrpedals 37.

Die Motorfeldwicklung 17 wird freirtderregt, und zwar ebenfalls aus der Batterie 10. Die Größe des Stroms in der Feldwicklung 17 wird durch einen Transistor 39 über einen Feldsteller 41 so eingestellt, wie es der Mikroprozessor-Regler 35 verlangt; die Richtung des Felderregerstroms wird durch die Relativposition (d.h. offen oder geschlossen) von Relaiskontakten F-, F^, R₁ und R^ bestimmt, welche sich durch die Stellung eines Vorwärts/Rückwärts-Schalters 4 3 ergibt, der über den Mikroprozessor-Regler 35 wirksam ist. Stellglieder für die Vorwärts/Rückwärts-Relais sind nicht besonders dargestellt. Eine Diode 40 ist zu dem Transistor 39 parallel geschaltet und dient zum Schutz des Transistors 39 vor übergroßen Rückwärtsspannungen. Eine Freilaufdiode 42 ist auf herkömmliche Weise zu dem Feldwicklungskreis parallel geschaltet. Eine Sperrdiode

BAD ORIGINAL

- r -JJ.

44 verhindert, daß die Dioden 40 und 42 während eines Kommutierungszyklus Strom aus der Quelleninduktivität 12 wegleiten. Der Nutzen der Diode 44 wird aus der folgenden Beschreibung noch deutlicher.

In einem typischen Betriebszyklus wird der Kommutierungskondensator 26 am oberen Belag (d.h. demjenigen Belag, der mit der Anode des Thyristors 14 verbunden ist) positiv und am unteren Belag negativ aufgeladen. Durch Durchschalten des Hauptthyristors 14 wird ein Zyklus eingeleitet. Der Strom in dem Anker 16 steigt sofort auf den Stromwert an, der durch die Freilaufdiode 18 in dem Zeitpunkt geführt wurde, in welchem der Hauptthyristor 14 durchgeschaltet wurde. Der Ankerstrom steigt dann in Abhängigkeit von der Spannung der Batterie 10, der Ankerinduktivität 28 und dem Widerstand 30 linear an.

Für den Kommutierungsvorgang muß die auf dem Kommutierungskondensator 26 gespeicherte Spannung in der Polarität umgekehrt und dann direkt an den Hauptthyristor 14 angelegt werden, indem der Thyristor 20 in den Durchlaßzustand geschaltet wird. Der Ladungsumkehrvorgang wird durch Durchschalten des Ladungsumkehrthyristors 22 eingeleitet, während der Kommutierungsthyristor 20 im Sperrzustand ist. Der Betrieb der Ladungsumkehrdrossel 24 und des Kommutierungskondensators 26 ergibt dann die Umkehr der Spannung an dem Kommutierungskondensator 26. Nachdem der Kondensator 26 umgekehrt aufgeladen worden ist (d.h. am unteren Belag positiv und am oberen Belag negativ ist), wird die Verringerung des umgekehrten Potentials durch den Sperrzustand des Kommutierungsthyristors 20 und durch die Fähigkeit des Ladungsumkehrthyristors 22, den Stromfluß in der umgekehrten Richtung zu sperren, verhindert. Wenn die umgekehrte Ladung auf dem Kommutierungskondensator 26 vorhanden ist, wird der Kor.-mutierungsthyristor 20 in den Durchlaßzustand geschaltet,

wodurch der Kondensator 26 effektiv mit dem Hauptthyristor 14 verbunden wird, an diesen eine umgekehrte Spannung anlegt und ihn in den Sperrzustand bringt. Der Ankerstrom wird dadurch kommutiert.

Während des Kommutierungsteils des Zyklus, während welchem der Kommutierungsthyristor 20 leitend ist, ist die Spannung an dem Kommutierungskondensator 26 so gerichtet, daß sie sich zu der Batteriespannung addiert. Es gibt daher einen vorübergehenden Anstieg des Ankerstroms am Beginn des Kommutierungsvorganges. Dieser Stromfluß geht von der Batterie 10 über die Quelleninduktivität 12, den Kommutierungskondensator 26, den Kommutierungsthyristor 20 und den Anker 16 zurück zu der Batterie 10. Dieser Strom steigt an, bis die Spannung an dem Kondensator durch null geht. Es erfolgt dann ein Überschwingen aufgrund der Induktivitäten des Stromkreises (d.h. der Ankerinduktivität 28 und der Quelleninduktivität 12), und der Kommutierungskondensator 26 beginnt, sich erneut aufzuladen, so daß der obere Belag positiv wird. Die Spannung an dem Kondensator 26 erreicht die Batteriespannung und steigt dann etwas über diese hinaus an. Das ergibt eine Vorwärtsvorspannung an der Freilaufdiode 18, wodurch diese leitend wird und dadurch den Anker 16 effektiv von der oben beschriebenen Reihenschaltung trennt.

An diesem Punkt wird die in der Quelleninduktivität 12 gespeicherte Energie zurückgewonnen, um die Ladung.des Kondensators 26 zu erhöhen und an diesem eine Spannung

t zu erzeugen, die um einen gewissen Wert höher ist als die Batteriespannung. Der Spitzenwert dieser Spannung V-,, ist gegeben durch:

^VPK ⁼ ^K1± ¹PK⁺^ (1)

wobei L der Wert der Quelleninduktivität, C die Kommutierungskapazität,
V_R die Batteriespannung,

I der Ankerstrom in dem Zeitpunkt, in welchem die Freilaufdiode 18 zu leiten beginnt, und K eine Proportionalitätskonstante ist, mit der der verteilte Widerstand in der Schaltung berücksichtigt wird. Die Erfahrung hat gezeigt, daß K zahlenmäßig etwa gleich 0,95 ist.

Im Anschluß an den oben beschriebenen Vorgang zum Umkehren der Spannung an dem Kondensator 26 beträgt die umgekehrte Spannung etwa 95 % der Vorwärtsspitzenspannung. Das heißt,

^VPKR = °'^95VPK ⁽²⁾

Das ist der Wert der umgekehrten Spannung, die dann an dem Kondensator 26 zur Kommutierung des Hauptthyristors 14 vorhanden ist.

Die Größe des Stroms I_TNT/ den die Kommutierungsschaltung unterbrechen kann, ist zu der Größe des Kondensators 26 und zu dem Spitzenwert der umgekehrten Spannung V an dem Kondensator 26 proportional und zu der Ausschaltzeit At des Hauptthyristors 14 umgekehrt proportional. Das heißt, I_INT = C I_pKR ₍₃₎

At

Durch Kombinieren der Gleichungen (1), (2) und (3) kann eine Beziehung für das Ankerstromkommutierungsvermögen gewonnen werden. Fig. 2 zeigt ein Diagramm des Stromunterbrechungsvermögens bezüglich des Spitzenankerstroms für ein Beispiel einer Steuerschaltung, in der L gleich 3 μΗ, C gleich 135 \iF, At gleich 15 us und V_ß gleich 24 V

ist. Als wichtig anzumerken ist, daß, wenn der Strom ansteigt, der Schaltungsbetrieb die Möglichkeit bietet, bei dem nächsten Zyklus einen noch höheren Strom zu kommutieren. Zum Beispiel ist aus Fig. 2 zu erkennen, daß, wenn der bei einem Impuls kommutierte Strom 400 A beträgt, bei dem nächsten Impuls, die Möglichkeit besteht, etwa 700 A zu kommutieren. In der Schaltung nach Fig. 1 folgt somit die in dem Kommutierungskondensator 26 gespeicherte Energie dem Ankerstrom, so daß es einen Sicherheitsspielraum gibt. Vorzugsweise werden die Größe des Kommutierungskondensators 26 und die Mindestausschaltzeit des Hauptthyristors 14 unter Berücksichtigung der Quelleninduktivität 12 und der Batteriespannung gewählt, um zu gewährleisten, daß die Schaltung immer sicher und zuverlässig arbeitet.

Vorzugsweise steht gemäß der Darstellung in Fig. 1 die gesamte Steuerung des Fahrmotors unter der Leitung eines Reglers 35 auf Mikroprozessorbasis. Das heißt, das Signal zum Durchschalten der Thyristoren 14, 20 und 22 und das Steuersignal für die Feldwicklung 17 werden von einem System auf Mikroprozessorbasis geliefert, das Drehzahl- und Richtungsbefehlssignale von einem Fahrpedal 37 bzw. einem Vorwärts/ Rückwärts-Schalter 43 empfängt. Es sei jedoch angemerkt, daß eine Mikroprozessorregelung nicht in allen Fällen zur Ausführung der Erfindung notwendig ist und daß andere Regeleinrichtungen benutzt werden können.

Gemäß Fig. 1 werden die Eingangssignale aus dem Fahrpedal 37, dem Vorwärts/Rückwärts-Schalter 43 und einem Ankerstromfühler 45 an eine Signalaufbereitungsschaltung 47 herkömmlicher Bauart zur Filterung und Skalierung der Eingangssignale angelegt, so daß diese eine Form haben, die mit der anschließenden Verarbeitung kompatibel ist. Die aufbereiteten Signale werden dann an einen A/D-Wandler 4 9 und von diesem an einen Mikroprozessor 51 angelegt.

/ς.

Eine Speichereinheit 53 enthält einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) und einen Festwertspeicher (ROM), die zur Programmspeicherung und zur Speicherung von Zwischenwerten oder berechneten oder überwachten Variablen ausreichen. Ein geeigneter Mikroprozessor ist das Modell 6502 der Rockwell International Corp.; der A/D-Wandler 49 kann beispielsweise der Typ ADC0816 der National Semiconductor Inc. sein, während die Speichereinheiten des Typs 2114 und 2716 der Intel Corp. als RAM bzw. ROM geeignet sind.

Befehlssignale, die durch den Mikroprozessor 51 gebildet werden, werden über eine Eingabe/Ausgabe (E/A)-Schnittstelle 55 und eine Ausgangssignalaufbereitungsschaltung 57 an die Thyristoren 14, 20 und 22 und an den Erregerstromsteller 41 angelegt. Die Signalaufbereitungsschaltung 57 ist von herkömmlicher Bauart und enthält Treiberverstärker, die auf die Digitalsignale aus dem Mikroprozessor hin die Thyristordurchschaltsignale und ein Steuersignal zum Einstellen des Stroms in der Feldwicklung 17 liefern. Die E/A-Schnittstelle 55 kann eine Vorrichtung des Typs 6520 der Rockwell International Corp. sein.

Im Motorbetrieb dient die Tastverhältnissteuerung des Hauptthyristors 14 zum Einstellen der Motordrehzahl. Wenn eine Motorbremsung erfolgen soll, wird der Hauptthyristor 14 im Sperrzustand gehalten, und die Polarität an der Feldwicklung 17 wird umgekehrt. Unter diesen Bedingungen erzeugt der Anker 16 eine Gegen-EMK, die so gerichtet ist, daß die Diode 18 leitend wird, wodurch der Anker 16 effektiv kurzgeschlossen wird. Das durch den Motor entwickelte Bremsdrehmoment ist zu dem Produkt aus dem Ankerstrom (d.h. dem Strom in der Diode 18) und dem Feldfluß proportional . Da der Feldfluß auf einem niedrigen Wert gehalten

- ye -Λ.

werden muß, um die Gegen-EMK niedrig zu halten, ist in dem Anker 16 ein sehr großer Strom erforderlich, damit sich ein akzeptabler Wert der Bremswirkung ergibt.

Während einer Bremsperiode wird die Gegen-EMK, kurz bevor der Motor die Drehzahl null erreicht, nicht mehr in der Lage sein, den notwendigen Strom in der Diode 18 aufrechtzuerhalten, und es muß der übergang in den Motorbetrieb erfolgen. Bei der Rückkehr zu dem Motorbetrieb ergibt sich jedoch ein Problem, wenn der Motor vor dem Einsetzen der Bremsung mit hoher Drehzahl und relativ niedrigem Drehmoment gearbeitet hat. Dieses Problem stellt sich besonders bei einem Nebenschlußmotor.

Unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen (d.h. niedriges Drehmoment, hohe Drehzahl) kann die auf dem Kommutierungskondensator 26 gespeicherte Spannung auf einem niedrigen Wert sein, der der Batteriespannung nahekommt. Bei der Rückkehr zum Motorbetrieb gegen Ende des Bremsintervalls kann der Strom in der Freilaufdiode 18 und in dem Anker 16 ziemlich hoch sein, beispielsweise 700 bis 800 A. Im Motorbetrieb wird, nachdem der Hauptthyristor 14 durchgeschaltet ist, der Strom, der hindurchgeht, schnell auf den Wert des Stroms ansteigen, der bereits in dem Anker 16 fließt. Dieser Strom kann größer als der sein, der mit der Spannung kommutiert werden kann, die an dem Kondensator 26 aus dem vorherigen Motorbetrieb vorhanden ist. Das Ergebnis ist, daß es zu einem Kommutierungsversagen kommt.

Um zu gewährleisten, daß der übergang der Steuerung vom Bremsbetrieb auf den Motorbetrieb bei den hohen Stromwerten erfolgen kann, die sich aus dem Bremsbetrieb ergeben, wird die Spannung an dem Kondensator 26 so gemacht,

daß sie dem tatsächlichen Bremsstrom folgt, der in dem Anker 16 fließt, und zwar ungeachtet der Betriebsart.

Während des Bremsbetriebes bleiben die Batterie 10, die Quelleninduktivität 12, der Anker 16, die Freilaufdiode 18 und die Kommutierungsschaltung in derselben Schaltungsbeziehung, die oben beschrieben worden ist. Der Hauptthyristor 14 wird jedoch in der Bremsbetriebsart nicht getriggert, sondern im Sperrzustand gehalten. Der Kommutierungsthyristor 20 und der Ladungsumkehrthyristor 22 werden weiterhin getriggert.

Es gibt zwei Möglichkeiten für den Ankerstromfluß nach dem Zünden des Kommutierungsthyristors 20 in der Bremsbetriebsart, die davon abhängig sind, ob die Diode 18 den Anker 16 von dem Stromkreis getrennt hat oder nicht. Fig. 3 zeigt die Möglichkeiten des Ankerstromflusses in der Bremsbetriebsart. Im ersten Fall wird der Spitzenwert des Stroms durch den Kommutierungskondensator 26, die Ankerinduktivität 28, die Quelleninduktivität 12 und die Größe der auf den Kommutierungskondensator 26 gespeicherten Anfangsspannung bestimmt. Die Kurve 65 zeigt den sich ergebenden Stromfluß über der Zeit für diese Schaltung, die unterkritisch gedämpft ist.

Andererseits, wenn der Anker 16 in der Schaltung durch die Diode 18 überbrückt ist, bleibt die Schaltung unterkritisch gedämpft, da die Ankerinduktivität und der Ankerwiderstand effektiv aus dem Stromkreis entfernt sind, die Zeitkonstante ist aber viel kleiner. Die Kurve 6 7 in Fig. 3 zeigt den sich ergebenden Strom über der Zeit für diese Bedingungen. Bei einer Batteriespannung von 24 V, einem Kommutierungskondensator von 135 üF, einer Quelleninduktivität von 3 μΗ und einer Ankerinduktivität von 300 μΗ kann gezeigt werden,

daß der Spitzenstrom für die Schaltung mit der kleineren Zeitkonstante um etwa 10 zu 1 gegenüber dem Strom unter den Bedingungen mit der längeren Zeitkonstante ansteigt, z.B. von etwa 16 A auf etwa 160 A.

Im Betrieb wird in dem Zeitpunkt, in welchem der Kommutierungsthyristor 20 durchgeschaltet wird, ein gewisser Anfangsstrom bereits in dem Anker 16 fließen. Der Kommutierungskondensatorstrom beginnt dann, längs der Kurve 67 anzusteigen, bis der Strom den vorhandenen Ankerstromwert erreicht. Das entspricht dem Punkt 69 auf der Kurve. Der Strom muß dann längs der Kurve 71 anzusteigen beginnen, was hauptsächlich durch die Ankerinduktivität 28 und den Kommutierungskondensator 26 nach Fig. 1 bestimmt wird. Dieser Strom wird ansteigen, bis die Spannung an dem Kommutierungskondensator 26 durch null gegangen ist und die Batteriespannung in der entgegengesetzten Polarität erreicht hat, d.h. positiv an dem oberen Belag. Der Stromfluß in dem Reihenkreis (der den Kommutierungskondensator enthält) entspricht zu dieser Zeit dem Punkt 73 der Kurven nach Fig. 3. Ab diesem Punkt nimmt der Strom dann schnell mit einer Geschwindigkeit ab, die wieder hauptsächlich durch die Quelleninduktivität 12 und den Kommutierungskondensator 26 bestimmt wird. Die in der Ankerinduktivität 28 gespeicherte Energie liefert während des Abfallteils 75 der Kurve keinen Beitrag, da die erzeugte Spannung eine derartige Polarität hat, daß sie durch die Diode 18 überbrückt ist. Die überschwingende Spannung, die an dem Kommutierungskondensator 26 auftritt, wird durch die Größe des Stroms bestimmt, der in dem Punkt 40 fließt - dem Bremsstrom, der in diesem Zeitpunkt in dem Motoranker fließt. Die überschwingende Spannung ist wieder hauptsächlich durch die Gleichung (1) gegeben. Der Spitzenstrom ist der Bremsstrom, der fließt,

wenn der Kommutierungsthyristor 20 gezündet wird. Es wird somit erreicht, daß die auf dem Kommutierungskondensator 26 gespeicherte Spannung dem Bremsstrom folgt, so daß der Übergang auf den Motorbetrieb in jedem Zeitpunkt sicher ausgeführt werden kann. Das heißt, es ist gewährleistet, daß der Ankerstrom bei dem ersten Versuch beim Eintritt in den Motorbetrieb kommutiert wird, und zwar ungeachtet der Drehmoment- und Drehzahlbedingungen, die dem Bremsbetrieb vorangegangen sind.

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm für ein Ausführungsprogramm, das zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit dem Regler 35 auf Mikroprozessorbasis gemäß Fig. 1 geeignet ist. Die ersten drei Programme (interne Verwaltung 80, Fahrpedal- und Schalterleseprogramm 81 und Richtungslogikprogramm 82) sind immer geplant? die letzten vier Programme (Feldsteller 83, Ankerstromsteller 84, Motorbetriebssteller 85 und Bremsbetriebssteller 86) werden nach Bedarf geplant und durch in die Programme eingebettete Flags (Kennzeichen) aktiviert. Das Bremsbetriebsstellerprogramm 86 und das Ankerstromste1-lerprogramm 84 sind die für die Erfindung wichtigen Programme. Es wird jedoch für das Verständnis der Erfindung hilfreich sein, kurz die Funktionen der anderen Programme zu betrachten, soweit sie für die Erfindung von Bedeutung sind.

Das interne Verwaltungsprogramm 80 ist ein allgemeines Programm, das für das Einleiten und Einstellen des Gesamtprogramms notwendig ist. Das Programm 81 für das Ablesen des Fahrpedals und des Schalters dient dem Zweck der Gewinnung von Daten über den Status des gesteuerten Fahrzeuges. Dieses Programm sorgt dafür, daß Zustände abgelesen werden, beispielsweise des Ein/Aus-Schalters des Fahrzeuges, des Vorwärts/Rückwärts-Schalters, und

die Brems- und Fahrpedalpositionen, usw. Das Richtungslogikprogramm 82 bestimmt (aus Daten, die in dem Programm 81 gewonnen worden sind) den Betriebsstatus des Fahrzeuges, beispielsweise ob es in einem Vorwärtsmotorbetrieb ist, usw., und verhindert Übergänge von einer Betriebsart auf eine andere, in der das Fahrzeug beschädigt werden könnte oder in der die optimale Leistung nicht erreicht werden könnte. Das Feldstellerprogramm 83 erzeugt ein Signal, gemäß welchem der Feldstrom des Motors eingestellt wird. Dieses Signal wird schließlich in Analogform an den Feldsteller 41 nach Fig. 1 angelegt. Der Ankerstromsteller 84 erzeugt zeitgerechte Signale zum Durchschalten der Thyristoren 14, 20 und 22 nach Fig. 1 in Abhängigkeit von der Betriebsart. Das Motorbetriebsstellerprogramm 85 spricht auf Änderungen in der Fahrpedalposition an, um Stromreferenzsignale für den Ankerstromsteller und für den Feldsteller zu erzeugen.

Das Bremsbetriebsstellerprogramm 86 erfüllt eine Stromeinstellfunktion in Zusammenwirkung mit dem Feldstellerprogramm 83, um die Feldwicklung in der Bremsbetriebsart einzustellen. Das Programm 86 erfüllt außerdem die grundlegenden Logikfunktionen, die zu der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gehören. Diese Logik ist als Flußdiagramm in Fig.5 angegeben.

Die logischen Operationen nach Fig. 5 werden durch das Programm (für den Mikroprozessor 51 nach Fig. 1) nach einem regelmäßigen, wiederholten Zeitplan ausgeführt. Das kann beispielsweise einmal jede Millisekunde sein. Bei dem Eintritt in das Logikunterprograirun wird zuerst eine Entscheidung (Entscheidungsblock 90) darüber getroffen, ob die Bremsbetriebsart vorliegt oder nicht. Wenn nicht, ist der Feldsteller, der in der Bremsbe-

triebsart wirksam ist, ungeplant (d.h., er wird nicht aufgerufen), und die Flags B und G werden durch eine logische Operation 91 auf eins bzw. null gesetzt. Das Unterprogramm wird dann verlassen. Wenn das Ergebnis in dem Entscheidungsblock 90 Ja ist, bestimmt der Entscheidungsblock 92, ob B eins oder null ist. Wenn B gleich null ist, so zeigt das an, daß der gegenwärtige Durchlauf der erste Durchlauf durch die Logikoperation ist, und es wird ein Signal zum Rücksetzen eines Zeitgebers gegeben. Gleichzeitig wird in einer Logikoperation 93 B gleich eins gesetzt. Der Zeitgeber ist nicht besonders dargestellt, es kann sich aber zum Beispiel um einen herkömmlichen Softwarezeitgeber handeln, der zu einer vorgewählten Zeit auszählt. Im folgenden ist noch näher beschrieben, daß der Zeitsteuerwert die Zündgeschwindigkeit der Thyristoren 20 und 22 in Fig. bestimmt, wenn der Motor im Bremsbetrieb ist. In dem Fall, in welchem B gleich eins ist, wird die Feldeinstellung für die Bremsbetriebsart dann geplant, indem eine Logikoperation 94 ausgeführt wird.

Danach wird der Wert von G in einem Entscheidungsblock

96 geprüft. Der Entscheidungsblock 96 kippt zwischen seinen Ausgangswegen am Ende jeder Zeitsperreperiode hin und her. Für dieses Beispiel ist wie dargestellt diese Periode jede 10 ms. Wenn G gleich eins ist, wird die Zeit an dem Zeitgeber in einem Entscheidungspunkt

97 geprüft. Wenn die Zeitperiode verstrichen ist, wird eine Logikoperation 99 ausgeführt. Diese Operation bewirkt, daß der Ladungsumkehrthyristor 22 nach Fig. 1 getriggert wird. Außerdem wird im wesentlichen gleichzeitig das G-Flag auf null rückgesetzt, und der Zeitgeber wird auf null rückgesetzt. Wenn der Zeitgeber die Zeitsperre nicht erreicht hat, wird das Unterprogramm verlassen, um beim nächsten Durchlauf durch das Hauptprogramm wieder aufgenommen zu werden.

Wenn andererseits in dem Entscheidungspunkt 96 G gleich null ist, wird der Zeitgeber auch in einem Entscheidungspunkt 100 geprüft. Wieder wird, wenn der Zeitgeber die Zeitsperre nicht erreicht hat, das Unterprogramm einfach verlassen, und es erfolgt die Rückkehr zu dem Hauptprogramm. Wenn der Zeitgeber die Zeitsperre jedoch erreicht hat (z.B. nach 10 ms), wird eine Logikoperation 102 ausgeführt. Die Logikoperation 102 bewirkt, daß der Kommutierungsthyristor 20 getriggert wird, so daß die oben beschriebene Folge zum Aufbauen einer Ladung auf dem Kommutierungskondensator 26, die zu dem Bremsstrom proportional ist, beginnt. Schließlich bewirkt die Logikoperation 102, daß G auf eins gesetzt wird und daß der Zeitgeber rückgesetzt wird.

Die Logik nach Fig. 5 zeigt, daß die Thyristoren 20 und 22 während des Bremsbetriebes abwechselnd getriggert werden, da der Entscheidungsschritt 96 bewirkt, daß ein Thyristor zündet und dann der andere. In dem dargestellten Beispiel wird jeder Thyristor alle 10 ms getriggert. Diese Zeit ist ausreichend, um den Ladungsumkehrvorgang auf dem Kommutierungskondensator 26 stattfinden zu lassen und die Thyristoren 20 und 22 durch die Rückwärtsvorspannung, die sich bei jedem im Anschluß an eine Durchlaßperiode ergibt, selbstkommutierend werden zu lassen.

Obige Darlegungen zeigen, daß ein Verfahren und eine Anordnung beschrieben worden sind, die den Ladungsaufbau auf einem Kommutierungskondensator verbessern, welcher zum Kommutieren des Ankerstroms eines Nebenschlußfahrmotors benutzt wird. Die Erfindung ist besonders dahingehend nützlich, daß sie gewährleistet, daß die Kommutierung im Motorbetrieb im Anschluß an den Bremsbetrieb, der dem Motorbetrieb vorangeht und durch eine hohe Drehzahl und ein niedriges Drehmoment gekennzeichnet ist, erfolgreich ausgeführt werden kann.

BAD ORIGINAL

Leerseite -

Claims

Patentansprüche :

1.) Verfahren zum Gewährleisten der Kommutierung eines ium Steuern der Leistungsabgabe an einen fremderregten, im Motorbetrieb und im Bremsbetrieb betreibbaren Motor vorgesehenen Steuerthyristors im Anschluß an die Rückkehr des Motors aus dem Bremsbetrieb in den Motorbetrieb, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Vorsehen einer Kommutierungsschaltung, die einen Kommutierungskondensator, einen Kommutierungsthyristor und einen Ladungsumkehrthyristor enthält, welche so angeordnet sind, daß eine auf dem Kommutierungskondensator gespeicherte elektrische Ladung ausreichender Größe die Kommutierung des Steuerthyristors im
Anschluß an ein sequentielles Durchschalten des Ladungsumkehrthyristors und des Kommutierungsthyristors bewirkt;

b) Feststellen, ob der Motor im Bremsbetrieb arbeitet;

c) Halten des Steuerthyristors im Sperrzustand während des Bremsbetriebes; und

d) abwechselndes Schalten des Kommutierungsthyristors und des Ladungsumkehrthyristors in den Durchlaßzustand während des Bremsbetriebes, um zu bewirken, daß die elektrische Ladung des Kommutierungskondensators dem durch den Motor im Bremsbetrieb aufgenommenen elektrischen Strom folgt, so daß diese Ladung ausreicht, um die Kommutierung des Steuerthyristors zu gewährleisten, wenn der Motor wieder den Motorbetrieb aufnimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungsthyristor und der Ladungsumkehrthyristor in gleichen Zeitintervallen während des Bremsbetriebes durchgeschaltet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Vorsehens einer Freilaufdiode parallel zu der Ankerwicklung des Motors, wobei die Freilaufdiode so geschaltet wird, daß sie die Ankerwicklung während des Bremsbetriebes auskoppelt, so daß der Kommutierungskondensator in einer unterkritisch gedämpften Schaltung aufgeladen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Einsteilens des Stromflusses in der Feldwicklung des Motors während des Bremsbetriebes.

5. Anordnung zum Kommutieren eines in einer Steuerschaltung für einen fremderregten Motor zum Einstellen der an den Motor abgegebenen Leistung vorgesehenen Steuerthyristors (14), um insbesondere den Steuerthyristor bei der Rückkehr aus dem Bremsbetrieb in den Motorbetrieb zu kommutieren, gekennzeichnet durch:

a) eine Kommutierungsschaltung, die einen Kommutierungskondensator (26), einen Kommutierungsthyri-

stör (20) und einen Ladungsumkehrthyristor (22) enthält, die so angeordnet sind, daß eine auf dem Kommutierungskondensator gespeicherte elektrische Ladung ausreichender Größe die Kommutierung des Steuerthyristors (14) im Anschluß an das sequentielle Durchschalten des Ladungsumkehrthyristors und des Kommutierungsthyristors bewirkt;

b) eine Einrichtung (35) zum Bestimmen der Betriebsart des Motors;

c) eine Einrichtung (35) zum Halten des Steuerthyristors (14) im Sperrzustand immer dann, wenn der Motor im Bremsbetrieb arbeitet; und

d) eine Einrichtung (35) zum abwechselnden Schalten des Kommutierungsthyristors (20) und des Ladungsumkehrthyristors (22) in den leitenden Zustand während des Bremsbetriebes, so daß die elektrische Ladung des Kommutierungskondensators im Bremsbetrieb zu dem elektrischen Stromfluß in dem Motor proportional ist und ausreicht, um die Kommutierung des Steuerthyristors (14) zu gewährleisten, wenn der Motor in den Motorbetrieb übergeht.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungskondensator (26) so angeordnet ist, daß er zu dem Steuerthyristor (14) immer dann elektrisch parallel geschaltet ist, wenn der Kommutierungsthyristor

(20) im Durchlaßzustand ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bestimmen der Betriebsart des Motors, die Einrichtung zum Halten des Steuerthyristors (14) im Sperrzustand und die Einrichtung zum abwechselnden Durchschalten des Koinmutierungsthyristors (20) und des Ladungsumkehrthyristors (22) aus einem Regler (35) auf Mikroprozessorbasis bestehen, der eine Speichereinheit (53) zum Speichern von Daten und eines Betriebspro-

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grammes, eine Schaltung (47) zum Empfangen und Aufbereiten von Signalen, die die Ist- und die Sollmotorbetriebszustände angeben, und eine weitere Schaltung (57) zum Liefern von AusgangsSignalen hat, gemäß denen der Steuerthyristor (14), der Ladungsumkehrthyristor (22) und der Kommutierungsthyristor (20) in den Durchlaßzustand geschaltet werden.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (35) auf Mikroprozessorbasis den Ladungsumkehrthyristor (22) und den Kommutierungsthyristor

(20) nach gleichabständigen Zeitintervallen in den leitenden Zustand schaltet.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungsschaltung eine Drossel (24) enthält.

10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Freilaufdiode (18), die zu dem Anker (16) des Motors so gerichtet parallel geschaltet ist, daß sie die Ankerinduktivität (28) während des Bremsbetriebes auskoppelt, damit sich der Kommutierungskondensator (26) in einer unterkritisch gedämpften Schaltung aufladen kann.