DE3717481A1 - Schaltungsanordnung zum antrieb einer gleichstrommaschine mit mehreren gleichstromstellern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Antrieb einer Gleichstrommaschine mit mehreren Gleichstromstellern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Schaltungsanordnung zum Antrieb einer Gleichstrommaschine mit mehreren Gleichstromstellern (Mehrpulsgleichstromsteller) ist aus der ETZ-A, Bd. 93, (1972), Heft 10, Seiten 556 bis 559 bekannt. Dort wird ein Zweipuls-Gleichstromsteller mit gemeinsamer Lösch­ einrichtung vorgeschlagen, bei dem die Anteile der Grund- und Oberschwingungen stark herabgesetzt sind. Jede Polarität des Kommutierungskondensators der Lösch­ einrichtung wird zur Löschung eines Teilstellers ge­ nutzt. Mit dem Löschvorgang wird der Kondensator auf die entgegengesetzte Polarität aufgeladen, so daß Umschwing­ schaltungen entfallen. Die Kommutierungsschaltung muß nur auf den halben Laststrom ausgelegt werden.

Elektrostraßenfahrzeuge und Elektroflurförderfahrzeuge beziehen ihre Energie aus einer mitgeführten Batterie, deren Leistungsfähigkeit begrenzt ist. Schienenfahrzeuge werden aus einer Oberleitung gespeist, die an Unterwer­ ken mit Gleichrichterstationen angeschlossen sind. Die für einen Gleichstromantrieb verwendeten Stellglieder müssen einen guten Wirkungsgrad haben. Bei den allgemein verwendeten Gleichstromstellern ist im Idealfall der Mittelwert der Ausgangsleistung gleich dem Mittelwert der Eingangsleistung. Dabei werden jedoch Spannungsquel­ le und Schaltelemente mit dem Effektivwert des Stromes belastet. Bei begrenzter Leistungsfähigkeit der Span­ nungsquelle, wie Batterie mit Innenwiderstand oder Fahr­ draht mit Leitungswiderstand, weicht der Gleichstrom­ stellerbetrieb erheblich vom Idealbetrieb ab. Nur mit entsprechend dimensionierten Eingangsfiltern und Glät­ tungsdrosseln im Lastkreis kann die Idealbelastung her­ gestellt werden.

Mehrpulsgleichstromsteller erzwingen eine gleichmäßigere Netzbelastung und erhöhen damit den Wirkungsgrad der Spannungsquelle. Ein Eingangsfilter kann mit geringerem Aufwand hergestellt werden oder ganz entfallen. Die Glättungsdrossel im Lastkreis kann nur aufgrund des Mehrpulsbetriebs nicht kleiner ausgelegt werden. Dies wird jedoch mit einer auf den Gleichstromstellerbetrieb abgestimmten Saugdrossel erreicht.

Im Mehrpulsstellerbetrieb werden alle Teilsteller n um den Steuerwinkel 2 π/n versetzt angesteuert. Bei Gleichstromstellern mit Zwangskommutierung kann unter bestimmten Voraussetzungen eine Löscheinrichtung zur Kommutierung eines jeden Teilstellers benutzt werden. Besonders vorteilhaft sind dazu Zweipuls-Gleichstrom­ steller mit einer gemeinsamen Löscheinrichtung in Brückenschaltung (siehe ETZ-A, Bd. 93, (1972), Heft 10, Seiten 556 bis 559).

Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zu­ grunde, eine Schaltungsanordnung zum Antrieb einer Gleichstrommaschine mit mehreren Gleichstromstellern der eingangs genannten Art anzugeben, bei der ohne zusätzli­ che Glättungsdrosseln oder Saugdrosseln ein Mehrpuls­ stellerbetrieb möglich ist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß jedem Polpaar der Gleichstromma­ schine ein Teilsteller des Mehrpulsstellersystems zuge­ ordnet wird, d. h. jedem Polpaar wird ein zugehöriger Teil der Wicklungen (Wendepolwicklungen, evtl. Kompensa­ tionswicklungen, wenn vorhanden, bei Reihenschlußmaschi­ nen zusätzlich Feldwicklungen) zugeteilt und jedes so entstandene Teilsystem wird von einem eigenen Gleich­ stromsteller gespeist. Die Teilsteller werden um 2 π/n versetzt angesteuert (n = Pulszahl = Anzahl der Teilstel­ ler).

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine prinzipielle Antriebsschaltung mit Mehr­ pulsgleichstromsteller für eine vierpolige Gleichstrommaschine,

Fig. 2 eine Ausführung mit zwangskommutierten Thyri­ storen,

Fig. 3 einen Gleichstromsteller mit Löschbrücken­ schaltung,

Fig. 4 eine Ausführung mit einem Zweipuls-Gleich­ stromsteller mit kombinierter Löscheinrich­ tung,

Fig. 5 eine Ausführung mit einem Zweipuls-Gleich­ stromsteller für eine fremderregte Gleich­ strommaschine für den Fahr- und Bremsbetrieb mit Feldumkehr.

In Fig. 1 ist eine prinzipielle Antriebsschaltung mit Mehrpulsgleichstromsteller für eine vierpolige Gleichstrommaschine dargestellt. Die Gleichstrommaschine M weist einen Anker 1 mit vier Kollektorbürstenanschlüs­ sen 2, 3, 4 und 5 auf. Mit den Bürstenanschlüssen 2 bzw. 3 sind Feldwicklungen 6 bzw. 7 verbunden. Diesen Feld­ wicklungen 6, 7 kann jeweils eine Kompensationswicklung in Reihe liegen (nicht dargestellt). Zwischen Feldwick­ lung 6 und Bürstenanschluß 2 bzw. zwischen Feldwicklung 7 und Bürstenanschluß 3 ist jeweils eine Wendepolwick­ lung 8 bzw. 9 geschaltet. Weitere Wendepolwicklungen 10 bzw. 11 sind mit den Bürstenanschlüssen 4 bzw. 5 verbun­ den.

An die Feldwicklungen 6 bzw. 7 sind Gleichstromsteller 12 bzw. 13 mit ihren Kathoden angeschlossen. Diese Gleichstromsteller 12, 13 sind elektronische Schalter, die mit Transistoren, abschaltbaren Thyristoren, zwangs­ kommutierbaren Thyristoren oder mit sonstigen ein- und ausschaltbaren Halbleiterelementen realisiert werden kön­ nen. Die Anoden der Gleichstromsteller 12, 13 sind am Pluspol 16 (= P) der Versorgungsspannung (eines Gleich­ spannungsnetzes) angeschlossen. Die Kathoden der Gleich­ stromsteller 12 bzw. 13 liegen über Freilaufdioden 14 bzw. 15 am Minuspol 17 (= N) der Versorgungsspannung, wobei die Freilaufdioden 14, 15 jeweils anodenseitig am Minuspol 17 angeschlossen sind. Der gemeinsame Verbin­ dungspunkt von Feldwicklung 6/Gleichstromsteller 12/Freilaufdiode 14 ist als Teilanschluß 18 und der ge­ meinsame Verbindungspunkt von Feldwicklung 7/Gleich­ stromsteller 13/Freilaufdiode 15 ist als Teilanschluß 19 bezeichnet. Die Gleichstromsteller 12, 13 werden als Teilsteller um den Steuerwinkel 2 π/2 versetzt ange­ steuert. Der über den Pluspol 16 fließende Strom ist mit I bezeichnet.

In Fig. 2 ist eine Ausführung mit zwangskommutierten Thyristoren dargestellt, wie sie bei höheren Leistungen oder bei Antrieben mit hohen Strömen und kleinen Be­ triebsspannungen Verwendung finden kann. Die Schaltung entspricht in ihrem Aufbau der Schaltung gemäß Fig. 1, wobei die Gleichstromsteller 12 bzw. 13 durch Hauptthy­ ristoren 20 bzw. 21 realisiert sind, denen jeweils eine eigene Löscheinrichtung 22 bzw. 23 zur Löschung der Thy­ ristoren parallel geschaltet ist. Die durch die Thyristo­ ren 20 bzw. 21 fließenden Ströme kommutieren nach der Löschung auf die Freilaufdiode 14 bzw. 15.

Als Löscheinrichtungen 22, 23 können verschiedene Schal­ tungen eingesetzt werden. Eine für hohe Schaltfrequenzen geeignete Schaltung ist die Brückenschaltung mit vier Löschthyristoren (Löschbrückenschaltung) nach der DE-PS 14 88 202 (Koppelmann).

In Fig. 3 ist ein derartiger Gleichstromsteller mit Löschbrückenschaltung dargestellt, bestehend aus einem Kommutierungskondensator 24 und vier Löschthyristoren 25, 26, 27 und 28. Für die eingezeichnete Kondensator­ spannung UC müssen die Löschthyristoren 25 und 27 gezün­ det werden, um den Strom im Hauptthyristor 21 zu lö­ schen. Wird jeder der beiden Hauptthyristoren 20, 21 mit einer derartigen Löschbrückenschaltung ausgestattet, so muß jede Löschbrückenschaltung für den halben Gesamt­ strom I/2 ausgelegt werden.

In Fig. 4 ist eine Ausführung mit einem Zweipulsgleich­ stromsteller mit kombinierter Löscheinrichtung darge­ stellt. Die Schaltung entspricht in ihrem Aufbau der Schaltung gemäß Fig. 2, nur sind keine eigenen Löschein­ richtungen 22, 23 für die beiden Hauptthyristoren 20, 21 vorgesehen, sondern es wird nur eine unter Fig. 3 be­ schriebene Löschbrückenschaltung für beide Hauptthyri­ storen 20, 21 eingesetzt. Dies ist möglich, da jeder Hauptthyristor 20, 21 als Teilsteller um den Steuerwin­ kel 2 π/2 versetzt angesteuert und ebenfalls versetzt gelöscht wird. Dabei wird der Hauptthyristor 21 mit Hil­ fe der Löschthyristoren 25 und 27 bei der eingezeichne­ ten Kondensatorspannung UC gelöscht. Der Kommutierungs­ strom lädt den Kondensator um auf die Kondensatorspan­ nung -UC. Mit dieser Kondensatorspannung kann durch Zün­ den der Löschthyristoren 26 und 28 ein Strom im Haupt­ thyristor 20 gelöscht werden. Im Kommutierungskondensa­ tor 24 und in den Löschthyristoren 25 bis 28 fließt nur der halbe Gesamtstrom I/2 bei einem Löschimpuls. Zur Erfassung des Gesamtstromes I (Summenstrom) ist die ge­ meinsame Verbindung der freien Wicklungsenden der Wende­ polwicklungen 10, 11 über einen Stromwandler mit dem Minuspol 17 verbunden. Vorteilhaft muß nur ein Summen­ strom gemessen werden.

In einfachen fremderregten Gleichstrommaschinen, wie sie beispielsweise in Elektrostraßenfahrzeugen eingesetzt werden, wird vom Ankerstrom nur noch die Wendepolwick­ lung durchflossen. In Fig. 5 ist hierzu eine Ausführung mit einem Zweipulsgleichstromsteller für eine fremder­ regte Gleichstrommaschine für den Fahr- und Bremsbetrieb mit Feldumkehr dargestellt. Die Schaltung entspricht in ihrem Aufbau der Schaltung gemäß Fig. 4, nur sind keine Feldwicklungen 6, 7 zwischen den Hauptthyristoren 20, 21 und den Bürstenanschlüssen 2, 3 vorgesehen. Die gemein­ same Verbindung der Wendepolwicklungen 10, 11 liegt über einem Schützkontakt 29 am Minuspol 17 sowie über eine Diode 30 am Pluspol 16. Es ist eine Erregerwicklung 31 vorgesehen, die über eine eigene Erregereinrichtung 32 gespeist wird.

Der Minuspol 17 wird im Fahrbetrieb F mit Hilfe des Schützkontaktes 29 mit den Wendepolwicklungen 10, 11 verbunden. Im Bremsbetrieb B leitet die Diode 30 den Strom zum Pluspol 16 der Versorgungsspannung. Der Schützkontakt 29 ist im Bremsbetrieb B geöffnet. Die Erregereinrichtung 32 gibt je nach den Anforderungen wie Fahren, Bremsen oder Rückwärtsfahren die Stromrichtung in der Erregerwicklung 31 vor und kann die Erregerwick­ lung 31 gegebenenfalls auch schnell entregen. Eine der­ art fremderregte Gleichstrommaschine kann bei Feldumkehr mit gleichbleibender Ankerstromrichtung generatorisch betrieben werden. Der Generatorbetrieb kann dabei mit dem geringstmöglichen Schaltungsaufwand im Ankerkreis erreicht werden.

Allgemein können bei Gleichstrommaschinen mit der Pol­ paarzahl p = 2z (z = 1, 2, 3 . . .) z Zweipulsstromsteller mit gemeinsamer Löscheinrichtung eingesetzt werden, wo­ bei jeder Zweipulsstromsteller aus zwei Gleichstromstel­ lern besteht. Bei Gleichstrommaschinen mit der Polpaar­ zahl p = 2z + 1 können z Zweipulsstromsteller mit gemein­ samer Löscheinrichtung und ein Einpulsgleichstromsteller eingesetzt werden.

Wie vorstehend bereits erwähnt, können Gleichstromma­ schinen unterschiedlichster Bauart verwendet werden. Bei Gleichstrom-Reihenschlußmaschinen werden Anker-, Feld-, Wendepol- und, falls vorhanden, Kompensationswicklung vom gleichen Strom durchflossen. Bei fremderregten Gleichstrommaschinen und Gleichstrom-Nebenschlußmaschi­ nen werden Anker-, Wendepol- und, falls vorhanden, Kom­ pensationswicklung vom Ankerstrom durchflossen, während der Feldstrom vom Ankerstrom unabhängig ist.

Die notwendige Durchflutung eines Feldes kann mit weni­ gen Windungen erreicht werden, wenn jede Wicklung vom Gesamtstrom durchflossen wird. Dies führt zu einer Rei­ henschaltung aller Wicklungen.

Werden die Wicklungen eines Systems dagegen parallel geschaltet, so wird jede Einzelwicklung nur von einem Teilstrom durchflossen. Mit einer höheren Windungszahl kann die notwendige Durchflutung wieder erzielt werden. Der gesamte Wicklungsquerschnitt bleibt konstant. Dies gilt auch in erster Betrachtung für die elektrischen Daten der Maschine. Eine Parallelschaltung liegt insbe­ sondere für den Ankerkreis vor. Durch die Ankerwicklung und mit Hilfe der Kollektorbürsten werden alle 2p-Teil­ systeme parallel geschaltet.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zum Antrieb einer Gleich­ strommaschine mit mehreren Gleichstromstellern aus einem Gleichspannungsnetz, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrommaschine (M) polpaarweise einschließlich ih­ rer vom Ankerstrom durchflossenen Wicklungen (6, 7, 8, 9, 10, 11) aufgeteilt ist, wobei jeder hierdurch entstehenden Teilmaschine ein Gleichstromsteller (12, 13) zugeordnet ist, so daß die Pulszahl (n) des Mehrpuls­ gleichstromstellers gleich der Polpaarzahl (p) der Gleichstrommaschine (M) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendepolwicklungen (8, 9, 10, 11) der Gleichstrommaschine (M) mit einem Wicklungsende mit den Kollektorbürstenanschlüssen (2, 3, 4, 5) verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 bei Ausfüh­ rung der Gleichstrommaschine als Reihenschlußmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die freien Wick­ lungsenden der Wendepolwicklungen (8, 9, 10, 11) der zu­ fließenden Ströme in Reihe mit benachbarten Feldwicklun­ gen (6, 7) geschaltet und an einen Gleichstromsteller (12, 13) angeschlossen sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Kompensationswicklungen ebenfalls in Reihe mit den Feldwicklungen (6, 7) und Wen­ depolwicklungen (8, 9, 10, 11) geschaltet sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Wicklungs­ enden der Wendepolwicklungen (8, 9, 10, 11) der abfließen­ den Ströme miteinander verbunden und an den Minuspol (17) der Versorgungsspannung geschaltet sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gleichstromma­ schinen (M) mit gerader Polpaarzahl (p = 2z, z = 1, 2, 3 . . .) jeweils Zweipulsgleichstromsteller (Anzahl z) mit gemeinsamer Löscheinrichtung eingesetzt sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gleichstromma­ schinen (M) mit ungerader Polpaarzahl (p = 2z + 1, z = 1, 2, 3 . . .) ein Einpulsgleichstromsteller sowie im übrigen Zweipulsgleichstromsteller (Anzahl z) mit ge­ meinsamer Löscheinrichtung eingesetzt werden.