DE3726423A1 - Circuit for a direct current series-characteristic motor - Google Patents

Circuit for a direct current series-characteristic motor

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Abstract

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für Gleichstrom- Reihenschlußmotore, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 näher defi­ niert ist.The invention relates to a circuit arrangement for direct current Series motors, as defi defined in the preamble of claim 1 is nated.

Derartige Schaltungsanordnungen werden z.B. bei Antriebssteuerungen, ins­ besondere aber auch im Bahnbetrieb benötigt.Such circuit arrangements are e.g. for drive controls, ins special but also needed in rail operations.

Die bekannten Anordnungen sind, speziell im Bahnbetrieb, infolge der be­ sonderen Anforderungen an den Gleichstromsteller relativ aufwendig, so soll ein hoher Feld- und Ankerstrom und damit ein hohes Moment beim An­ fahren zur Verfügung stehen und für höhere Fahrgeschwindigkeiten muß Feld­ schwächbetrieb vorgesehen werden. Für das Bremsen wird darüberhinaus wahl­ weise die Möglichkeit der Netzbremse mit Energierücklieferung ins Fahr­ leitungsnetz oder die netzunabhängige Widerstandsbremse mit Energieumsetzung im Bremswiderstand gefordert. Zusätzliche Bedingungen sind z.B. auch auto­ matische Feldschwächung beim Bremsen und Vorerregung beim Bremseinsatz. Der Bremsvorwiderstand soll darüberhinaus überbrückbar sein und allgemein soll die Möglichkeit der Umkehr der Motordrehrichtung gegeben sein.The known arrangements are, especially in rail operations, due to the be special requirements for the DC chopper relatively expensive, so a high field and armature current and thus a high moment when starting driving must be available and for higher driving speeds must field weak operation can be provided. For braking is also a choice as the possibility of the network brake with energy return in the driving cable network or the network-independent resistance brake with energy conversion required in the braking resistor. Additional conditions are e.g. also auto Matic field weakening when braking and pre-excitation when braking. The braking resistor should also be able to be bridged and in general the possibility of reversing the direction of motor rotation should be given.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders einfache Schaltung zu er­ stellen, die diesen komplexen Forderungen nachkommt und dabei den Aufwand der bisherigen mechanischen Schaltmittel, soweit wie möglich und sinnvoll, zu reduzieren. Insbesondere sind die häufig schaltenden Schütze für das Umschalten zwischen Fahren und Bremsen zu ersetzen. Stark dem Verschleiß unterliegende, häufig schaltende Leistungsschütze sowie zusätzlicher Aufwand für eine Vorerregung beim Bremseinsatz sollen vermieden werden. Mit weit­ gehend elektronischen Mitteln sollen die Stellmöglichkeiten und damit der Fahrkomfort verbessert werden.The object of the invention is to provide a particularly simple circuit who meet these complex requirements and the effort involved the previous mechanical switching means, as far as possible and reasonable, to reduce. In particular, the frequently switching contactors are for that Switch between driving and braking to replace. Heavy wear underlying, frequently switching power contactors as well as additional effort for pre-excitation during braking should be avoided. With far  Going electronic means, the possibilities and thus the Driving comfort can be improved.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.This object is achieved in accordance with the characterizing features of claim 1 solved. Advantageous refinements can be found in the subclaims.

Anhand der Figuren der Zeichnung, die auf ein Ausführungsbeispiel ein­ gehen und Betriebszustände zeigen, wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.Based on the figures of the drawing, based on an embodiment go and show operating conditions, the invention is in the following explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine universelle Schaltung für gleichstrom­ stellerbetriebene Gleichstrom-Reihenschluß­ motoren Fig. 1 is a universal circuit for DC actuator-operated DC series motors

Fig. 2 Stromverlauf in der Schaltung nach Fig. 1 zum Bremsaufbau Fig. 2 current curve in the circuit of FIG. 1 for brake build-up

Fig. 3 Stromverlauf bei Netzrückspeisung. Fig. 3 current curve for regenerative power.

Der Fig. 1 ist ein Gleichstrom-Reihenschlußmotor M mit einer Ankerwicklung L A und einer Feldwicklung L F entnehmbar. Der Motor liegt einerseits über einen Netzschalter S N (Netzschütz) und andererseits ein abschaltbares Halbleiter-Hauptventil V 1, z.B. einen GTO-Thyristor, an einem Gleichspannungs­ netz U e . Ankerwicklung L A und Feldwicklung L F sind über ein Koppelventil V 9 in Reihe geschaltet. Der Gesamtfreilauf erfolgt über ein 1. Freilauf­ ventil V 7. Der Feldwicklung L F ist als fester Shunt ein Widerstand R 2 parallel geschaltet. Durch den Einsatz eines parallel liegenden Feld­ stellers bestehend aus einem abschaltbaren Halbleiterventil V 4 (z.B. einem GTO-Thyristor) und einem 2. Freilaufventil V 8 ist eine gezielte Feldschwä­ chung im Fahrbetrieb möglich. Die Feldschwächung wird normalerweise erst im oberen Drehzahlbereich benötigt. FIG. 1 is a DC-series motor M having an armature winding and a field winding L A L F removable. The motor is on the one hand via a mains switch S N (mains contactor) and on the other hand a semiconductor main valve V 1 that can be switched off, for example a GTO thyristor, on a direct voltage network U e . Armature winding L A and field winding L F are connected in series via a coupling valve V 9 . The total freewheel takes place via a 1st freewheel valve V 7 . The field winding L F is connected as a fixed shunt, a resistor R 2 in parallel. Through the use of a parallel field actuator consisting of a semiconductor valve V 4 that can be switched off (eg a GTO thyristor) and a second free-wheel valve V 8 , a targeted field weakening is possible during driving. The field weakening is normally only required in the upper speed range.

Zur Umkehrung der Drehrichtung des Motors wird der Anker oder das Feld umge­ polt. Dieses kann durch einen mechanischen Umschalter vorgenommen werden, da dieser nur im stromlosen Zustand (Stillstand) betätigt wird.The armature or field is reversed to reverse the direction of rotation of the motor polt. This can be done by a mechanical switch,  since this is only operated when the power is off (standstill).

Die Schaltung gestattet eine Energie-Rücklieferung ins Gleichspannungs­ netz U e im Bremsbetrieb. Für diese sogenannte Netzbremsung wird ein ab­ schaltbares Bremsventil V 3 (z.B. ein GTO-Thyristor) gezündet. Falls die Energierücklieferung ins Gleichspannungsnetz U e nicht erwünscht ist, wird ein abschaltbares 2. Bremsventil V 2 (z.B. ein GTO-Thyristor) gezündet und die Bremsenergie in einem in Reihe liegenden Bremswiderstand R 1 in Wärme umgewandelt. V 2 und R 1 liegen dem 1. Freilaufventil V 7 gegensinnig parallel.The circuit allows energy to be returned to the DC voltage network U e in braking mode. For this so-called network braking, a switchable brake valve V 3 (eg a GTO thyristor) is ignited. If the return of energy to the direct voltage network U e is not desired, a switchable second brake valve V 2 (for example a GTO thyristor) is ignited and the braking energy is converted into heat in a series-connected braking resistor R 1 . V 2 and R 1 lie in opposite directions to the first free-wheeling valve V 7 .

Bei bestimmten Motoren liegt die Bremsspannung bei höheren Drehzahlen und maximalem Strom weit über der Nennspannung. Um den Bremssteller mit Ven­ til V 3 nicht für diese Spannung auslegen zu müssen, ist ein Bremsvorwider­ stand R 3 vorgesehen, der bei kleineren Drehzahlen von einem Thyristor V 5 überbrückbar ist. Mit V 6 und V 10 sind zwei ungesteuerte Sperrventile für Netzrückspeisung bezeichnet. Im übrigen ist mit I A der Ankerstrom (strich­ punktiert) und mit I F der Feldstrom (gestrichelt) bezeichnet.For certain motors, the braking voltage at higher speeds and maximum current is far above the nominal voltage. In order not to have to design the brake actuator with valve V 3 for this voltage, a brake resistor R 3 was provided, which can be bridged by a thyristor V 5 at lower speeds. V 6 and V 10 are two uncontrolled shut-off valves for regenerative power supply. Incidentally, I A denotes the armature current (dash-dotted) and I F denotes the field current (dashed).

BetriebszuständeOperating states FahrenDrive

Im Fahrbetrieb ist das Halbleiterhauptventil V 1 gezündet und die Ventile V 2, V 3, V 5 gesperrt. Der Netzschalter S N ist eingelegt und die Netz­ spannung U e treibt einen Strom über Ankerwicklung L A , das Koppelventil V 9, die Feldwicklung L F und das Halbleiterhauptventil V 1. Da das Feld durch den Feldschwächwiderstand R 2 geshuntet ist, erfolgt eine Stromauf­ teilung. Dadurch ist I A < I F .When driving, the semiconductor main valve V 1 is ignited and the valves V 2 , V 3 , V 5 blocked. The mains switch S N is inserted and the mains voltage U e drives a current via armature winding L A , the coupling valve V 9 , the field winding L F and the semiconductor main valve V 1 . Since the field is shunted by the field weakening resistor R 2 , a current split occurs. So I A < I F.

Wird das Halbleiterhauptventil V 1 gesperrt, dann fließt der Ankerstrom - bedingt durch die Induktivitäten von Feld und Anker - weiter über das erste Freilaufventil V 7. Im allgemeinen ist die Ankerinduktivität kleiner als die Feldinduktivität, d.h. der Ankerstrom geht schneller nach Null. Die verbleibende Induktivität der Feldwicklung L F treibt auch dann noch weiter Feldstrom über das 2. Freilaufventil V 8. If the semiconductor main valve V 1 are disabled, then the armature current flows - due to the inductances of field and armature - further over the first one-way valve V. 7 In general, the armature inductance is smaller than the field inductance, ie the armature current goes to zero faster. The remaining inductance of the field winding L F continues to drive field current via the second free-wheeling valve V 8 .

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Stromverlauf im Bremsbetrieb. Figs. 2 and 3 show the current flow in the braking operation.

Voraussetzung für den Bremseinsatz ist es, daß das Feld vorerregt ist bzw. werden muß, falls es vorher durch längeren Rollbetrieb völlig ent­ regt ist. Dazu wird das Halbleiterhauptventil V 1 kurz angesteuert und das Feld erst einmal auferregt. Nach der Sperrung des Halbleiterhauptventils V 1 geht der Strom dann über das erste Freilaufventil V 7 in den Freilauf. Der Feldstrom fließt auch nach Abklingen des Ankerstromes noch über das 2. Freilaufventil V 8 weiter (wie bereits geschildert). Danach bleibt für den Bremsbetrieb das Halbleiterhauptventil V 1 gesperrt. Das Feld wird automatisch geschwächt, wobei die Feldschwächung vom Aussteuergrad des 1. abschaltbaren Bremsventils V 3 abhängig ist.It is a prerequisite for the use of the brakes that the field is or must be pre-excited if it is completely excited beforehand due to long rolling operation. For this purpose, the semiconductor main valve V 1 is briefly activated and the field is initially excited. After the semiconductor main valve V 1 has been blocked, the current then goes into the free run via the first free-wheel valve V 7 . Even after the armature current has decayed, the field current continues to flow via the second free-wheeling valve V 8 (as already described). The semiconductor main valve V 1 then remains blocked for braking operation. The field is automatically weakened, the field weakening being dependent on the degree of modulation of the 1st brake valve V 3 that can be switched off.

Mit der Zündung des abschaltbaren 1. Bremsventils V 3 baut sich - vgl. Fig. 2 - der Bremsstrom auf. Dieser Strom ist strichpunktiert dargestellt und fließt von der Ankerwicklung L A über Bremsventil V 3, Feldwicklung L F , das ungesteuerte Ventil V 10, den Bremsvorwiderstand R 3 zurück zur Anker­ wicklung L A . Thyristor V 5 ist im oberen Drehzahlbereich gesperrt.With the ignition of the 1st brake valve V 3 , which can be switched off, builds up - cf. Fig. 2 - the braking current. This current is shown in broken lines and flows from the armature winding L A via brake valve V 3 , field winding L F , the uncontrolled valve V 10 , the braking resistor R 3 back to the armature winding L A. Thyristor V 5 is blocked in the upper speed range.

Die kinetische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und in der Induktivität der Ankerwicklung L A gespeichert. Auch hier kann das abschalt­ bare Ventil V 4 zur weiteren Feldschwächung gezündet werden.The kinetic energy is converted into electrical energy and stored in the inductance of the armature winding L A. Again, the switchable valve V 4 can be ignited for further field weakening.

Wird anschließend das abschaltbare 1. Bremsventil V 3 gesperrt, dann erfolgt Netzrückspeisung, wobei ein Bremsstrom - angetrieben von der Induktivität der Ankerwicklung L A von dieser, über Netzschalter S N , die Netzspannung U E , Sperrventil V 6, Sperrventil V 10, Bremsvorwiderstand R 3 zurück zur Anker­ wicklung L A fließt. Die Ankerstromrichtung (I A ) ist gegenüber dem Betrieb Fahren negativ. Über das 2. Freilaufventil V 8 fließt - gestrichelt einge­ zeichnet - wieder der Feldstrom im Freilauf.If the 1st brake valve V 3 which can be switched off is then blocked, power is fed back to the mains, with a braking current - driven by the inductance of the armature winding L A , via the mains switch S N , the mains voltage U E , blocking valve V 6 , blocking valve V 10 , braking resistor R 3 flows back to the armature winding L A. The armature current direction ( I A ) is negative compared to driving. The field current in freewheeling flows again via the second freewheeling valve V 8 , shown in broken lines.

Ist eine Energierückspeisung unerwünscht, wird das abschaltbare 2. Brems­ ventil V 2 gezündet. Der Ankerstrom fließt dann über V2, R 1, V 10, R 3 und den Anker L A . Die Energie wird im Bremswiderstand R 1 in Wärme umgewandelt. Der Feldstrom fließt über die Netzrückspeisung (vgl. Fig. 3). Bei kleine­ ren Drehzahlbereichen werden Ventil 10 und Bremsvorwiderstand R 3 durch Thyristor V 5 überbrückt.If energy recovery is undesirable, the switchable 2nd brake valve V 2 is ignited. The armature current then flows via V2, R 1 , V 10 , R 3 and the armature L A. The energy is converted into heat in the braking resistor R 1 . The field current flows via the regenerative power supply (see Fig. 3). At small ren speed ranges valve 10 and braking resistor R 3 are bridged by thyristor V 5 .

Durch den Einsatz von Halbleitern als schaltende Elemente werden die Um­ schaltzeiten vom Fahr- zum Bremsbetrieb bzw. umgekehrt gegenüber mecha­ nischen Schaltmitteln wesentlich verkürzt. Diese kurze Schaltzeit ist für den Bremseinsatz von großer Bedeutung, wenn z.B. das Feld nach längerem Roll­ betrieb entregt sein kann und ein Bremsvorgang eingeleitet werden soll. Dieser Vorgang wurde bereits beschrieben.By using semiconductors as switching elements, the order switching times from driving to braking or vice versa compared to mecha African switching means significantly shortened. This short switching time is of great importance for the brake application, e.g. the field after a long roll operation can be de-energized and braking should be initiated. This process has already been described.

Durch die Erfindung ergibt sich eine besonders einfache und universelle Schaltung, bei der nicht nur mehrere für die Umschaltung des Fahr-/Brems­ betriebes bisher notwendige Schütze sowie besondere Vorerregungsmittel entfallen können, sondern auch die für Richtungsumkehr erforderlichen Schütze können kleiner dimensioniert werden. Sie werden nur noch aus­ schließlich für diesen Umschaltvorgang benötigt und betätigt. Damit ergibt sich geringerer Verschleiß, was zur Verminderung der Aufwands- und Warte­ kosten der Schütze führt.The invention results in a particularly simple and universal Circuit in which not only several for switching the driving / braking Operators previously required as well as special pre-excitation means can be omitted, but also those required for reversal of direction Contactors can be dimensioned smaller. You will only be out finally needed and actuated for this switching process. So that results less wear, which reduces the effort and waiting cost the shooter leads.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung für Gleichstrom-Reihenschlußmotore, bei der im Fahrbetrieb ein als Gleichstromsteller betriebenes abschaltbares Haupt­ ventil die mit einem Freilaufkreis versehene Anker- und Feldwicklung mit einem Gleichspannungsnetz verbindet und bei der im Bremsbetrieb von Netzrückspeisung auf Widerstandsbremse umgeschaltet werden kann, wobei Mittel zur zusätzlichen Feldschwächung innerhalb der Betriebsarten vor­ gesehen sind, gekennzeichnet durch folgende Merk­ male:
  • - Ankerwicklung (L A ) und Feldwicklung (L F ) sind über ein Koppelventil (V 9) miteinander in Reihe geschaltet,
  • - neben einem gemeinsamen Freilauf über ein 1. Freilaufventil (V 7) ist ein zusätzlicher Feldfreilauf über ein 2. gleichsinniges Freilaufventil (V 8) vorgesehen,
  • - dabei ist der zur Feldwicklung (L F ) gerichtete eine Anschluß des Koppelventils (V 9) über ein gegensinnig gepoltes 1. abschaltbares Bremsventil (V 3) mit dem einen Anschluß des 1. Freilaufventils (V 7) und der zur Ankerwicklung (L A ) gerichtete andere Anschluß des Koppel­ ventils (V 9) über die Reihenschaltung eines Bremsvorwiderstandes (R 3) und eines ungesteuerten Sperrventils (V 10) mit dem anderen Anschluß des 1. Freilaufventils (V 7) verbunden.
1. Circuit arrangement for direct current series-wound motors, in which, when driving, a main valve operated as a DC chopper can be switched off, connects the armature and field winding, which is provided with a free-wheeling circuit, to a DC voltage network and can be switched from regenerative power supply to resistance brake during braking, whereby means for additional field weakening within the operating modes are characterized by the following features:
  • Armature winding ( L A ) and field winding ( L F ) are connected in series with one another via a coupling valve ( V 9 ),
  • - in addition to a common freewheel via a 1st freewheel valve ( V 7 ), an additional field freewheel via a 2nd freewheel valve ( V 8 ) in the same direction is provided,
  • - Here is the connection to the field winding ( L F ) of the coupling valve ( V 9 ) via an opposite polarized 1st switchable brake valve ( V 3 ) with the one connection of the 1st freewheel valve ( V 7 ) and the armature winding ( L A ) directed other connection of the coupling valve ( V 9 ) via the series connection of a braking resistor ( R 3 ) and an uncontrolled check valve ( V 10 ) connected to the other connection of the 1st free-wheeling valve ( V 7 ).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldwicklung (L F ) ein fester Feldschwächwiderstand (R 2) und zur weiteren Feldschwächung ein abschaltbares Ventil (V 4) parallel geschal­ tet ist. 2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the field winding ( L F ) a fixed field weakening resistor ( R 2 ) and for further field weakening a switchable valve ( V 4 ) is switched in parallel. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Reihenschaltung von Bremsvorwiderstand (R 3) und ungesteuertem Sperrventil (V 10) gleichsinnig ein kurzschließender Thyristor (V 5) parallel geschaltet ist.3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the series connection of braking resistor ( R 3 ) and uncontrolled check valve ( V 10 ) in the same direction, a short-circuiting thyristor ( V 5 ) is connected in parallel. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß dem abschaltbaren Hauptthyristor (V 1) gegensinnig ein un­ gesteuertes Sperrventil (V 6) für Netzrückspeisung parallel geschaltet ist.4. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the main thyristor ( V 1 ) which can be switched off is connected in opposite directions to an uncontrolled shut-off valve ( V 6 ) for regenerative power supply in parallel. 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein 2. abschaltbares Bremsven­ til (V 2) in Reihe mit einem Bremswiderstand (R 1) dem 1. Freilaufventil (V 7) gegensinnig parallel geschaltet ist.5. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a 2nd turnable Bremsven valve ( V 2 ) in series with a braking resistor ( R 1 ) is connected in opposite directions to the 1st free-wheeling valve ( V 7 ).
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