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Einrichtung zur selbsttätigen Umschaltung des Stromrichters von elektromotorischen
Antrieben Zur Speisung von Gleichstrommotoren, die mit Schwungmassen gekuppelt sind
und häufig betriebsmäßig abgebremst bzw. reversiert werden müssen, verwendete man
bisher im allgemeinen; den sogenannten Leonard-Umformer. Neuerdings ist man nun
dazu übergegangen, den rotierenden Leonard-Umformer durch ruhende Stromrichteranordnungen
mit gittergesteuerten Gas- oder Dampfentladungsstrecken zu ersetzen. In vollständiger
Weise läßt sich !der Ersatz durchführen, wenn man für die Stromrichter die sogenannte
Kreuzschaltung anwendet, d. h. wenn man zwei getrennte Entladungsgefäße bzw. Entladungsstreckengruppen
vorsieht, von denen ständig die eine als Gleichrichter, die andere dagegen als Wechselrichter
ausgesteuert wird. Wirtschaftliche Gründe lassen es jedoch in vielen Fällen ratsam
erscheinen, nicht die Kreuzschaltung zu verwenden, die ja mindestens zwei Entladungsgefäße
benötigt, sondern zur Speisung des, Motors nur einen Stromrichter
vorzusehen,
der sowohl als Wechselrichter als auch als Gleichrichter ausgesteuert werden kann
und der dann beim Auftreten eines Energierichtungswechsels im Gleichstromkreis umgeschaltet
werden muß.
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Das Kennzeichen des Motorbetriebes bestellt bekanntlich darin, daß
die. EMK der speisenden Stromquelle, also beispielsweise des Leonard-Umformers,
größer ist als die Gegen-EMK des Motors. Im Gegensatz hierzu ist ,der Bremsbetrieb
dadurch gekennzeichnet, daß die EMK des :Motors die EMK der speisenden Stromquelle,
die dann ihrerseits als Gegenspannung wirkt, überwiegt. Nimmt man also bei einem
elektromotorischen Antrieb, der über einen Leonard-Umformer oder eine Stromrichteranordnung
in Kreuzschaltung gespeist wird, während des Motorbetriebes den Steuerhebel der
Stromduelle im Sinne der Spannungserniedrigung zurück, so, stellt sich in dem Augenblick
Bremsbetrieb ein, in dein die Gegenspannung des Umformers kleiner wird als die infolge
der Schwungmassen zunächst noch praktisch konstant bleibende EMK -des Gleichstrommotors.
In diesem Augenblick kehrt sich auch der Strom im Motor und in dem Uniformer um.
Bei Verwendung nur eines Stromrichtergefäßes für Motor- und Bremsbetrieb ist eine
solche Stromumkehr wegen der Ventilwirkung der Entladungsstrecken nicht ohne weiteres
möglich, sondern es müssen zu diesem Zweck erst die Gleichstromanschlüsse des Stromrichters
vertauscht werden. Es versteht sich von selbst, daß damit eine Umkehr des Stromes,
die beim Leotiard-Umformer und bei der Kreuzschaltung das Kennzeichen für das Auftreten
des Bremsbetriebes ist, als Kriterium für den richtigen Umschaltaugenblick von vornherein
ausscheidet.
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Ein wirklich einwandfreies Umschaltkriterium wäre die Differenz zwischen
der EMK bzw. der Leerlaufspannung des Stromrichters und der EMK der Gleichstrommaschine.
Sobald diese Differenz ihr Vorzeichen umkehrt, wechselt auch die Betriebsart des
Stromrichters von Gleichrichter auf Wechselrichter, oder umgekehrt. Nun läßt sich
zwar die EMK der Gleichstrommaschine in dem Augenblick, in welchem die Energie ihre
Richtung wechseln will, ohne weiteres messen, da j a in diesem Augenblick
der Strom der Gleichstrommaschine gleich Null ist und deshalb die Klemmenspannung
mit der EMK übereinstimmt. Dagegen ist es wegen der Ventilwirkung nicht möglich,
die EMK des Stromrichters als solche zu messen. Um trotzdem die Differenz zwischen
der EMK des Stromrichters und der des Gleichstromverbrauchers als Umschaltkriterium
benutzen zu können, ist bereits vorgeschlagen worden, die EMK des Stromrichters
durch die Spannung einer Hilfsspanrtungsquelle nachzubilden, die durch Kupplung
ihres Regelgliedes mit der Steuereinrichtung des Stromrichters eine der Leerlaufspannung
des Stromrichters stets proportionale Spannung liefert. Für die praktische Durchführung
dieses Gedanken sind zwei Ausführungsformen vorgeschlagen worden. Bei der ersten
dient als Hilfsspannungsquelle ein besonderer kleiner steuerbarer Gleichrichter,
dessen Steuerspannung derselben Steuereinrichtung entnommen wird, die -auch den
Hauptstromrichter steuert. Im Gleichstromkreis des Hilfsgleichrichters liegt ein
Widerstand, an dem dann eine der Leerläufspannung des Hauptstromrichters proportionale
Gleichspannung auftritt. Diese Gleichspannung ist jedoch mir so lange vorhanden,
wie der Hauptstromrichter und damit auch der Hilfsgleichrichter für Gleichrichterbetrieb
ausgesteuert tverden. Wird dagegen nach erfolgter Umschaltung des Hauptstromrichters
die Steuerung auf Wechselrichterbetrieb umgestellt, so verschwindet die Vergleichsspannung,
und dieUmschalteinrichtung kann nicht mehr ansprechen, wenn die Energie erneut ihre
Richtung ändern will. Bei der anderen vorgeschlagenen Anordnung ist mit einem die
Steuerspannungen des Stromrichters liefernden Drehregler ein Einphasendrehregler
gekuppelt, der über einen Hilfsgleichrichter an einem Widerstand die Vergleichsspannung
erzeugt. Da ein Übergang von Gleichrichtcrzu Wechselrichterbetrieb eine Verstellung
des Gitterdrehreglers über die Nullstellung des mit ihm gekuppelten Einphasendrehreglers
hinaus erforderlich macht, wird die Hilfswechselspannung mit umgekehrter Phasenlage
wieder hochgeregelt, wobei jedoch die Phasenlage wegen der Zwischenschaltung des
Hilfsgleichrichters ohne Einfluß bleibt. Wenn min beim Übergang von @@'ecliselricliter-
auf Gleichrichterbetrieb die Umschaltung infolge f:Tberwiegens der Vergleichsspannung
über die llotor-EMK erfolgt ist und der Einphasendrehregler daraufhin entsprechend
der Änderung der Steuerung des Stromrichters verstellt wird, so geht die Vergleichsspannung
zunächst wieder zurück, so daß die erfolgte Umschaltung sofort wieder rückgängig
gemacht werden würde.
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Die Erfindung benutzt ebenfalls eine Hilfsspannungsqu-elle, die durch
Kupplung ihres Regelgliedes mit der Steuereinrichtung des Stromrichters eine der
Leerlaufspannung des Stromrichters stets proportionale Spannung liefert. Auch hier
kann vorzugsweise ein Einphasend,rehregler als Hilfsspannungsquelle verwendet werden.
Gemäß der Erfindung werden jedoch die obenerwä hnten Schwierigkeiten dadurch vermieden,
daß die Steuereinrichtung
des Stromrichters aus zwei miteinander
gekuppelten Reglern, vorzugsweise Drehreglern, besteht, die in bezug auf den übrigen
Steuerkreis zusammen mit der Umschaltung des Gleichstromkreiises vertauscht werden,
und von denen jeweils der eine entsprechend der Gleichrichterssteuerung, der andere
entsprechend der Wechselrichtersteuerung, beide mit etwas gleichem Aussteuerungsgrad
eingestellt sind. Der Gedanke, für jede Betriebsart einen besonderen Regler vorzusehen,
ist an: sich bereits bekannt. Durch seine Benutzung im vorliegenden Fall wird erreicht,
daß das Regelglied der Hilfsspannungsquelle beim übergang von der einen Betriebsart
zur anderen überhaupt nicht verstellt wird, so @daß die Hilfsspannungsquelle tatsächlich
in jedem Augenbl,ick und: bei jeder Betriebsart eine der EMK des Stromrichters entsprechende
Vergleichsspannung liefert. Damit auch Spannungsschwankungen des Wechselstromnetzes
bei der Feststellung des richtigen Umschaltzeitpunktes mitberücksichtigt werden,
wird zweckmäßig die Hilfsspannungsquelle so ausgestaltet, daß ihre Spannung der
Wechselspannung des Stromrichters, verhältnisgleich ist. Auf diese Weise läßt sich
auch eine etwa vorhandene Stufenschaltung auf der Wechselstromseite des Stromrichters
berücksichtigen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Der Motor i wird über den Stromrichter 2, zu dem der Transformator 3 gehört, aus
einem Drehstromnetz mit Gleichstrom gespeist. Der Stromrichter-ist in seinem Gleichstromkreis
mittels des Umschalters q. umschaltbar, um die Betriebsart bzw. die Drehrichtung
des Motors beliebig wechseln zu können. Für die Steuerung des Stromrichters bei
Gleichrichterbetrieb und bei Wechselrichterbetrieb- ist je ein besonderer Drehtransformator
5 und 6 vorgesehen. Beide sind miteinander derart gekuppelt, ,daß stets der Stellung
des einen die gleiche Stromrichterspannung entspricht wie der Stellung des anderen.
Von den beiden Drehreglern 5 und 6 ist jedoch nach der Betrie#bs:art stets nur der
eine mit den. Gitterkreisen des Stromrichters verbunden. Zu diesem Zweck ist,derUmschalter7
vorgesehen, der entweder den einen oder den anderen der beiden Drehregler zur Wirksamkeit
bringt. Dieser Umschalter 7 wird beim Energierichtungswechsel gleichzeitig mit dem
Umschalter 4 umgelegt.
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Mit den beiden: Drehreglern 5 und 6 ist nun noch der als Vorgleichsspannungsquelle
dienende Einphais;endreh regler 8 gekuppelt, dessen. Primärwicklung unmittelbar
an die Wechselstromseite des Stromrichters geschaltet ist. Der Einphasendrehregler
hat bekanntlich die Eigenschaft, je nach seinem Verdxehungswinkel eine ihrer Amplitude
nach veränderliche Wechselspannung zu liefern, und zwar ist seine Sekundärspannung
stets proportional seiner Primärspannung, multipliziert mit dem Kosinus des Verdrehungswinkels.
Da aber bekanntlich die Gleichspannung eines; Stromrichters proportional dem Kosinus
des Zündverzögerungswinkels und da andererseits der Zündverzögerungswinkel proportional
dem Verdrehungswinkel der Drehregler 5 und 6 ist, so ändert sich die Sekundärspannung
des Einphasendrehreglers 8 in genau dem gleichen Verhältnis wie die Leerlaufspannung
des Stromrichters. Selbstverständlich können an Stelle der Drehreglers und 6 auch
irgendwelche anderen Regelorgane, beispielsweise verstellbare Widerstände, treten,
und auch der Eiiiphasendrehregler kann durch irgendeine andere regelbare Vergleichsspannungsquelle'
ersetzt werden. Wesentlich,ist nur, daß die Kupplung zwischen beiden .derart ist,
daß stets die Spannung der Vergleichsspannungsquelle ein Maß ist für die Leerlaufspannung
des Stromrichters.
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Durch das Differentialrelais 9 wird die Spannung des Einphasendrehreglers
8 mit der Klemmenspannung des Gleichstrommotors i verglichen. Beide wirken in entgegengesetztem
Sinn auf die Stellung des Relais ein. Hierzu wird .die Wechselspannung des Einphasendrehreglers
' zunächst gleichgerichtet. Zu diesem Zweck ist die Ventilanordnung in Graetz-Schaltung
io vorgesehen, die an einem Widerstand einen der Drehreglerspannung proportionalen
Spannungsabfall erzeugt. Wird der Zündwinkel so weit verstellt, daß die jedem der
beiden Drehregler 5 und 6 entsprechende Betriebsart des Stromrichters wechselt,
so bedeutet das einen Drehrichtungswech.seldes Gleichstrommotors. Da in diesem Fall
der Gleichstrommotor mit umgekehrter Polarität auf das Differentialrelais einwirkt,
muß auch die Vergleichsspannung umgepolt werden. Diesem Zweck dient der Umschalter
ii, der mit der Vergleichs.spannungsquelle ,direkt gekuppelt ist und die Umpolurig
vornimmt, wenn der obengenannte Zündverzögerung swinkel überschritten ist. Man kann
übrigens auch mit Relais bestimmter Ausführung die Gleichspannung des Motors unmittelbar
mit,der Wechselspannung der Hilfsspannungsquelle vergleichen. Damit die Umschaltung
von der einen auf die andere Betriebsart nur erfolgen kann, wenn der Strom ein bestimmtes
Minimum hat bzw. vollständig verschwunden ist, ist noch ein Minimalstrotnrelaiis
12 vorgesehen, dessen Wicklung an einem Stromwandler in der Primärzuleitung des
Stromrichtertransformators 3 liegt oder an einen Shunt im Kathodenkreis angeschlossen
ist,
und .das die Umschaltung sperrt, wenn der Strom in dieser Zuleitung oberhalb eines
gewissen Wertes liegt.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung ist nun folgende: Es möge zunächst
angenommen werden, daß die Vergleichsspannung größer ist als die EMK des Motors.
Der Stromrichter gibt dann Strom ab, und es liegt Motorbetrieb vor. Das Differentialrelais
9 hält. dabei seine Kontakte 13 geschlossen. Wird nun die Steuerung des Stromrichters
so geändert, daß seine EMK geringer wird, so sinkt auch die Vergleichsspannung,
und die: EMK des Motors überwiegt gegenüber der Vergleichsspannung. Das ist ein
Zeichen dafür, daß an dem Motor ein Energieüberschuß aufgetreten ist; das Differentialrelais
9 schaltet um und schließt dabei seine oberen Kontakte 13'. Im gleichen. Augenblick
wird auch das Minimalstromrelais 12 abfallen und seine Kontakte 1.4 überbrücken.
Es kommt nun ein Hilfsstrom über die Kontakte rd. und die Kontakte 13' nach der
Gittersperreinrichtung 15 zustande, der zunächst einmal die Sperrung des Stromrichters
durch Anlegender Gitter an negatives Potential be-,virkt. Die punktierten Hilfsstromkreise
sind der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einpolig gezeichnet. Gleichzeitig
kommt über die Leitung 16' und die Leitung 17' ein Strom zu den Umschaltspulen der
Umschalter 7 und d. zustande. Beide Umschalter ändern ihre Stellung. Dabei schließt
der Umschalter .4 einen mit ihm gekuppelten Hilfskontakt, der über die Leitung 18'
die Gittersperrung freigibt, so -daß der Stromrichter nunmehr mit der der Stellung
des Drehreglers 6 entsprechenden Betriebsart ausgesteuert wird. Tritt nach einiger
Zeit wieder ein Überwiegen der Stromrichter-EMK ein, so schließt das Differentialrelais
9 wiederum seine Kontakte 13, sperrt über die Leitung i9 den Stromrichter und legt
über die Leitungen 16 und 17 die Umschalter 7 und q. um. Der Umschalter d. hebt
dann seinerseits über die Leitung 18 die Gittersperrung wieder auf.