DE1463645A1

DE1463645A1 - Steuersystem fuer elektrische Vorrichtungen

Info

Publication number: DE1463645A1
Application number: DE19641463645
Authority: DE
Inventors: David Gurwicz
Original assignee: Sevcon Engineering Ltd
Current assignee: Sevcon Engineering Ltd
Priority date: 1963-10-05
Filing date: 1964-10-05
Publication date: 1970-01-08
Also published as: GB1048997A; US3365640A; DE1463645B2

Description

München, den 2. Oktober 1964

Unser Zeichen: S 5491

SEVOON ENGINEERING UMITEB Queensway, Team Valley Trading Estate, Gateshead, 11, County Durham, England

"Steuersystem für elektrische Vorrichtungen¹¹

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Steuersystem für elektrische Vorrichtungen.

Die Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht aussehliesslich, Verbesserungen oder Abänderungen des Steuersystems, das Gegenstand der britischen

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Patentschrift Nr. 950 734 ist. Die Erfindung kann auch auf das System, das οβ§βη8ΐε.ηά der britischen Patentschrift Nr.-963 647 bzw. 963 648 ist, angewendet werden.

In der britischen Patentschrift 950 754 ist ein Steuersystem für einen batteriegespeisten Motor bzw. für mehrere Motore beschrieben und beansprucht, das aus einer Impulsgebersch'-.ltung mit einem gesteuerten Gleichrichter besteht' und einen Kondensator, Mittel zum Zwischenschalten des Steuersystems zwischen der Batterie und dem Motor bzw. den Motoren, die gesteuert werden sollen, Mittel zur ^egelung der Impulsfrequenz und 3omit des dem Motor bzw. den Motoren zugeführten Mittelstroms, Mittel in der Schaltung zur Aufrechterhaltung des Stromflusses während der Zwiöchenimpulszeitabschnitte, sowie Mittel in der Schaltung zum Einstellen der "Induktionswirkung¹¹ der Batterie und zur Herabsetzung der im Kondensator gespeicherten Ladung und somit zur Vermeidung eines Ausfalls des gesteuerten Gleichrichters aufweist.

einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Einrichtung zum Einstellen der "Induktionswirkung¹¹ der Batterie und zur Herabsetzung der im Kondensator gespeicherten Ladung und somit zur Vermeidung eines Ausfalls des gesteuerten Gleichrichters aus einer mit dem Motor seriengeschalteten Diode.

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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es die Verluste oder den Stromabfsll zu vermeiden bzw. herabzusetzen, die durch die Verwendung der seriengeschalteten Diode entstehen, wobei gleichzeitig die durch die Diode erhaltene Zunahmekommutationslcapazitat beibehalten wird.

Nachfolgend werden ein Ausführungsbeispiel einer besonderen erfindungsgemässen Ausbildung, sowie Verbesserungen bzw. Abänderungen der in der Beschreibung der oben erwähnten Patentschrift offenbarten Systeme mit Bezug auf die beigefügten " Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:

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Fig. 1 ein Schaltbild eines Teils des Systems in der in- den Beschreibungen der oben erwähnten Patentschriften offenbarten Form; und

Fig. 2 Verbesserungen nach der vorliegenden Erfindung.

Zur Kommutierung eines Gleichrichters SCR (d.h. zum Ausschalten t desselben während er leitend ist), muss der durch den SCR fliessende Strom unter einen kritischen Wert herabgesetzt werden, der als Haltestrom bekannt ist. Der SCR kann jedoch nicht sofort"seine Vorwärtssperreigensehaft wiedergewinnen, wobei eine kurze Zeit verstreichen muss, bis wieder Spannung in der Vorwärtsrichtung angelegt ist. Diese Aufholzeit kann herabgesetzt werden, indem man beim Abschalten Gegenstrom durch den

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SCR strömen lässt. Die Bauer der Aufholzeit hängt von vielen Faktoren ab, wie z.B. von der Vorriehtungsart, der Temperatur des Anschlusses vor dem Abschalten, dem Strom in der Torrichtung knapp vor dem Abschalten und von der Geschwindigkeit des Vorwärtsspannungsanstiegs. Daher weisen die Probleme des Ausschaltens eines SCR viele Komponenten auf.

In der zur Impulssteuerung von GleichstromanizLebsmotoren verwendeten Schaltungen (s. 5¹Ig. 1) ist ein Kondensator über einen gesteuerten Gleichrichter SCRl mit dem SCR2 fur den Hauptstrom verbunden, wobei er e;ine gespeicherte Ladung mit der in Fig. 1 gezeigten Polarität hat. Diese gespeicherte Ladung wird erhalten, indem zunächst der Kondensator über die Belastung, die ^iode D2 und den SCRl geladen wird, worauf der Kondensator über SCR2, den Induktor L und die Diode D3 induktiv entladen wird. Der Widerstand Rl gewährleistet, dass sich SCRl zunächst im Leizustand befindet; durch das Vorhandensein des Rl wird auch gewährleistet, dass die Kondensatoren unabhängig von jeglichen \ Einschwingvorgängen, die den SCRl abschalten könnten, wenn er einmal durch die * /-US "-Schaltung gezündet wird, bis zur vollen Batteriespannung geladen werden können.

Die i^atteriespannung stellt unter Impulsbedingungen keine Konstante dar; beim Anlegen plötzlicher belastung an die Batterie sinkt die batteriespannung schroff und kann den Nullwert erreichen. Die Abfallzeit beträgt nur eine bis zwei Mikrosekun-' den, worauf sich die ^atterie spannung wieder erholt und auf

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einem Wert bleibt, der das Ergebnis der Spannung der offenen Schaltung minus des IR-Abfalls innerhalb der Batterie in ihrem stromliefernden Zustand darstellt» Beim Ausschalten der Batterie steigt.die Spannung abrupt an und ist überschüssig. Dieser Überschuss rührt von der induktiven Beschaffenheit der Batterieleitungen und einigen induktiven Wirkungen her, wie z.B. möglicherweise von der Ionenbewegung innerhalb der Batterie selbst. Die Grosse des Überschusses hängt vom Wert des Impulsstromes ab, der knapp vor Abschalten des Haupt-SCR2 von der Batterie geliefert wird, Die Wirkung des Überschüssen besteht darin, dass der Kondensator C über die Belastung D2 und über SCR1 bis zum Höchstwert des Überschusses ladet und dass,in Abwesenheit von D2, der Kondensator durch die Batterie über Dl, L und D3 induktiv wieder bis zu einem Wert entladen wird, der soviel unter dem Nennwert der Batteriespännung liegt wie der Überschuss ausmacht, Rl zündet dann wieder SCRl, so dass der Kondensator wieder bis zur Batteriespannung der offenen Schaltung aufladen kann.

Dadurch wird der Kondensator immer auf einen %*t geladen, der von der batteriespannung bei offeriem Stromkreis gegeben ist. Da die gespeicherte Ladung in einem Kondensator der Spannung desselben proportional ist, wird jedes Verfahren zur %rh.<3bxuig dieser Spannung zur erhöhten Kommutationskapazität des Kondensators führen. Mit anderen Worten, es würde bei der Kommutierung eines gegebenen Stromes möglich sein, die Höhe der

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verwendeten Kapazitanz herabzusetzen, wenn die Spannung am Kondensator erhöht werden könnte. Gerade dazu dient die vorgesehene D2. Wenn der Kondensator C auf den Höchstwert des Überschusses aufgeladen wird, kehrt D2 wieder in den Sperr- ZuBtand zurück und verhindert die -Entladung des Kondensators über Dl und die Batterie; dadurch nimmt die gespeicherte Ladung im Kondensator und folglich die Kommutierfähigkeit der Einrichtung bei erhöhter Stromladung and folglich erhöhtem induktiven Überschuss zu.

Das oben beschriebene System hat zwar den grossen Vorteil, dass die erhöhte Stromladung zur erhöhten Koramutationskapazität führt; es hat aber auch den Nachteil, dass die Hauptstromladung durch eine Diode D2 strömen muss, Halbleiterdioden sind keine vollkommenen Leiter in der Vorwärtsrichtung und weisen über ihrem normalen Ohmabfall eine Schwellenspannung auf, vor welcher sie leitend sind und zwar bei Verwendung eines Siliziumgleichrichters, im ""ereich zwischen 0,6 und 0,7 Volt. Dadurch wird infolge des Spannungsabfalls und des durch die Diode fliessenden ^tromes innerhalb der Komponente Energie verstreut, die einerseits die Komponente erhitzt und andererseits zu Energieverlust führt.

Im Schaublid nach Pig. 2 ist die Diode D2 beseitigt, während der Gleichrichter D3 nach Fig. 1 durch einen siliziumgesteuerten Gleichrichter SCR3 ersetzt ist. Dieser gesteuerte

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Hilfsgleichrichter SCR3 wird vom transistor TRl über die Anschlusschc.ltung des SCR2 wirksam gemacht.

Die Arbeitsweise ist wie folgt;

Beim Ausschalten wird der Kondensator über SCRl auf den Höchstüberschuss der batterie geladen. Er kann nicht über Dl und die Batterie entladen werden, wenn die Batterie bei offener Schaltung zu ihrer Sollspannung zurückkehrt, da sich SCR3 im Sperrzustand befindet. Dadurch behält C die erhöhte Ladung; wenn SCR2 erregt wird, wird C über SOR2, 1 und SCR3 entladen, wobei SCR3 durch TR1 in demselben Augenblick in den Leitzustand gebracht wird, in dem SCR2 wirksam wird. Die umkehr findet also wie zuvor statt, wobei die Anwesenheit des SCR3 ermöglicht, dass die erhöhte Kommutierungskapazität ohne Verwendung einer Kraftdiode erreicht wird, welche zu den oben erwähnten Verluste führt.

Die Verwendung dieses besonderen siliziumgesteuerten G-Ieich-

richters SCR3 ist zwar hinsichtlich der normalen Arbeitsweise der Schaltung vorteilhaft; sie führt jedoch zu gewissen Schwierigkeiten beim Schliessen und freigeben eines Kurzschlußschalters S.O. Die Aufgabe dieses Schützschal ters besteht darin, die Impulssteuerung auszuschalten und den Motor durch eine normale Antriebsmotorsteuerung zu steuern. Es wurde gefunden, dass es beim Betätigen des Schützschalters und Ausschalten des Impulsschalters reiner Zufall war, dass der

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Steuerschalter nicht imstande war den Schützschalter auszulösen oder den normalen Impulszustand wiederherzustellen.

Nachfolgend- werden die Arbeitsgänge in entsprechender Reihenfolge betrachtet. Ausgegangen wird von der Annahme, dass knapp vor Schliessung des Schützschalters der Kondensator C auf Batteriespannung geladen worden ist, d.h. SCR2 ist nicht leitend. Infolge der Schliessung des Schützsch^lters wird der Kondensator C über den Schutzschalter 1 entladen, wobei SCR3 die Kondensatorladung umkehrt und für die nächste auftretende ^uAUS"-KOiOnutation bereit ist. Dies setzt voraus, dass der Schützschalter nicht aufprallt. Macht sich im Schutzschalter eine Aufprallerscheinung bemerkbar, dann wird nur ein Teil der Ladung über L und SCR3 knapp vor dem erneuten Aufprallen und Öffnen des Schützschalters übertragen. Beim Wiederschliessen des Schützschalters ist es jedoch möglich, SCR5 über die normale Kippschaltung vom "EIN"-Oszillator aus wieder wirksam zu mächen, da die Kathode des SCR3 jetzt hinsichtlich der negativen leitung um einen Wert positiv ist, der von der Höhe der zuvor über L und SCR3 übertragenen Ladung abhängig ist. Das Ergebnis ist, dass SCR3 nicht mehr zur Übertragung geschaltet werden kann und dass der Kondensator C eine ungenügende Ladung für die Kommutierung des SCR2 aufweist, wenn er auf das Auslösen des Schützschalters hin in den Leitzustand versetzt wird. Um SCR3 wirksam zu machen^ wenn der Schützschalter betätigt ist, bedarf es die Verwendung von R5 und D4 nach Mg. 2, Die ganze

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Batteriespannung wird an die Anode von D4 angelegt, wenn der Schutzschalter schliesst, wodurch SCR3 ständig mit Auslösestrom so lange gespeist wird, "bis seine Kathode die Batteriespannung erreicht, d.h. der Kondensator C muss ständig eine gespeicherte ladung aufweisen, die der -^atteriespannung entspricht.

Die geschilderten Bedingungen sind nur dann vorhanden, wenn der Schützschalter schliesst, wenn der Kondensator C auf volle Batteriespannung geladen und SCR2 nicht leitend ist. Palis jedocl der Schützschalter' schliesst, wenn sich SCR2 im Leitzustand befindet, d.h. wenn,der Kondensator C seine Ladung über L und SCR3 schon umgekehrt hat, ist es nicht erforderlich^ die geschilderten VbrsichtsmassBfthm«& zu treffen. Dies ist der Grund, dass beim ausgelösten Kurzschluss-Schtltzsohalter eine Betriebsstörung nur per Zufall stattfinden kann«

Das oben beschriebene System wurde jedenfalls als nicht ganz zufriedenstellend gefunden. Diese Feststellung beruht auf der Tatsache, dass SGH2 nicht leitend ist, wenn der Kurzschluss-Sohüfeschalter geschlossen ist, obwohl er Auslösestrom aufweist; denn in der Tat kann kein L^dungsstrom durch ihn fliessen. Ist somit der Kurzsöhluss-Schützschalter ausgelöst, muss man auf die Einschaltzeit des SCR2 warten, bevor die Spannung am Schutzschalter auf Hull- oder fast Null abfällt. Die Jsinschaltzeit eines SCR liegt im Bereich von 1-2 MikroSekunden, so dass genügend Spannung vorhanden ist, um

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.SCRl über Rl γ/ährenl der Eins ehalt zeit des SCR2 wirksam zu machen; dies führt zum jleiehzvitigen Wirfesaram f.-. ehe η von SCRl und SCR2 und folglich zum Versagen-des Schützschalters. Um dies zu vermeiden, wird eine Zwischensehaltung SCl mit Rl seriengeschaltet, die beim Betätigen des Kurzschluss-Scjützschalters S.C. unterbrochen wird und nur dann wieder wirksam wird, wenn dar Kurzschluss-Schützschalter ganz offen ist. Dadurch gewinnt man genügend Zeit damit der siliziumgesteuerte Hauptgleieh-. richter SCR2 voll leitend wird^um,jegliche Spannung vom Schutzschalter zu entfernen.

Ein weiteres Problem entsteht jedoch bei der Anordnung nach, fig. 2, durch welche man erreichen will, dass SCR2 dadurch leitend wird, dass der "EliP-Oszillator wiederholt anspringt. Da es, wie schon erwähnt, das Entfernen der D2 unmöglich macht, dass SCR2 leitend bleibt, muss SGR2 bei Unterbrechung des Kurzschluss-Schtitzschalters auf den nächsten Auslö*seimpuls vom Oszillator warten, um leitend zu werden. Dies kann zu Bögen P an den Spitzen des Kurzschluss-Schützschalters führen und da einer der Hauptvorteile der Halbleiterstauerung in der Beseitigung häufiger Wartung des Schalters besteht, stellt dies einen grossen Nachteil dar. Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung gestattet, dass SCR2 ständig leitend bleibt, d.h. am Auslöseteil des SCR2 ist eine konstante Gleichstromspannung angelegt, wenn der Kurzschluss-Schützschalter betätigt ist. Dies kann ohne weiteres erreicht werden, indem der Kurzsehluss-Schützschalter

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-^schlössen wird, um eine konstante Gleichstomspannung an den Auslöser des 3CR2 "nzulogen. Kies stellt jedenfalls nicht die EndlÖGung dar, da der Kurzschluss-Schützschalter unmittelbar nachdem dem ^HAUS"-SCR1 ein Signal vom Oszillator übertragen wurde geschlossen werden kann. Da SCR2 durch diese vom geschlossenen Kurzsehluss-Schützschalter gelieferte Gleichstrom-' spannung sofort geschaltet wird, wird die Wiederaufladung des Kondensators C vermieden. Dadurch entsteht für die Zeitkonstante R50 vor dem Laden des Kondensators in der Gegenrichtung eine Verzögerung. Um übermässige Verluste zu vermeiden, muss R5 ziemlich lang sein, woshirch möglich wird, dass der Kurzsehluss-Schützschalter vor Beendigung der Gegenladung ausgelöst wird und somit aus dem Steuerschalter ausfällt. Das ^xroblem wird somit gelöst, indem dafür gesorgt wird, dass SCR2 nicht betätigt wird, wenn sich SGR1 im ^eitzustand befindet, d.h. wenn der Kondensator C nicht voll geladen ist. Dies wird durch Zwischenschalten des D6 erzielt. Die Wirkung der aus R6, D5 und D6 bestehenden Schwellenschaltung besteht darin, dass SCR2 nicht wirksam wird, ehe eine positive Ladung an der Kathode des SCR5 aufgebeut ist, d.h. Ms der Kondensator G in der für die Kommutierung erforderlichen Richtung geladen ist. Danach wird eine beliebige Reihenfolge gewählt.

Sooft der Kurzschluss-Scjützschalter geschlossen wird, muss am Kondensator C eine Gegenladung erscheinen, und zwar unabhängig

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von irgendwelchen Aufprallerscheinungen des Schalters. Nach Erhalt der ffegenladung, bleibt SCR2 konstant auf-"EIN" geschaltet, so dass keine Bogenerscheinungen infolge der Unterbrechung des Kurzschluss-Schützschalters auftreten.

Pat entansprüohe

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Claims

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Patentansprüche

1. Steuersystem für einen batteriegespeisten elektrischen Motor bzw. für mehrere Motoren der in der Patentschrift Nr. 950 734 "beschriebenen Art» dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel sum Verhindern der Induktionswirkung der Batterie die Ladung des Kondensators zu vermindern aus eineaj gesteuerten Gleichrichter bestehen, der mit dem Kondensator und dem Motor seriengeschaltet ist, wobei sioh der Gleichrichter während der Zeit, in welcher eine unerwünschte Entladung dee Kondensators stattfinden könnte, In nichtleitendem Zustand befindet«

2. Steuersystem naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Kondensator aeriengesohaltete gesteuerte Gleichrichter durch einen Impuls wirksam gemacht wird, der gleichseitig an einen gesteuerten Gleiohriohter angelegt ist, der den HauptstrOB leitet·

3· Steuersyeten naoh einen der τοrhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kurzsohluss-Sohützsohalter vorgesehen istι der den Motor unmittelbar von der Batterie aus betätigt, wobei Mittel vorgesehen sind, durch welche der gesteuerte Gleichrichter; der mit dem Kondensator seriengeeohaltet ist, in einen Arbeitszustand gebracht wird, wenn der Schalter geöffnet wird.

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4. Steuersystem nach Anspruch 3, dcdurch fjekennzelehnet, 6^ββ "besagte Mittel eine Widerstandsverbindung zwischen der positiven Klemme der Batterie und dem Tor des Gleichrichters aufweisen.

5. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ah durch gekennzeichnet, dass eine Verbindung, die einen Gleichrichter aufweist, zwischen der Anode dee gesteuerten, mit dem Kondensator seriengeschaltetea Gleichrichtere uxflder Zündelektrode ^es den Eauptatrom tragenden, gesteuerten Gleichrichters vorgesehen ist, ao daes der letztere nicht vorzeitig wirksam gemacht wird, wenn aev Kursechlueseohalter geöffnet wird.

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