DE2014064A1

DE2014064A1 - Arrangement of a variable speed drive, also suitable for electric traction vehicles

Info

Publication number: DE2014064A1
Application number: DE19702014064
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing 5657 Haan Hutt
Original assignee: Kiepe Bahn Elektrik GmbH
Current assignee: Kiepe Bahn Elektrik GmbH
Priority date: 1970-03-24
Filing date: 1970-03-24
Publication date: 1971-10-07

Description

Anordnung eines Antriebs veränderbarer Drehzahl, auch geeignet für elektrische Triebfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf die Anordnung eines Antriebs veränderbarer Drehzahl, auch geeignet für elektrische Triebfahrzeuge und insbesondere für Mehrsystem-Triebfahrzeuge. Arrangement of a variable speed drive, also suitable for electric traction vehicles The invention relates to the arrangement of a drive variable speed, also suitable for electric traction vehicles and in particular for multi-system traction vehicles.

In der Antriebstechnik werden immer wieder Antriebe verlangt, bei denen'man die Drehzahl verändern kann0 Am einfachsten ist dieses bei Gleichstrommoto ren durch Veränderung der Ankerspannung oder durch die Feldschwächung möglich. Bei einer vorgegebenen Netzspannung kann die Ankerspannung nur durch Vorwiderstände geändert werden, was mit entsprechenden Verlusten verbunden ist. Neuerdings wird die Ankerspannung durch Chppper-Steuerungen (Anwendung von gesteuerten Äalbleiterbaueleme-nten) verlustlos geregelte Die Chopper -Steuerung bringt durch ihre Oberwelligkeit für den Gleichstrommotor gewisse Kommutierungsprobleme mit sich. Zwecks Beherrschung dieser Kommutierungsprobleme sind zur Glättung des Stromes Drosseispulen anzuwenden, welche teuer und schwer sind, und zudem beanspruchen dieselben einen groben Raum.Drives are repeatedly required in drive technology which you can change the speed 0 The easiest way to do this is with a DC motor by changing the armature voltage or by weakening the field. at The armature voltage can only be adjusted to a specified mains voltage by means of series resistors be changed, which is associated with corresponding losses. Lately is the armature voltage through Chppper controls (use of controlled semiconductor components) The chopper control brings lossless control through its harmonic ripple for the DC motor with certain commutation problems. For control of these commutation problems are to be used to smooth the current inductor coils, which are expensive and heavy, and besides, they take up a large space.

Um diese Probleme zu vermeiden, ist schon vorgeschlagen worden, die Gleichstromapeisespannung in Drehstrom veränderbarer Frequenz mittels statischer Frequenzumformer umzuwandeln. Diese Umformung von Gleichstrom in Drehstrom ist recht aufwendig und daher für grobe Leistungen noch nicht angewendet worden.In order to avoid these problems, it has already been proposed that DC ice voltage in three-phase alternating frequency by means of static Convert frequency converter. This conversion of direct current into three-phase current is right expensive and therefore not yet used for rough services.

Es gibt Lösungen für Antriebe mit kompensierten Einphasenwechselstrommotoren, beispielsweise nach den deutschen Patenten 469 918 und 429 051.There are solutions for drives with compensated single-phase AC motors, for example according to German patents 469 918 and 429 051.

Hierbei ergibt der kompensierte motor bei gegebener Frequenz nur eine einzige wirtschaftliche Drehzahl Um wirtschaftliche Zwischenstufen zu erhalten, ist schon vorgeschlagen worden, mit dem kompensierten Einphasenmotor einen normalen Drehstromasynchronmotor zu koppeln, so beispielsweise bei einer aus der Fachliteratur (Elektrische Bahnen 1935, Seite 61 und Elektrische Bahnen 1937, Seite 86 ff) bekannten Höllentalbahn-Lokomotive, die mit Einphasenwechselstrom von 50 Hz betrieben wird. Jede Achse dieser Lokomotive wird durch zwei Fahrmotoren angetrieben, und zwar durch einen von DrO Schon angegebenen kompensierten Einphasenwechselstrommotor mit Zwischenläufer und durch einen normalen Drehstrommotor, welcher einen Schleifringläufer besitzt. Der Zwischenläufer des als Phasenspalter und Triebmotor wirkenden kompensierten Einphasenwechselstrommotors ist in Form einer Hohl trommel ausgebildet, welche zwischen dem Ständer und dem Läufer angeordnst ist und auf der Ankerwelle vollkommen frei umlaufen kann. Dieser Zwischenläufer dient zum Ausgleich des gegenläufigen KomponentaldrehfeldesO Zusammen mit dem Ständer bildet der Zwischenläufer den Phasenspalter, welcher, nachdem er angelassen wurde, das Drehfeld erzeugt. Dieses durchsetzt auch den in Form eines normalen Schleifringläufers ausgebildeten Innenläufer, der mit reinem Drehstrom von Schlupffrequenz arbeitet. Der kompensierte Einphasenwschselstrommotor mit gleichzeitiger Wirkung als Phasenspalter verhält sich wie ein normaler Drehstrommotor, d,ho daß bei Belastung ein entsprechender Schlupf und bei übersynchronen Lauf Nutzbremsung eintritt.Here, the compensated motor gives only one at a given frequency only economical speed In order to obtain economical intermediate stages, it has already been proposed that the compensated single-phase motor be a normal one To couple three-phase asynchronous motor, for example with one from the technical literature (Electrical railways 1935, page 61 and electrical railways 1937, page 86 ff) known Höllentalbahn locomotive, which is operated with single-phase alternating current of 50 Hz. Each axle of this locomotive is driven by two traction motors, namely by a compensated single-phase AC motor with intermediate rotor, already specified by DrO and by a normal three-phase motor, which has a slip ring rotor. The intermediate runner of the compensated one acting as phase splitter and drive motor Single-phase AC motor is designed in the form of a hollow drum, which between the stator and the rotor is arranged and completely free on the armature shaft can circulate. This intermediate runner serves to compensate for the opposing component rotating field O Together with the stator, the intermediate runner forms the phase splitter, which after it was left on, generating the rotating field. This also permeates the in the form of a normal slip-ring rotor designed internal rotor, the one with pure three-phase current of slip frequency works. The compensated single-phase AC motor with simultaneous Effect as a phase splitter behaves like a normal three-phase motor, d, ho that A corresponding slip when loaded and regenerative braking when running over-synchronized entry.

Wenn man nun wie eingangs erwähnt, jede~Achse der Lokomotive durch den vorstehend beschriebenen Einphasenwechselstrommotor und einen normalen Drehatrommotor antreibt, kann man insgesamt drei feste bZwo wirtschaftliche Geschuiindigkeitsstufen erzielen, wenn man den Einphasenmotor beispielsweise sechepolig und den Drehstrommotor beispielsweise vierpolig ausführt und die Zwischenstufen durch die an die Schleifringe angeschlossenen Widerstände herstellt. Sofern zwecks Erzielung der ersten festen Geschwindigkeitsstufe beide Fahrmotoren mit insgesamt 10 Polen in Kaskade geschaltet werden, so ergibt sich eine Motordrehzahl von .600 U/min bezogen auf 50 Hzo Auf der zweiten Gsschwindigkeitsstufe arbeitet der Einphasenwechselstrommotor allein, was eine motordrehzahl von 1000 U/min ergibt, während auf der dritten Geschwindigkeitsetufe nur der Drehstrommotor, gespeist aus dem als Phasenspalter leer laufenden Einphasenmotor, mit seinen vier Polen mit einer fflotordrehzahl von 1500 U/min arbeitet, wobei bei den vorstehend angegebenen Drehzahlen ein entsprechender Schlupf zu berücksichtigen ist. fflan kann in bekannter Weise weitere feste Geschwindig keitsstufen dadurch herstellen, daß man die motoren polumschaltbar ausführt.If you now, as mentioned at the beginning, go through every axle of the locomotive the single-phase AC motor described above and a normal rotary rotor motor drives, you can have a total of three fixed or two economic skill levels Achieve if you have the single-phase motor, for example, six-pole and the three-phase motor for example four-pole executes and the intermediate stages through the to the slip rings connected resistors. Provided that in order to achieve the first firm Speed level, both drive motors with a total of 10 poles connected in cascade the engine speed is .600 rpm based on 50 Hz open In the second speed stage the single-phase AC motor works alone, which results in an engine speed of 1000 rpm, while at the third speed level only the three-phase motor, fed by the single-phase motor, which is idling as a phase splitter, with its four poles operates at a rotor speed of 1500 rpm, with a corresponding slip must be taken into account for the speeds specified above is. fflan can use further fixed speed levels in a known manner produce that the motors are pole-changing.

Die vorstehend beschriebene bekannte Anordnung eines Antriebs von elektrischen Triebfahrzeugen, die mit Wechselstrom betrieben werden, besitzt aber wesentliche Nachteile. Denn jede Achse wird hier durch zwei Fahrmotoren angetrieben, wenn man beispielsweise drei feste Geschwindigkeitsstufen erzielen will. Es ist offensichtlich, daß beide Fahrmotoren nicht auf sllen Geschwindigkeitsstufen voll ausgenutzt werden können und es kommt hinzu, daß in den beiden Anlaßwiderstinden, beispielsweise in Form von Wasserwiderständen, in den Zwischenstufen Energie nutzlos in Wärme umgewandelt wird0 Allerdinge kann ein Teil dieser Energie durch Nutzbremsung wieder zurückgewonnen werden. Zudem erfordert die gesamte Anordnung einschließlich der Schaltung einen erheblichen Aufwando Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannt. Anordnung zu vereinfachen, den kompensierten Einphasenwechselstrommotor praktisch verlustlos regeln zu können und die Gesamtanordnung so auszubilden, daß die gleiche Antriebseinheit mit Steuerung in unveränderter Bauart für Mehrsystem-Triebfahrzeuge verwendet werden kann, d.h. insbesondere für Triebfahrzeuge, die aus einem Fahrleitungsnetz mit Gleichstrom oder Einphaseniiiechselstrom von beispielsweise 16 2/3, 25 oder 50 Hz botrieben werden.The above-described known arrangement of a drive of electric locomotives that are operated with alternating current, but has major disadvantages. Because each axis is driven here by two traction motors, if you want to achieve three fixed speed levels, for example. It is Obviously, both traction motors are not full at all speed levels be exploited and there is also the fact that in the two occasional resistances, for example in the form of water resistance, in the intermediate stages energy is useless is converted into heat0 However, part of this energy can be achieved by regenerative braking to be recovered again. In addition, the entire arrangement requires including the circuit a considerable effort o The object of the invention is to known. To simplify the arrangement, the compensated single-phase AC motor to be able to regulate practically lossless and to train the overall arrangement so that the same drive unit with control in the same design for multi-system traction vehicles can be used, i.e. in particular for traction vehicles that come from a catenary network with direct current or single-phase odoriferous current of, for example, 16 2/3, 25 or 50 Hz can be driven.

Die Erfindung besteht darin, daß der mit Zwischenläufer ausgerüstete kompensierte kommutatorlose Einphasenmotor beispielsweise nach DRP 469 918 und 429 051 mit Einphasenwechselstrom veränderbarer Frequenz betrieben wird0 Nach der weiteren Erfindung wird der Zwischenliufer des Einphasenwechselstrommotors aus einer beliebigen Gleichatrotriquelle -eventuell entsprschend geregelt~ gespeist, während dem Ständer ein aus Gleichstrom durch geeignete Zerhackung erzeugter Einphas.nwechsel strom veränderbarer Frequenz zugeführt wird und der Drehatromläufer -gegebenenfalls auch als Kurzschlußläufer ausgebildet X it veränderbarer Drehzahl läuft. Erfindungsgemäß kann der Gleichstrom zur Stromversorgung des kompensierten Einphasenmotors auch aus einer Drehstcm - aderFinphassnwechselstromquelle erzeugt werden und die ErregUng des Zwischenläufers so geregelt werden, daß der Einphasenmotor .mit.cosy 1 oder annähernd mit cos # = 1 betrieben werden kann0 Durch Zurücknahme bzw. Verminderung der Motorfrequenz tritt eine Nutzbremsung in das Gleichstromnetz ein. Erfindungsgemäß kann der Ständer des kompensierten Einphasenmotors so bemessen werden, daß auf der zweiten Achse eines Drehgestells ein zweiter als reiner Drehstrommotor ausgebildster Fahrmotor gleicher Polzahl betrieben werden kann, der als Kurzschlußläuf.armotor ausgebildet ist. Sinngemäß gilt das auch für alle industriellen fflotorantriebs mit veränderbarer Drehzahl. Zur Erfindung gehört auch eine Einrichtungt welche bewirkt, daß nach Ausfall der Netzspannung die Frequenz des Einphasenwechselrichters der tntordrehzahl bei wiederkehrender Netzspannung angepaßt wird, während eine weitere Zusatzeinrichtung dem Zweck dient, den Zwischenläufer des kompensierten Einphasenmotors bei Ausfall der Netzspannung von seiner Erregung zu trennen und bei Wiederkehr der Nétzspannung in an sich bekannter Weise neu zu synchronisieren.The invention consists in that the equipped with intermediate runners Compensated commutatorless single-phase motor, for example according to DRP 469 918 and 429 051 is operated with single-phase alternating current of variable frequency 0 After the other Invention becomes the intermediate runner of the single-phase AC motor from any Equal red source - possibly regulated accordingly - fed while the stand a single-phase alternating current generated from direct current by means of suitable chopping Variable frequency is supplied and the rotary rotor -possibly also designed as a squirrel cage X running it variable speed. According to the invention can also use the direct current to power the compensated single-phase motor from a turnstcm - When the fin-phase alternating current source is generated and the excitation of the intermediate rotor can be controlled so that the single-phase motor .with.cosy 1 or approximately with cos # = 1 can be operated 0 By withdrawal or a reduction in the motor frequency, regenerative braking occurs in the direct current network a. According to the invention, the stator of the compensated single-phase motor can be dimensioned in this way be that on the second axis of a bogie a second as a pure three-phase motor Trained traction motor with the same number of poles can be operated as a Kurzschlusslauf.armotor is trained. This also applies analogously to all industrial fflotor drives with variable speed. The invention also includes a device which causes that after failure of the mains voltage the frequency of the single-phase inverter of the door speed is adjusted when the mains voltage returns, while another Additional device serves the purpose of the intermediate rotor of the compensated single-phase motor to be disconnected from its excitation in the event of a mains voltage failure and when the To re-synchronize the mains voltage in a manner known per se.

Es ist bekannt, bei Vorhandensein einer Gleichstromquelle den Gleichstrom mittels eines statischen Wechselrichters in Drehstrom veränderbarer Frequenz umzuformen und mit dieser einen Asynchronmotor mit Kurzschlußläufer verlustlos abzulassen und zu regeln. Sofern nur ein Drehstromnetx zur Verfügung steht, wird der Drehstrom in einem statischen Umformer in Gleichstrom umgewandelt und mit diesem der Wechselrichter betrieben. Bei der hier gegebenen dreiphasigen Ausführung wird aber der Wechselrichter mit seinen Hauptthyristoren, Dioden und der Steuerelektronik schon recht aufwendig. Aus diesem Grund wird häufig die bisher gebräuchliche Art der Drehzahlregelung angewendet, nämlich ein Gleichstromkollektormotor, welcher über einen Zerhacker bzw. Chopper mit Gleichstromimpulsen veränderbarer Frequenz oder veränderbarer Breite betrieben wird0 Hierbei nacht aber besonders bei grdßeren Leistungen das Kommutierungsproble des Motors häufig Sc;hJierigkeiteno Hier setzt die Erfindung ein, welche bewußt alle Komutierungsprobleme bei Kollektormotoren umgeht und zur Lösung der Aufgabe den bekannten kompensierten Einphasenmotor heranzieht, der gleichzeitig als Phasenspalter und dreiphasig betriebener kollektorloser Induktionsmotor wirkt. Da dieser motor über einen einphasigen Wechselrichter mit veränderbarer Frequenz gespeist werden kann, kann der Materialaufwand für den Wechselrichter im Hauptstromkreis nur etwa zwei Drittel so groß wie für einen Drehstromerzeuger werden Die Steuerelektronik wird ebenfalls wesentlich vereinfacht, da insbesondere die Einrichtung zur Erzeugung der Phasenverschiebung der einzelnen Phasen um 1200 elektrisch gegeneinander entfällt.It is known to use direct current in the presence of a direct current source using a static inverter to convert it into a three-phase current with a variable frequency and with this an asynchronous motor with squirrel-cage rotor can be drained without loss and to regulate. If only a three-phase network is available, the three-phase current is used converted into direct current in a static converter and with this the inverter operated. In the three-phase version given here, however, the inverter with its main thyristors, diodes and the control electronics already quite expensive. For this reason, the previously common type of speed control is often used applied, namely a DC collector motor, which via a chopper or chopper with direct current pulses of variable frequency or variable width The commutation problem is operated at night, however, especially with higher powers of the engine often problems. This is where the invention comes in, which deliberately bypasses all commutation problems with collector motors and to solve the task the well-known compensated single-phase motor, which also functions as a phase splitter and three-phase operated brushless induction motor acts. Since this motor be fed via a single-phase inverter with variable frequency can, the cost of materials for the inverter in the main circuit can only be about two thirds the size of a three-phase generator. The control electronics is also significantly simplified, since in particular the device for generating the phase shift of the individual phases by 1200 electrical against each other is omitted.

Für das Drehmoment des motors ist der Fluß und der Schlupf maßgebend.The flux and the slip are decisive for the torque of the motor.

Die Einphasenspannung, die dem kompensierten Einphasenmotor bei gleichem Drehmomant zugeführt werden muß, ist also um so kleiner, je kleinsr die Frequenz und damit die Drehzahl des Motors ist. Der motorstrom wird dabei in erster Näherung konstant bleiben.The single-phase voltage that the compensated single-phase motor at the same Torque must be supplied, so the smaller the frequency, the smaller it is and thus the speed of the motor. The motor current is a first approximation stay constant.

Claims

Arrangement of a variable speed drive, also suitable for electric traction vehicles and in particular for feeding system traction vehicles through the use of a compensated commutator equipped with an intermediate runner Single-phase motor, for example according to DRP 469 918 and 429 051, the one with single-phase alternating current variable frequency is operated0 20 arrangement of a drive according to claim 1, characterized in that direct current from any direct current source -possibly regulated accordingly- feeds the intermediate runner while the stand of the compensated single-phase motor on from the direct current by means of suitable chopping generated single-phase wax current of variable frequency is supplied and the three-phase rotor -gag also designed as squirrel cage-runs with variable speed

3. Arrangement of a drive according to claim 1 and 2, characterized in that the Direct current for the power supply of the compensated single-phase motor from a three-phase or single-phase alternating current source of any frequency generated by rectification will.

4. Arrangement of a drive according to claim 1 to 32, characterized in that that the excitation of the intermediate rotor is regulated so * that the single-phase motor with co9-8 = 1 or approximately with cos - = '1.

5. Arrangement of a drive according to claim 1 to 4, characterized in that Regenerative braking occurs by reducing the motor frequency.

6. Arrangement of a drive according to claim 1, characterized in that that the compensated single-phase motor in the stator can be dimensioned so that on the second axle of a bogie is a second one designed as a pure three-phase motor Drive motor with the same number of poles can be operated.

7. Arrangement of a drive according to claim 1, characterized in that that the traction motor located on the second axis is designed as a squirrel cage motor is.

so arrangement of a drive according to claim 1 to 7, characterized in that that after failure of the mains voltage the frequency of the single-phase inverter of the Motor speed is adjusted when the mains voltage returns.

9. Arrangement of a drive according to claim 8, characterized in that that the intermediate rotor of the compensated single-phase motor in the event of a mains voltage failure separated from its excitation and re-synchronized when the mains voltage returns will.

Considered publications Electrical Railways 1935, p 61 and 1937, page 86 ff.

German patents 469918, 429051, 467559, 610003, 640881, 647869, 507433, 524537, 646775, 609939, 639421.

Electric locomotives by Karl Ding, 2nd volume, pages 385, 3864, edition 1953)