DE2640878A1

DE2640878A1 - Zerhackerschaltung mit erzwungener kommutierung

Info

Publication number: DE2640878A1
Application number: DE19762640878
Authority: DE
Inventors: Michael Henry Grace; Howard George Murphy; Harvey Edward Schmidt
Original assignee: Allis Chalmers Corp
Current assignee: Allis Chalmers Corp
Priority date: 1975-09-11
Filing date: 1976-09-10
Publication date: 1977-03-24
Also published as: FR2324156A1; US3993942A; CA1068784A

Description

Die Erfindung "betrifft eine Zerhackersclialtung mit erzwungener Kommutierung zur Motorsteuerung von batteriebetriebenen .Fahrzeugen und insbesondere eine Stromb egr enzungs vorrichtung für einen solchen Zerhacker.

Ein bekanntes Verfahren zum Steuern der Spannung und somit der Geschwindigkeit bzw. der Drehzahl eines batteriegetriebenen Gleichstrommotors verwendet einen schnell arbeitenden Schalter, der als Chopper bzw. Zerhacker bezeichnet wird'und mit dem Motor in Serie liegt. Ein solcher Zerhacker-Motorantrieb kann eine Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlsteuerung mit Hilfe einer Impulsbreitenmodulation erzielen, die dazu dient, die mittlere Leistungs- bzw. Energiezufuhr zum Gleichstrommotor zu variieren, was z.B. dadurch geschieht, daß ein

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DR. G. MANITZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD D 1 P L. -INC. W. G R A M K. O W ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

Leistungs-Halbleiterbauelement wie z.B. ein gesteuerter Silizium-Gleichrichter (SCR) bzw. Thyristor zwischen seinem "Ein"- und seinem "Aus"-Zustand hin- und hergeschaltet wird und der Prozentsatz der "Ein"-Zeit gesteuert wird. Andere bekannte Zerhackerantriebe variieren die Frequenz von Impulsen mit konstanter Breite, um die mittlere, dem Motor zugeführte Leistung bzw. Energie zu variieren. Viele bekannte Zerhackerschaltungen unterbrechen den Strom, der durch den den Laststrom führenden Thyristor fließt, durch erzwungene Kommutierung, wobei der Witz darin liegt, daß der Laststrom durch den Thyristor für einen Zeitraum, der größer als die Sperrverzogerungszext (recovery period) des Thyristors ist, auf einen Wert unterhalb des Haltestroms (hold-in current) abgesenkt wird. Kondensator-Zerhackerschaltungen mit erzwungener Kommutierung laden einen Kommutierungskondensator, der im Nebenschluß zu dem den Hauptlaststrom führenden Thyristor liegt, während der "Ein"-Zeit und steuern einen Kommutierungs-Thyristor im Hebenschlußweg so an, daß der Kommutierungs-Kondensator in der Rückwärtsrichtung durch den den Laststrom führenden Thyristor entladen wird, um so dessen Abschaltung bzw. Kommutierung zu bewirken.

Der durch den Zugmotor bekannter Zerhackersteuerungen mit erzwungener Kommutierung fließende Strom kann beim Anlassen, beim Beschleunigen, beim Gegenstrombremsen oder wenn das Fahrzeug eine geneigte Rampe hinauf anfährt, außerordentlich hohe Werte annehmen und dazu führen, daß es sowohl zu einer Beschädigung und beschleunigten Abnutzungen der Motorbürsten als auch zu einer Überhitzung und Beschädigung des Motors selbst kommt.

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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Zerhacker-Motorantrieb mit erzwungener Kommutierung zu schaffen, der die oben geschilderten Kachteile der dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen vermeidet und zu allen Zeiten den dem Motor zugeführten Spitzenstrom begrenzt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Motor-Steuerungszerhacker für batteriegetriebene Fahrzeuge zu schaffen, der die Eigenschaft hat, den dem Motor zugeführten mittleren Strom auch beim Anlassen des Fahrzeugs, beim Beschleunigen, bei Bergfahrten und beim Gegenstrombremsen zu steuern.

Ein Motor-Steuerzerhacker mit erzwungener Kommutierung für batteriebetriebene Fahrzeuge gemäß der Erfindung besitzt einen den Hauptlaststrom führenden Thyristor, der periodisch mit einer hohen Geschwindigkeit/Bin- und ausgeschaltet wird, um die mittlere Leistungs- bzw. Energiezufuhr zum Motor zu variieren, einen Kommutierungs-Konden-* sator, der mittels eines Kommutierungs-Thyristors im Nebenschluß zum Hauptthyristor angeschlossen ist, eine Vorrichtung zum Laden des Kommutierungs-Kondensators während der "Ein"-Zeit des Hauptthyristors auf eine Spannung, die eine Funktion der Größe des Stroms durch den Hauptthyristor ist und eine Polarität aufweist, die den Hauptthyristor rückwärts zu polen sucht, und eine Strombegrenzungsvorrichtung, die die über dem Kommutierungs-Kondensator während der "Ein"-Zeit des Hauptthyristors abfallende Spannung abtastet bzw. mißt und auf eine vorgegebene Größe der gemessenen Spannung dahingehend reagiert, daß sie den Kommutierungs-Thyristor einschaltet, um auf diese Weise den Hauptthyristor abzuschalten bzw. zu kommutieren und die dem Motor zugeführten Stromimpulse zu beenden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das gemessene bzw. abgetastete Spannungssignal in einer RC-Schaltung verzögert und triggert dann

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einen programmierbaren TJni Junction-Trans is tor in der Strom-"begrenzungsschaltung, um auf diese Weise den Kommutierungs-Thyristor einzuschalten und so den Hauptthyristor abzuschalten.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt die einzige Figur ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Motorsteuerung mit erzwungener Kommutierung für ein batteriegetriebenes Fahrzeug gemäß der Erfindung.

Gemäß der Figur steuert ein Motor-Steuerungsζerhacker 10 mit erzwungener Kommutierung selektiv die Geschwindigkeit bzw. die Drehzahl eines Gleichstrom-Fahr-Reihenschlußmotors mit einem Anker A und einer Feldwicklung FLD dadurch, daß in selektiver Weise die Frequenz von Stromimpulsen variiert wird, die dem Motor von einer Batterie BATS über einen Hauptthyristor periodisch zugeführt werden, d.h. über einen den Laststrom führenden, gesteuerten Halbleiter-Gleichrichter-Leistungsschalter PS, wodurch auf selektive Weise die mittlere Energie bzw. Leistung gesteuert wird, die dem Motor zugeführt wird. Der Anker A und die Feldwicklung FLD sind mit dem Leistungsschalter PS und der Primärwicklung T2-T1 eines Transformators über die Anschlußklemmen der Batterie BATT, über die normalerweise offenen Kontakte F1 eines "Vorwärts"-Kontaktgebers bzw. -Schützes und die normalerweise geschlossenen Kontakte R2 eines "Rückwärts"-Schützes in Serie geschaltet, um das Fahrzeug in der Vorwärtsrichtung anzutreiben, oder können alternativ hierzu über die normalerweise offenen Kontakte R1 des "Rückwärts"-Kontaktgebers und die normalerweise geschlossenen Kontakte F2 des "Vorwärts"-Kontaktgebers angeschlossen sein, um das Fahrzeug rückwärts zu bewegen. Eine Freilauf-Diode FWD im Nebenschluß zur Serienanordnung von Motoranker A

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und Feldwicklung FLD schafft einen Weg für den induktiven Motorstrom während der zwischen den Impulsen liegenden Zeiträume, wenn der Leistungsschalter PS offen ist.

Die Frequenz der dem Motor vom Leistungsschalter PS zugeführten Stromimpulse kann mittels, einer in Blockform dargestellten Auftaststeuerung 12 selektiv reguliert werden, die Steuer- "bzw. Auftastimpulse an die Steuerelektrode des Leistungsschalters PS anliegt. Die Auftaststeuerung 12 kann einen Sägezahn- bzw.Kipp-Generator (nicht dargestellt) umfassen, der die Steuerimpulse erzeugt und dessen Frequenz selektiv durch die Einstellung eines auf dem Fahrzeug "befindlichen Potentiometers SPEED POT gesteuert wird. Die Serienanordnung eines KommutLerungs-Kondensators 1C, eines Hilfsthyristors 5 SEG und der Transformator-Sekundärwicklung T3-T4 ist im Nebenschluß mit dem Leistungsschalter PS verbunden. Die eine Seite einer Induktivität bzw. einer Spule 12; ist mit dem Verbindungspunkt zwischen 5 KEG und dem Eömmutierungs-Kondensator 1C verbunden und die andere Seite der Spule 1X ist mit der Kathode eines Kommutierungs-Thyristors 2 EEC verbunden, dessen Anode mit dem Verbindungspunkt zwischen der Transformator-Primärwicklung T2-T1 und der Anode des Leistungsschalters PS verbunden ist.

Die Zeitdauer der vom Leistungsschalter PS gelieferten Stromimpulse wird von dem Zeitintervall zwischen jedem an den Leistungsschalter PS von der Auftaststeuerung 12 angelegten "Einⁿ-Auftastimpuis und dem ^uAusⁿ-Auftastimpuls gesteuert, der hierauf an den Kommutierungs-Thyristor 2 EEC angelegt wird, um den Leistungsschalter abzuschalten. Obwohl die Dauer der vom Leistungsschalter PS dem Motor zugeführten Stromimpulse in der dargestellten Ausführungsform fest ist, kann gegebenenfalls, die Auftaststeuerung 12 die Breite der Stromimpulse selektiv dadurch steuern, daß die Zeitverzögerung zwischen den Steuerungs- bzw. Auftastimpulsen, die an

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den Leistungsschalter PS und an den Konmiutierungs-Thyristor 2 EEC angelegt werden, variiert wird.

Der dargestellte Zerhacker ist allgemein als "Jones"-Zerhacker mit erzwungener Kommutierung der Klasse D bekannt, bei dem ein Kommutierungs-Kondensator von einem Hilfsthyristor, d.h. 2 EEC, geschaltet wird. Unter normalen Betriebsbedingungen wird ein Steuer- bzw. Auftastimpuls jedesmal dann an den Leistungsschalter PS angelegt, wenn der Sägezahn- bzw. Kipp-Generator (nicht dargestellt) der Auftaststeuerung 12 einen Ausgangsimpuls erzeugt, wodurch PS eingeschaltet wird. Nimmt man an, daß der "Vorwärts"-Kontaktgeber eingeschaltet ist, so wird ein Stromimpuls von der Batterie BATT an den Motor angelegt, wenn der Leistungsschalter PS leitet, wobei der Stromkreis von der Batterieklemme B+ über den Anker A, die Kontakte IM, die Feldwicklung PLD, die Kontakte E2, die Transformator-Primärwicklung T2-T1 und den Anoden-Kathoden-Kreis des Leistungsschalters PS zur Batterie-Anschlußklemme B- verläuft. Das Anwachsen der Größe des in der Transformator-Primärwicklung T2-T1 fließenden Stroms induziert eine Spannung in der Sekundärwicklung T4~TJ mit einer solchen Polarität, daß T3 in den negativen Bereich getrieben wird. Die Steuerelektrode des Hilfs-Thyristors 5 EEC kann in der Auftaststeuerung 12 auf Masse bzw. Erde bezogen werden, und das negative Potential an T3 wird an die Kathode des Thyristors 5 EEC angelegt, um auf diese Weise dem Thyristor 5 EEC ein ihn einschaltendes Steuersignal zuzuführen. Der leitende Zustand des Thyristors 5 KEC hat zur Folge, daß der Kommutierungs-Kondensator 10 von dem in der Transformator-Sekundärwicklung T3-T4- induzierten Potential mit einer Polarität geladen wird, die dazu führt, daß der Kommutierungs-Thyristor 2 EEC in Vorwärtsrichtung gepolt wird, während der Leistungsschalter PS in Eückwärtsrichtung gepolt wird. Nachdem der Kommutierungs-Kondensator 1C geladen ist, fällt der Stromfluß durch den Hilfs-Thyristor 5 EEC

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unter dessen Haltestrom und schaltet diesen ab = Wenn der Strom durch den Thyristor 5 KEC und die WicMung T3~T4 auf Hull abfällt, bricht das magnetische leid des Trans= formators zusammen und induziert in der Sekundärwicklung Τ3·=Τ4 eine Spannung, die T3 in den positiven Spannungsbereich treibt_o Die positive Polarität der Spannung an der Anschlußklemme T3 kann von der Auftaststeuerung 12 der Steuerelektrode des Kommutierungs-Kondensators 2 EEC "zugeführt" werden, um ihn einzuschalten und so den Kommutierungszyklus einzuleiten,,

Die Kommutierung des Leistungsschalters PS wird eingeleitet, wenn der Kommutierungs-Kondensator 1C beginnt, Laststrom vom Leistungsschalter PS mit einer durch die Induktivität der Drossel 1X verzögerten Rate in einen, Pfad durch 1 X und 1C zu leiten. Der vom Kommutierungs-Kondensator 1C in die Schleife durch den Leistungsschalter PS übertragene Strom ist in seiner Polarität dem durch den Leistungsschalter PS fließenden Laststrom entgegengesetzt und kommutiert den Leistungsschalter bzw. schaltet diesen ab, wenn der resultierende Strom durch den Leistungsschalter PS für die erforderliche Sperrverzogerungszeit kleiner als dessen Haltestrom ist. Der Kommutierungs-Kondensator 1C überlädt sich nun von der in der induktiven Motorwicklung PLD gespeicherten Energie auf eine Spannung mit einer Polarität, die den Kommutierungs-Thyristor 2 REC rückwärts zu polen sucht und diesen abschaltet.

Der normale Ablauf wiederholt sich mit einem Arbeitszyklus bzw. Tastverhältnis, das von der Einstellung des Geschwindigkeitspotentiometers SPEED POT gesteuert wird, welches die Frequenz des Sägezahn-Generators reguliert, mit der "Ein"-Steuerimpulse von der Auftaststeuerung 12 an den Leistungsschalter PS angelegt werden.

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Eine Spitzenstrom^Begrenzungsschaltung PGJjO überwacht die vor dem Koinmutisrungszyklus über dem ikommutierungs-Kondensator 10 abfallende Spannung und liefert ein variables Verzögerungssignal₅ das die Kommutierung einleitet, wenn der dem Motor zugeführt e Strom eine vorgegebene Höhe üb ersteigt ο Der Kommutierungs-Kondensator 10 wird xrährend der ^!tEin"~Zeit des Leistungsschalters PS durch die in der Transformator-wicklung 23~T4 induzierte Spannung aufgeladen^ die der imderungsgeschmndigkeit des durch den Leistungsschalter PS und die Primärwicklung T1~T2 des Transformators fließenden Laststroms proportional isto Folglicherweise ist die über dem Kommutierungs-Kondensator 10 abfallende Spannung kennzeichnend für die Größe des in den Motor fließenden Laststroms_β

Die über der aus dem Kommutierungs-Kondensator 10 und der

bestehenden Serienschaltung

Drossel IX/abfallende Spannung wird an die Strombegrenzungsschaltung POLO über eine Diode D1 und eine Zeitverzögerungsschaltung angelegt, die eine aus einem Potentiometer POT 1, einem Widerstand .R3 und einem Verzögerungskondensator 02 bestehende Serienanordnung umfaßt. Die über POT 1, R3 und 02 in Serie eingeprägte Spannung wird auch an einen Spannungsteiler angelegt, der zwei Widerstände R8 und R9 in Serie umfaßt, und das Potential am Verbindungspunkt von R8 und R°/ wird an die Steuerelektrode bzw. das Gate eines programmierbaren Unijunction-Transistors PUJ angelegt, dessen Anode an den Verzögerungskondensator 02 angekoppelt ist. Die über dem Verzögerungskondensator 02 aufgebaute Spannung folgt der Steigung bzw. Steilheit der Ladung auf dem Kommu tierungs-Kondensator 10 (die eine Funktion der Größe des Stroms durch PS ist), doch wird sie durch die RO-Zeitkonstante von 02 und des kombinierten Widerstandswertes von POT 1 und R3 verzögert. Die Kathode des Unijunction-Transistors PUJ ist über einen Widerstand R4- mit der Basis

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eines HPN-Trans is tors Q2 verbunden« Wenn die über dem Verzögerungskondensator C2 aufgebaute und an die Inode von PUJ angelegte Spannung das Potential dessen Steuerelektrode erreicht, so wird der programmierbare Unijunction-Transistor PUJ gezündet. Das Le it endwerden des Unijunction-Transistors PUJ koppelt die über dem Verzögerungskondensator C2 abfallende Spannung über den Anoden-Kathoden-Kreis von PUJ und einen Widerstand B.4 auf die Basis des Transistors Q2 und polt Q2 in Vorwärtsrichtung, so daß dieser leitend wird. Der leitende Zustand des Transistors Q2 koppelt die über dem Kommutierungs-Kondensator iö abfallende Spannung auf die Steuerelektrode des Kommutierungs-Thyristors 2 EEC, und zwar über einen Weg, der durch D1, einen Widerstand E5, den Kollektor-Emitter-Kreis von Q2 und die Diode D2 führt, wodurch 2 EEG in seinen leitenden Zustand gebracht wird, so daß er den Leistungsschalter PS abschaltet und den Stromimpuls an den Motor beendet. Da die von der EG-Zeitkonstanten von PGT Λ, E3 und G2 gelieferte Verzögerung in der Strombegrenzungsschaltung PCLC fest ist, begrenzt das Aus gangs signal der Schaltung PCLG, das den Kommutierungs-Thyristor 2 EEC einschaltet, die "Ein"-Zeit des Leistungsschalters PS, wodurch ein stabiler Arbeitspunkt für die Zerhackersteuerung erzeugt bzw. festgelegt wird.

Die Erfindung schafft also eine Zerhackersteuerung mit erzwungener Kommutierung zur Eegulierung der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl eines G-leichstrom-Serien—Zugmotors, die den "Motor-Spitzenstrom dadurch begrenzt, daß die über dem Kommutierungs-Kondensator während der "Ein"-Zeit der Stromimpulse abfallende Spannung gemessen und der Kommutierungs-Thyristor bei einer vorgegebenen Größe dieser gemessenen Spannung eingeschaltet wird, so daß hierdurch die dem Motor zugeführten Stromimpulse beendet werden.

- Patentansprüche 709812/0787

L e e r s e i t e

Claims

Patentansprü eh. e

1. Zerhackerschaltung mit erzwungener Kommutierung zur Steuerung der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl eines Gleichstrommotors mit einem Hauptthyristor, der mit dem Motor in Serie liegt, periodisch, von einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand geschaltet werden kann, in "dem er den dem Motor zugeführten Laststrom führt ,₃; mit einer iiommutierungsschaltung, die im Nebenschluß mit dem Hauptthyristor verbunden ist, dazu dient, den Hauptthyristor auf ein Steuersignal hin zu kommutieren bzw. abzuschalten und die einen in der gleichen Richtung wie der Hauptthyristor gepolten Kommutierungs-Thyristor und einen mit dem Kommutierungs-Thyristor in Serie liegenden Kommutierungs-Kondensator umfaßt, mit einer Ladeschaltung, die dazu dient, den Kommutierungs-Kondensator während der "Ein"-Zeit des Hauptthyristors auf eine Spannung aufzuladen, die eine Funktion der Größe des durch den Hauptthyristor fließenden Laststroms ist und die eine Polarität aufweist, die den Kommutierungs-Thyristor in Vorwärtsr.ichtung und den Hauptthyristor in Rückwärtsrichtung zu polen sucht, gekennzeichnet durch eine Strombegrenzungsschaltung (PCLC), die bei einer vorgegebenen Größe der über den Kommutierungs-Kondensator (1C) abfallenden Spannung den Kommutierungs-Thyristor (2 REC) in den leitenden Zustand steuert, so daß hierdurch der Hauptthyristor (PS) kommutiert bzw. abgeschaltet wird.

2. Zerhackerschaltung mit erzwungener Kommutierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Strombegrenzungsschaltung eine Zeitverzögerungsschaltung (R3, C2, POT 1) umfaßt, die eine, selektiv veränderbare _rZeitverzögerung zwischen dem Erreichen der vorgegebenen Größe durch die über dem Kommutierungs-Kondensator abfallende Spannung und der Ansteuerung des Kommutierungs-Thyristors erzeugt.

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Zerhackers chaltung mit erzwungener Kommutierung nach Anspruch 1 oder 2, bei der Einschalt-8teuerimpulse periodisch an den Hauptthyristor angelegt werden, um diesen einzuschalten, und bei der nach einer selektiv variablen Zeitverzögerung, die auf jeden dieser Einsehalt-Impulse folgt, Ausschalt-Steuerimpulse an den Kommutierungs-Ihyristor angelegt werden, um hierdurch den Hauptthyristor abzuschalten, dadurch gekennzeichnet , daß die Strombegrenzungsschaltung auf die in dem Intervall zwischen den Einschalt-Steuerimpulsen und den Ausschalt-Steuerimpulsen über dem Kommutierungs-Kondensator abfallende Spannung anspricht.

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