DE2754349A1

DE2754349A1 - Verfahren und einrichtung zum regeln mehrerer unabhaengiger elektrischer groessen einer gleichstromeinrichtung

Info

Publication number: DE2754349A1
Application number: DE19772754349
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Alacoque
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-12-07
Publication date: 1978-07-06
Also published as: ES465254A1; DE2754349C2; BE862041A; FR2375756A1; FR2375756B1; CH630758A5

Description

Me/dh

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren und Einrichtung zum Regeln mehrerer unabhängiger elektrischer Grossen einer Gleichstromeinrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln mehrerer unabhängiger elektrischer Grossen einer Gleichstromeinrichtung, in welcher jede elektrische Grosse Thyristorgesteuert ist. Die Erfindung bezieht sich ebenso auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Sie ist besonders anwendbar auf dem Traktionsgebiet, wo gleichstromgetriebene Motoren vorherrschen.

In der Regel sind die Einrichtungen zum Regeln von elektrischen Grossen in mit Gleichspannung gespeisten Leistungsnetzen mit Leistungshalbleitern, insbesondere mit Thyristoren bestückt.

Abgesehen von der leichten Art, die Thyristoren leitend zu machen, wird einer ihrer Nachteile darin gesehen, dass es zu ihrer Löschung eines eigenen Stromkreises - Lösch- oder Schaltkreis genannt - bedarf, welcheTaufwendig und kostspielig ist.

Bisher wurde in der Regel jede der elektrischen Grossen unabhängig voneinander mittels eines eigenen Löschkreises geregelt, welcher den jeweiligen Steüerthyristor zugeordnet

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ORIGINAL INSPECTED

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war; als Steuerthyristor musste zwangsläufig ein sogenannter "schneller" Thyristor verwendet werden. Die Schaltungen wurden dadurch relativ komplex, was kostspielige Montagen verursachte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und ein Regelverfahren für mehrere unabhängige elektrische Grossen einer Gleichstromeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, wobei jede elektrische Grosse über einen normalen Thyristor gesteuert wird.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass alle Steuerthyristoren durch eine einzige Umschaltvorrichtung gesteuert und dabei gleichzeitig gelöscht werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Sie wird gelöst, indem eine einzige Umschaltvorrichtung in Reihe geschaltet ist mit den je eine elektrische Grosse steuernden Thyristoren, welche ihrerseits untereinander parallelgeschaltet sind, so dass alle Thyristoren gleichzeitig löschbar sind.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform kann die Umschaltvorrichtung ein Gleichstromregler sein, welcher einen Hauptthyristor und einen Löschkreis mit Thyristor aufweist.

Ein weiteres Ziel des erfindungsgemässen Verfahrens ist seine Anwendung beim Umschalten auf die folgenden verschiedenen Funktionsphasen eines Motors: Motorspeisung, Widerstandsbremsung, Nutzbremsung und Feldschwächung des Motorläufers.

In der Zeichnung sind sowohl Ausführungsbeispiele der Erfin-

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dung schematisch dargestellt, als auch Diagramme zum besseren Verständnis ihrer Funktionsweise wiedergegeben.

Es zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschema einer erfindungsgemässen Schaltung

Fig. 2 ein repräsentatives Schaubild der Ströme in den in Fig. 1 gezeigten verschiedenen Schaltungselementen

Fig. 3 eine erste erfindungsgemässe Schaltung

Fig. h ein Schaubild der Ströme in den in Fig. 3 gezeigten Schaltungselementen in folgenden Phasen:

a - beim alleinigen Widerstandsbremsen b - beim alleinigen Nutzbremsen c - beim gemischten Widerstands- und Nutzbremsen

Fig. 5 eine zweite erfindungsgemässe Schaltung in ihrer Anwendung bei einem Motor mit HauptStromerregung

Fig. 6 eine dritte erfindungsgemässe Schaltung in ihrer Anwendung bei einem fremderregten Motor

Fig. 7 eine vierte erfindungsgemässe Schaltung, bei welcher für den Bremsvorgang'die Feldmagnetspeisung über eine allgemeine Anspeisung geschieht.

Fig. 8a eine fünfte erfindungsgemässe Schaltung, mit welcher das Umschalten auf verschiedene Funktionsphasen möglich ist: Traktion, Nutzbremsung, Widerstandsbremsung

Fig. 8b eine Darstellung jener Elemente gemäss Fig. 8a, die während der Traktionsphase aktiv sind

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-A-

Fig. 8c eine Darstellung jener Elemente gemäss Fig. 8a, die während der Bremsphase aktiv sind

Fig. 9a eine sechste erfindungsgemässe Schaltung, mit welcher die Feldschwächung des Hauptstromes während der Bremsphase bewirkt wird

Fig. 9b eine siebfe erfindungsgemässe Schaltung als Abwandlung der Schaltung gemäss Fig. 9a.

In Fig. 1 versorgt ein Anschlussnetz mit der Gleichspannung U die Lasten 1, 2 ... n. Mit je einer Last ist ein Thyristor ThI, Th2 ... Thn in Reihe geschaltet.

Ein einziger mit Thyristoren bestückter Unterbrecher H ist in Reihe geschaltet zwischen einem der Pole des Anschlussnetzes und dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Thyristoren ThI, Th2 ... Thn.

Der thyristorenversehene Unterbrecher H kann beliebig leitend gemacht oder gesperrt werden.

Das Löschen der Thyristoren ThI, Th2 ... Thn wird durch Abklingen des sie durchfliessenden Stromes erzielt, wenn der Unterbrecher H öffnet. Die natürliche Löschung der Thyristören ThI, Th2 ... Thn durch Fehlen von Strom erlaubt es in der Regel, sogenannte "langsame" Thyristoren zu verwenden, im Gegensatz zur erzwungenen Löschung, welche "schnelle" Thyristoren bedingt. Die langsamen Thyristoren sind billiger und vertragen höhere Spannungen als die schnellen Thyristoren.

Anhand des Diagrammes in Fig. 2 wird die Funktionsweise der Einrichtung erläutert. Die Evolution der Zustände der einzelnen Einrichtungselemente ist in Funktion der Zeit darge-

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stellt. Das Niveau 0 bedeutet Sperrung (nicht leitend), das Niveau 1 Leitung des Elementes.

Es wird die Annahme getroffen, dass vor dem Zeitpunkt to der Unterbrecher H blockiert ist. Die Thyristoren ThI, Th2 ... Thn sind demnach zwangsläufig gelöscht, weil kein Strom fliesst.

Im Zeitpunkt to wird der Unterbrecher H leitend gemacht. Von diesem Augenblick an ist es möglich, zu einem gewünschten Zeitpunkt und völlig unabhängig voneinander die Thyristoren ThI, Th2 ... Thn leitend zu machen. Sollen eine oder mehrere Lasten nicht angespeist werden, so müssen die entsprechenden Thyristoren nichtleitend gemacht werden.

Im gezeigten Beispiel gemäss Fig. 2 wird der Thyristor ThI zum Zeitpunkt ti leitend, der Thyristor Th2 zum Zeitpunkt t2, ... der Thyristor Thn zum Zeitpunkt tn. Infolgedessen liegt die Speisespannung U ab dem Zeitpunkt ti an den Klemmen der Last 1 an, an den Klemmen der Last 2 vom Zeitpunkt t2 an, ... an den Klemmen der Last η vom Zeitpunkt tn an.

Im Zeitpunkt t3 wird der Unterbrecher H blockiert, wodurch mangels Strom ebenfalls die Thyristoren ThI, Th2 ... Thn nichtleitend werden. Die Lasten 1, 2 ... η werden demnach vom Zeitpunkt t3 an nicht mehr angespeist.

Im Zeitpunkt t4 wird der Unterbrecher H erneut leitend gemacht, womit ein neuer Zyklus beginnt, analog jenem zwischen to und t4.

Beispielsweise beträgt der Mittelwert des zwischen den Zeitpunkten to und tk an die Klemmen einer Last η angelegten Spannung:

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- fr -

U=UX

*3-'η

Die Zeitpunkte to, t3 und t*J sind nur von der Wirkungsweise des Unterbrechers H abhängig. Die Spannung U ist vom Gleichstromnetz her gegeben. Infolgedessen ist der Mittelwert der an den Klemmen der Last η angelegten Spannung nur vom Zündzeitpunkt tn des Thyristors Thn abhängig. Da dieser Zeitpunkt für jede Last unabhängig gesteuert werden kann, kann somit für jede einzelne Last ihre mittlere Klemmenspannung geregelt werden.

Der zwischen den Zeitpunkten to und t3 von der Einrichtung durchlaufene Zyklus kann auf irgendeine Art wiederholt werden (mit konstanter Frequenz, mit variabler Frequenz, stochastisch, usw.).Die einzige zu beachtende Bedingung ist, dass das Zeitintervall (t4 - t3) genügend gross gewählt wird, damit die Thyristoren ThI, Th2 bis Thn ihr Sperrvermögen erreichen.

Dieses Verfahren zum Steuern von unabhängigen elektrischen Grossen ist besonders anwendbar bei der Koppelung von Widerstands- und Nutzbremsung bei einem Fahrzeug im Gleichstromfahrbetrieb. Eine entsprechende Schaltung anlässlich der elektrischen Bremsphase ist in Fig. 3 gezeigt.

In diesem

Schaltung ist mit M der Läufer eines Traktionsmotors bezeichnet j der vom Strom j durchflossen ist.

R ist der Widerstand für die Widerstandsbremsung; er ist so dimensioniert j dass die bei der Bremsung anfallende Energie in Wärme dissipiert wird.

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I bezeichnet die Erregerwicklung eines Traktionsmotors in Serienausführung.

Dl ist die Preilaufdiode des Läufers H ist der Unterbrecher mit Thyristor D2 ist eine Diode, die verhindert, dass die Speisespannung U während den Bremsphasen am Motor M anliegt

L und C sind Sperrfilter, welche hinsichtlich Wechselstrom die galvanische Trennung zwischen Speisenetz und elektrischen Schaltkreisen des Fahr

zeugs besorgen

ThI ist ein Thyristor, mit dem der mittlere Strom im Widerstand R gesteuert wird;

Th2 ist ein Thyristor, mit dem der mittlere Strom i im Läufer gesteuert wird; dieser Strom bestimmt

die EMK des Motors, wenn er als Generator läuft, also den Strom j.

Das Diagramm in Pig. H zeigt den Zustand der einzelnen Einrichtungselemente in Funktion der Zeit. Das Niveau 0 bedeutet Sperrung, das Niveau 1 Leitung. Nachdem die Bremsung mit Energierückgewinn, d.h. die Nutzbremsung immer vorrangig ist, wird das Aufnahmevermögen des Netzes bezüglich Bremsleistung permanent durch den Wert der Spannung U gemessen. Uebersteigt die Spannung U einen im voraus bestimmten Wert, so muss von der Nutzbremsung auf die Widerstandsbremsung umgeschaltet werden.

In Fig. 4c ist die Nutzbremsung vorrangig, d.h. dass im Verlauf eines Zyklusses to - t4 zuerst auf Nutzbremsung im Zeitpunkt to geschaltet ist. Falls nun die Speisespannung U einen im voraus bestimmten Wert überschreitet, was bedeutet, dass das Netz die ihm zugeführte Leistung nicht mehr aufnehmen kann, so wird im Zeitpunkt t2 die Widerstandsbremsung eingeschaltet. 809827/0641

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- ar-

Dieser Vorgang spielt sich bei jedem Zyklus to - t4 ab, wobei die Zyklen sich mit einer Frequenz von einigen 100 Hz wiederholen.

Zwei extreme Fälle können unterschieden werden:

Fig. ²Ia: Die Spannungsmessung zeigt, dass vom Zeitpunkt t2 an das Netz für die Bremsleistung nicht aufnahmefähig ist. Der Widerstand für die Widerstandsbremsung wird sofort eingeschaltet; es liegt keine Nutzbremsung vor (abgesehen vom Zeitabschnitt zwischen to und ti, wo dies unvermeidlich ist, jedoch ist sowohl dieser Zeitabschnitt als auch die darin rekuperierte Energie vernachlässigbar). Das Zeitintervall (ti - to) ermöglicht die systematische Abfrage nach der Aufnahmebereitschaft des Netzes bezüglich elektrischer Bremsleistung.

Fig. 4b: Die Spannungsmessung zeigt, dass bis zum Schleifenende das Netz für die anfallende Bremsleistung aufnahmefähig ist; die Widerstandsbremsung wird also nicht eingeschaltet (ThI bleibt gesperrt).

Der besondere Vorteil des Verfahrens wird darin gesehen, dass die anlässlich einer Bremsung rekuperierte Leistung ständig entweder der maximalen Bremsleistung oder der maximalen Aufnahmefähigkeit des Netzes entspricht. Infolgedessen ist die realisierbare Energieeinsparung maximal.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin^ dass alle Steuerungen über Vorrichtungen mit Halbleitern vorgenommen werden, wobei die Leitdauer variiert wird. Dies ermöglicht eine schnelle, genaue und progressive Regelung, was sich in gutem transitorisehen Verhalten und gutem FahrgastkoiBfort ausdrückt»

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In der Schaltung gemäss Fig. 5 ist die Erregerwick^ng in Reihe mit dem Motorläufer geschaltet. In der in Fig. 6 gezeigten Schaltung wird die Erregerwicklung von einer unabhängigen, regulierbaren Stromquelle u gespeist. Die Wirkungsvreise dieser beiden Schaltungen entspricht jener gemäss Fig. 3·

Die Schaltung gemäss Fig. 7 verhält sich analog jener gemäss Fig. 6, da man die Anspeisung der Erregerwicklung als unabhängig ansehen kann, und zwar von der Stromversorgung U her; der in der Erregerwicklung fliessende Strom i wird mit dem Thyristor Th2 gesteuert.

Der besondere Vorteil dieser Anordnung wird darin gesehen, dass, falls gebremst werden soll, die Anspeisung der Erregerwicklung über die Stromversorgung U erfolgt, somit keine Hilfsquelle für die Vormagnetisierung oder Anspeisung erforderlich ist (im Gegensatz zu den beschriebenen Schaltungen gemäss Fig. 3 und Fig. 5)·

In der Tat bewirkt die Zündung des Thyristors Th2, dass Magnetisierungsenergie in der Erregerwicklung vorliegt und zwar sowohl vor der Rekuperationsphase, um den Motor als Generator zu schalten als auch während der Bremsphase.

Fig. 8a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur statischen Umschaltung der verschiedenen Funktionsphasen eines Motors; Traktion, Widerstandsbremsen, Nutzbremsen.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise ist die Einrichtung in zwei Schemata aufgeteilt.

Fig. 8b zeigt die Konfiguration Traktion. Nur die während dieser Phase aktiven Elemente sind dargestellt. Der Thyri-

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-KT-

stor Th¹J ist kontinuierlich leitend.

Der Feldstrom i wird mit dem Thyristor Th2, der Ankerstrom j mit dem Thyristor Th5 gesteuert. Es muss demnach keine Vorrichtung zur Feldschwächung vorgesehen werden.

Fig. 8c zeigt die Konfiguration Bremsung. Nur die während dieser Phase aktiven Elemente sind dargestellt. Man erkennt wiederum die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 3 (zusätzlich die Diode D3, die jedoch keinen Einfluss auf die Funktionsweise ausübt).

Der Thyristor Th5 wird notwendig, wenn die Erregerwicklung Vdin Typ Nebenschluss ist. Er bewirkt einen KurzXfuss, welcher eine Energiespeicherung in der Lauferinduktanz ermöglicht. Nach erfolgter Abschaltung durch den Unterbrecher HO wird diese Energie an das Netz zurückgegeben. Der Thyristor Th3 wird fortgelassen, wenn die Erregerwicklung vom Typ Reihenschluss ist.

Die notwendige Vormagnetisierung zum Umschalten des Motors M auf Generatorbetrieb beim Bremsen wird dadurch erzielt, dass der Thyristor TlWl, der Thyristor Th2 und der Unterbrecher H leitend werden und zwar während einer Zeitspanne, die benötigt wird, damit ein vom Netz herrührender, genügend grosser Strom i sich im Läufer aufbauen kann.

Zur Vormagnetisierung sind somit kein separates Versorgungsnot:-, und keine zusätzlichen Elemente erforderlich.

Zusammengefasst sind die Vorteile der Schaltungsanordnung:

- Umschaltung Traktion-Bremsung, einfach und mit nur wenigen El cnionton

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\Z

- Progressive Konjugation von V/iderstandsbremsen und Nutzbremsen, wobei die höchstmögliche Leistung ans Netz abgegeben wird.

- Einfache Vor-Erregung ohne Hilfsstromquelle

- Feldschwächung ohne besondere hierfür vorgesehene Vorrichtung.

Wenn ein Gleichstrommotor mit höherer als Nenndrehzahl laufen soll, muss der Feldstrom gegenüber dem Ankerstrom progressiv reduziert werden. Um - im Falle eines Serienmotors - ein genügend grosses Drehmoment zu bewahren, wird ein regelbarer Teil des Ankerstromes in einen Schaltkreis geleitet, der parallel zu den Klemmen der Erregerwicklung geschaltet ist.

In den Fig. 9a und 9b sind Ausführungen gezeigt, mit denen dieses Ergebnis erzielbar ist.

Der Thyristor ThI ermöglicht es, den Strom (j - 1) abzuzweigen, wodurch die Feldschwächung realisiert wird. Diese Aenderung des Zeitpunktes, in welchem der Thyristor ThI zu leiten anfängt, ermöglicht unterschiedliche Mittelwerte des Stromes (j - i), und regelt somit die "Proportion der FeId-Schwächung".

Im Falle gemäss Fig. 9a ist der Widerstand R ein permanenter Nebenschlusswiderstand. Zum Zeitpunkt, in dem der Unterbrecher H sperrt, schliesst sich der Strom i über die Diode Dl und den Rotorläufer, während sich der Strom (j - i) über den Widerstand R, die Diode Dl und den Rotorläufer schliesst.

Im Falle gemäss Fig. 9b schliesst sich der Strom j zum Zeitpunkt, in dem der Unterbrecher H sperrt, über die Diode Dl, während der Strom i sich über die Diode D2 schliesst.

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Die Vorteile der Erfindung sind augenscheinlich. Mit Hilfe eines einzigen Erregerschaltkreises mit Thyristor werden alle Thyristoren, die die unterschiedlichen charakteristischen elektrischen Grossen eines Motors steuern, gleichzeitig gelöscht. Durchführbar ist somit das Umschalten auf die einzelnen Funktionsphasen eines Motors, d.h., Traktion und Bremsung einerseits, Nutzbremsung und Widerstandsbremsung andererseits. Bei letzterem kann der Nutzbremsung nach

Vorrang
Belieben gegeben werden, Ueberdies ist eine Feldschwächung der Motorerregerwicklung erzielbar, falls der Motor oberhalb seiner Nenndrehzahl laufen soll; ein genügend grosses Drehmoment bleibt hierbei erhalten.

Die Erfindung ist besonders geeignet bei einem Motor, der mit einem Gleichstromregler gesteuert wird, wobei letzterer einen Haupt thyristor und einen Löschkreis mit Thyristor aufweist. Der Regler übernimmt in diesem Fall die Funktion des Unterbrechers H. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Reglers ist in der französischen Patentanmeldung Nr. 76/3^263 beschrieben.

Es versteht sich, dass die Zündschaltkreise der verschiedenen Thyristoren als bekannt vorausgesetzt werden und deshalb nicht dargestellt und beschrieben worden sind.

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Claims

BBC Baden Patentansprüche

1. !Verfahren zum Regeln mehrerer unabhängiger elektrischer ^—S Grossen einer Gleichstromeinrichtung, in welcher jede elektrische Grosse Thyristor-gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass alle Steuerthyristoren durch eine einzige Umschaltvorrichtung gesteuert und dabei gleichzeitig gelöscht werden.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Umschaltvorrichtung in Reihe geschaltet ist mit den je eine elektrische Grosse steuernden Thyristoren, welche ihrerseits untereinander parallelgeschaltet sind, so dass alle Thyristoren gleichzeitig löschbar sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung ein Gleichstromregler ist, welcher einen Hauptthyristor und einen Löschkreis mit Thyristor aufweist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Steuerthyristoren den Strom in einem Bremswiderstand steuert.

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5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Steuerthyristoren den Strom in der Erregerwicklung eines Motors steuert.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Steuerthyristoren den Strom in einem Motorläufer steuert,

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Steuerthyristor vorgesehen ist, über den die Kurzschliessung des Motorläufers erfolgt.

8. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 beim Umschalten auf die folgenden verschiedenen Funktionsphasen eines Motors: Motorspeisung, Widerstandsbremsung, Nutzbremsung, Feldschwächung des Motorläufers.

9. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 beim Umsehalten der verschiedenen Bremsphasen eines Motors-, insbesondere der wechselseitigen Nutzbremsung und Widerstandsbremsung, wobei die Mutzbremsung vorrangig ist.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Gie.

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