DE2500449A1

DE2500449A1 - Anordnung zur speisung eines belastungsobjekts durch gleichstromtaktung

Info

Publication number: DE2500449A1
Application number: DE19752500449
Authority: DE
Inventors: Sten Dipl Ing Elvin
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1974-01-24
Filing date: 1975-01-08
Publication date: 1975-07-31
Also published as: DE2500449B2; FR2259479A1; GB1487643A; SE386786B; CA1030604A; CH586123A5; SE7400892L; US3974435A

Description

Patentanwälte

Dipl.-lng. Helmut M iss ling 63 Giessen 18. 12„ 1974

Dipl.-Ing. Richard Schlee Bismarckstrasse 43

^₁ , Telefon: (0641) 71019

Dr.-Ing. Joachim Boecker

Boe/Prs 12.321

Allmänna Svenska. Elektriska Aktiebolaget Väst eras/Schweden

Anordnung zur Speisung eines Belastungsob.jekts durch G-I e i cn s tr omt aktung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Speisung eines Belastungsobjekts durch Gleichstromtaktung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Bei Anordnungen dieser Art besteht der der Gleichspannungsquelle entnommene Speisestrom aus periodischen Impulsfolgen, wobei alle Impulse gleiche Vorzeichen haben. Das bedeutet, daß der resultierende Strom außer einem Gleichstromanteil einen überlagerten Wechselstrom hat, der sich aus einer Grundwelle und einer Anzahl Oberwellen zusammensetzt. In bestimmten Anwendungsi'ällen kann eine Wechselstromwelle von einer bestimmten Frequenz schädlich sein. Dies ist beispielsweise der Pail beim Betrieb von Schienenfahrzeugen, bei denen die i'ahrzeugmotoren über eine ^•leichspanntingsführende Fahrleitung oder Stromschiene und einem

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oder mehreren im Fahrzeug vorhandenen Gleichspannungsumrichtern, die zur Regelung der Motoren dienen, gespeist werden. In diesen Fällen werden meistens Signalsysteme verwendet, welche mit Hilfe eines "beispielsweise über die Schienen übertragenen codierten oder modulierten Trägerfrequenzsignals Informationen zum Fahrzeug geben, welche insbesondere Angaben über die zulässige Geschwindigkeit enthalten.

In einem typischen Fall beträgt die Trägerfrequenz 75 Hz. Es ist außerordentlich wichtig, daß das Signalsystem nicht durch den Last strom des Fahrzeuges gestört wird. Man kann in an sich bekannter V/eise die Gleichspannungsumrichter derart steuern, daß der von der GleichspannungsqLielle kommende Strom aus Impuls·? gruppen mit einer bestimmten Anzahl von Impulsen pro Gruppe besteht, wobei die Gruppenimpulse untereinander konstanten Zeitabstand haben, jedoch der Zeitabstand zwischen benachbarten Gruppen veränderlich ist. Hierdurch kann eine bestimmte diskrete Frequenz, nämlich die obengenannte Trägerfrequenz, in dem von der Gleichspannungsquelle kommenden Strom völlig vermieden werden.

Dieses bekannte Steuerprinzip zeigt Figur 1a, in der der von der Quelle fließende Strom als eine Funktion der Zeit dargestellt ist. Der Strom besteht aus Impulsgruppen mit je zwei Impulsen. Der Zeitabstand T₁ zwischen den beiden Impulsen einer Gruppe ist konstant. Der Zeitabstand T_? zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gruppen kann variiert werden, wodurch der Mittelwert der dem Belastungsobjekt zugeführten Gleichspannung gesteuert wird.

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Der Wechselstromteil des in Figur 1a gezeigten Stromes enthält eine Grundwelle mit der Frecsuenz 7*- , die gleich der Frequenz

^L2

ist, mit der die Impulsgruppen auftreten, die sogenannte Gruppenfrequenz. Außerdem gibt es eine große Anzahl von Oberwellen.

ι ·

Die Frequenz -37* = f_n wird immer unter diesen Oberwellen fehlen. Dadurch, daß man in dem oben beschriebenen Fall T₁ so wählt, daß f_Q gleich der Trägerfrequenz des Signalsystems ist, v/erden Störungen mit dieser Frequenz also völlig vermieden,

Wenn man bei dem beschriebenen, bekannten'System den Mittelwert der Spannung am Belastungsobjekt erhöhen will, verringert man Tp. Wenn T₂ so weit vermindert ist, daß T_? = 2T₁, so sind die Abstände zwischen allen aufeinanderfolgenden Impulsen gleich groß (siehe Figur 1b, sogen, symmetrisches Pulsieren).

Die Grundwelle mit der Frequenz 7s— ist dann ganz verschwunden,

² 1
und die Grundwelle hat die Frequenz 7* = 2f„. Bei y/eiterer Erhöhung der Belastungsspannung wird der Zeitabstand zwischen den Impulsen unter Beibehaltung des symmetrischen Pulsierens gemäß Figur 1c (T^<T₁) verkleinert.

Ein Problem bei Anordnungen dieser Art besteht darin, daß es häufig nicht genügt, eine einzige diskrete Frequenz zu beseitigen. Zu dem oben angegebenen Signalsystem bei Schienenfahrzeugen gehört meistens ein auf die Trägerfrequenz abgestimmtes Bandpaßfilter, welches nur die Trägerfrequenz hindurchläßt. Damit eine Information durch Kodierung der Trägerfrequenz

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übertragen werden kann, muß das Bandpaßfilter eine gewisse Bandbreite haben,, Dies, bedeutet, daß die Grundwelle oder die Oberwellen ins Band des Filters gelangen können, selbst wenn man die eigentliche Trägerfrequenz durch gruppenweise Pulsierung beseitigt. Speziell ist es die Grundwelle, die, wenn sich die Gruppenfrequenz f~ nähert, ins Band des Filters gelangen und das Signalsystem ernsthaft stören kann.

Besonders ernsthaft können die Störungen sein, wenn mehrere voneinander unabhängige Gleichspannungsumrichter parallel arbeiten und in gleicher Weise gesteuert werden, wie es beispielsweise bei einem aus mehreren Triebwagen bestehenden Zug der Fall ist. Bei Störungen mit einer Frequenz nahe der Trägerfrequenz treten Schwingungserscheinungen auf, wobei die maximale Amplitude der Störungen von der Summe der Amplituden der störenden Stromkomponenten der verschiedenen Wagen abhängt. Ferner können die Schwingungen des Signalsystems wie eine Modulation oder eine Kodierung der Trägerfrequenz wirken und dadurch z.B. eine Erlaubnis zur Weiterfahrt vortäuschen, obwohl eine solche Erlaubnis nicht an das Fahrzeug gesandt wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu entwickeln, bei der die oben beschriebenen Nachteile und Gefahren weitgehend vermieden werden.

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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung vorgeschlagen, welche die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den UnteranSprüchen genannt.

Anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles' soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die Wirkungsweise einer bekannten Speisung Gleichstromtaktung,

Fig. 2 eine im wesentlichen als Blockschaltbild dargestellte schematische Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 den Aufbau des Steuergerätes im Detail, Fig. 4 die im Steuergerät auftretenden Signale. Fig. 1 viwc6.e bereits oben beschrieben.

Figur 2 zeigt die an sich bekannten Hauptschaltkreise bei einer Anordnung ^esiiii. dor Erfindung. Ein Gleichstrommotor E ist über eine ^lättungcdrossel L1 und einen Hauptthyristor TH an eine C-lcicLcpannungsquelle BA angeschlossene Parallel zum Motor und dem lieaktor L1 liegt eine Freilaufdiode D1. Parallel zum

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Hauptthyristor TH liegt ein Löschkreis, der in bekannter Weise aus einem Löschkondensator C, einem Löschthyristor TS, einer Umladeinduktivität L2 und einer Umladediode D2 aufgebaut ist.

Ein Steuergerät A liefert Impulse mit einer Frequenz, die von der Spannung abhängt, welche A vom Steuerwiderstand E1 zugeführt wird, dessen eines Ende an positiver Spannung und dessen anderes Ende an das Potential Null angeschlossen ist. Die Impulse von A werden dem Hauptthyristor TH über ein Steuerimpulsgerät B zugeführt, welches diese Impulse in Impulse mit einer für die Zündung des-Hauptthyristors TH-zweckmäßigen Länge, Amplitude und Leistungsniveau umwandelt. Die Impulse von A werden auch dem Löschthyristor TS über ein Impulszeitsteuerglied PT zugeführt, das im Prinzip ein Verzögerungsglied mit einer variierbaren Zeitverzögerung zwischen ein- und ausgehenden Impulsen ist. Die Verzögerung wird von einem Steuersignal gesteuert, welches also die Impulslänge t bestimmt. Jeder Impuls von A- zündet unmittelbar den Haupt thyristor TH. Nach der Zeit t wird ein Zündimpuls von PT an den Löschthyristor TS gegeben, wobei der Hauptthyristor in bekannter Weise gelöscht wird. Dem Motor M werden also Spannungsimpulse mit einem zeitlichen Abstand zugeführt, der von der Einstellung des Steuerwiderstandes R1 und des Steuergeräts A bestimmt wird, und mit einer Impulslänge t , die vom Steuersignal an das Glied PT bestimmt wird.

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Die gesamte in Figur 2 gezeigte Anordnung mit Ausnahme der Quelle BA kann in einem Schienenfahrzeug angeordnet sein, wobei der Motor M der Antriebsmotor des Fahrzeugs ist. Die Quelle BA kann dabei eine gleichspannungsführende Kontaktleitung oder Kontaktschiene sein.

Figur 3 zeigt den Aufba.u des Steuergeräts A in Figur 2. Dieses ist aus den Integratoren 11-14, den Schaltgliedern F1-N4, den bistabilen Gliedern B1 und B2, dem ODER-Glied E und dem Verzögerungsglied T aufgebaut. Signale im Gerät (außer den Eingangssignalen an 11) können einen von zwei Werten annehmen, die mit ¹¹O" und "1" bezeichnet werden. Das Ausgangssignal eines Integrators wird Null, wenn ein Signal "1" dem in der Figur an der Unterseite der Integratoren gezeigten Eingang zugeführt wird, und bleibt solange Null, wie dieses Signal "1" ist. Das Ausgangssignal wächst linear mit der Zeit und mit einer dem Eingangssignal proportionalen Geschwindigkeit. Ein Signal "1" am Eingang gibt nach der über den Integratoren in der Figur angegebenen Zeit den Wert "1" des Ausgangssignals. Bei dem Integrator 11 ist 2 ms die Integrationszeit, die man erhält, wenn die Eingangs signale ihre Maximalwerte haben.

Das Ausgangssignal eines Schaltgliedes ist "1", wenn das Eingangssignal "1" ist, sonst ist es "0".

Ein bistabiles Glied gibt im Zustand ^M1" ein Ausgangssignal "1" und im Zustand "0" das Ausgangssignal "0". Ein kurzzeitiger "1"-

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Impuls am Eingang an der linken Seite des Gliedes kippt das Glied von dem vorhandenen Zustand in den anderen Zustand. Ein "1"-Signal am Eingang an der Unterseite des Gliedes hält, solange es andauert, das Glied im Zustand "0".

Das Ausgangssignal des ODER-Gliedes hat den Wert "1", wenn ein Eingangssignal oder beide den Wert "1" haben.

Wenn das Eingangssignal des Verzögerungsgliedes FD seinen Wert von "0" nach "1" ändert, so kippt das Ausgangssignal von "0" nach "1" nach der Zeit T, die kurz ist, beispielsweise etwa zehn Mikrosekunden. Wenn das Eingangssignal von *T" nach "0" wechselt, geht das Ausgangssignal unmittelbar von "1" nach "0".

Figur 4 zeigt die Ausgangssignale der zum Steuergerät gehörenden Glieder. Das Ausgangssignal des Steuergeräts ist das Ausgangssignal vom ODER-Glied E und ist ganz unten in der Figur gezeigt.

Vor dem Start haben alle Signale des Steuergerätes den Wert "0", ebenso wie die Spannung am Steuerwiderstand R1. Zur fieit t = 0 wird das Gerät eingeschaltet. Die genannte Spannung wird auf einen niedrigen Wert erhöht. Die Integratoren 11, 13 und 14 beginnen zu arbeiten. Bei t₁ = 11,5 ms hat das Ausgangssignal von 13 den Wert "1" erreicht, und über N3 wird 14 auf "O" gestellt, Zur Zeit tp, die in bezug auf den Einschaltaugenblick > 11,5 ms ist, erreicht 11 den Wert "1", und das Ausgangssignal von E wird "1". Beim Zeitpunkt t- = tp + T schaltet das Ausgangssignal von FD auf "1" um, wobei 11 auf "O" gestellt wird und B1 und

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B2 in den "1"-Zustand umschalten. Das Ausgangssignal von E wird ¹¹O". 12 beginnt zu integrieren, 13 wird auf "O" gestellt, und 14 beginnt zu integrieren. Bei t. = t, + 6,67 ms erreicht 12 den Wert "1", und das Signal von E wird "1". Bei t = t, + T werden FD, 11, 12, B1 und B2 auf "O" gestellt, das Ausgangssignal von E wird ¹¹O", und 11 und 13 beginnen zu integrieren.

Deutlichkeitshalber ist die Zeit T in Figur 4 stark übertrieben, Wie man sieht, hat das Steuergerät zwei Impulse mit einem Zeitabstand von 6,67 ms voneinander abgegeben. Unter der Voraussetzung, daß die Spannung vom Steuerwiderstand R1 so niedrig ist, daß 11 mehr als 11,5 ms benötigt, um von "O" bis "1" zu integrieren, wird der Verlauf wiederholt, und das Steuergerät gibt bei t,- und t„ zwei weitere Impulse ab mit einem Abstand von 6,67 ms voneinander. In diesem Zustand erzeugt also das Steuergerät Doppelimpulse mit einer Grundwelle, die eine

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höchste Precmenz r = 55 Hz hat, und bei denen die ^ -, ο,bi+\i,5

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Frequenz = 75 Hz völlig eliminiert ist.

Vom Zeitpunkt %„ an ist angenommen, daß das Signal vom Steuerwiderstand R1 so weit erhöht ist, daß die Integrationszeit für 11 etwas kleiner als 11,5 ms ist. Bei to wird ein Ausgangsimpuls vom Steuergerät gegeben. Gleich danach, bei t~, erreicht 14 den Wert "1", und das Ausgangssignal von IT4 wird "1". Hierbei wird B1 in der Lage "O" blockiert, und außerdem wird über den Widerstand H2 ein Signal zu dem Signal vom Steuerwiderstand

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addiert. Der ?fert des Widerstands E2 ist so gewählt, daß die Integrationszeit für 11 nun — ¹ — —¹^ = 9,1 ms wird. Da B1 in der lage ¹¹O" blockiert ist, wird 12 untätig, und Impulse werden bei den Zeiten t₁₀, t^, t₁₂ mit gleichem Zeitabstand

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untereinander und mit der Frequenz **—■? = 110 Hz erzeugt. Durch eine Stei£gerung des Signals vom Steuerwiderstand kann

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die Impulsfrequenz über diesen Wert hinaus bis auf —5— = 500 Hz erhöht v/erden (2 ms ist die kürzeste Integrationszeit für den Integrator 11). Von der Grundwellenfrequenz von 55 Hz der gruppenweisen Pulsierung ist das Steuergerät nun also direkt auf symmetrische Pulsierung mit der Grundwellenfrequenz von 110 Hz oder höher übergegangen.

Es wird angenommen, daß das Signal vorn Steuerwiderstand E1 schwächer wird. Die Impulsfrequenz wird kleiner, doch geschieht nichts, bevor die Integrationszeit des Integrators

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unter 11,5 ms sinkt, was der Frequenz -rnr-^ = 87 Hz entspricht.

11,3

Es wird angenommen, daß die genannte Integrationszeit vom Zeitpunkt t₁₂ sxi etwas niedriger als 11,5 ms ist. Bei t-, erreicht I3 den Wert "1" und stellt 14 und R4 auf "0", wobei die Blockierung von B1, 12 und N2 aufgehoben wird. Bei t... hat 11 den Wert "1" erreicht, und vom Steuergerät wird ein Ausgangsimpuls abgegeben. Nach 6,67 ms hat 12 den Wert "1" erreicht, und ein weiterer Ausgangsimpuls (bei "t-ic) wird abgegeben.

Das System ist nun also von einer symmetrischen Pulsierung mit der Grundwellenfrequenz von 87 Hz direkt auf gruppenweise

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Pulsierung übergegangen. Das Zusatzsignal über R2 ist nun Null, und die Grundfrequenz geht gleich, nach dem Übergang auf ungefähr die Hälfte von 87 Hz. d.h. ca. 43,5 Hz über.

Dadurch, daß man den Übergang von gruppenweiser auf symmetrische Pulsierung mit einem !Frequenz sprang von 55 Hz auf 110 Hz vollzieht, während man den Übergang von symmetrischer auf gruppenweise Pulsierung mit einem Frequenzsprung von 87 Hz auf 43,5 Hz vollzieht, hat das System eine gewisse Hysterese, wodurch man ausgeprägte Übergänge erhält und Schwingungen vermieden werden.

Da die Anzahl Impulse pro Zeiteinheit unmittelbar nach einem Übergang genauso groß ist wie unmittelbar davor, bewirken die übergänge zwischen symmetrischer und gruppenweiser Pulsierung keine Änderung der Gleichspannung, die dem Belastungsobjekt zugeführt wird.

Wenn die Impulsfrequenz entsprechend den oben beschriebenen Verlaufen sukzessiv von einem niedrigen Wert bis auf ihren Maximalwert (500 Hz in den oben beschriebenen Beispielen) erhöht wird, kann die Impulsbreite t zweckmäßigerweise ständig auf ihren Minimalwert gehalten werden. Wenn die Maximalfrequenz erreicht ist, kann man in bekannter Weise eine weitere Steigerung der Belastungsspannung durch eine Erhöhung der Impulsbreite vornehmen.

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In dem obigen Beispiel steuert das Steuergerät einen einzigen Gleichspannungsumrichter. In beispielsweise einem Fahrzeug können jedoch mehrere Umrichter vorhanden sein. Diese können auf eine gemeinsame Last (z.B. die parallelgeschalteten Motoren des Fahrzeugs) Parallelarbeiten, oder jeder Umrichter kann sein eigenes Belastungsobjekt (z.B. jeder seinen Motor oder seine Motorengruppe speisen. Das Steuergerät soll dann zweckmäßigerweise sämtliche Umrichter im Fahrzeug steuern. Dabei wird ein Verteilerglied verwendet, welches die Impulse vom Steuergerät an die Umrichter in solcher Weise zyklisch verteilt, daß der erste Impuls vom Steuergerät einem ersten Umrichter zugeführt wird, der nächste Impuls einem zweiten Umrichter usw., bis jedem Umrichter ein Impuls zugeführt ist, wonach der Umlauf von Neuem beginnt. Der insgesamt vom Fahrzeug der Quelle entnommene Strom besteht dann aus Impulsen mit den ganz unten in Figur 4 gezeigten Intervallen.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, kann bei einer Anordnung gemäß der Erfindung die Frequenz der Grundwelle niemals in einem breiten Band zu beiden Seiten der Frequenz liegen, bei der die Empfindlichkeit gegenüber Störungen maximal ist. Verglichen mit bereits bekannten Anordnungen ist der störende Einfluß daher stark reduziert. Da die Frequenzen der störenden Wellen weit entfernt von der Frequenz liegen, bei der die Empfindlichkeit am größten ist, werden sich die störenden Wellen verschiedener Fahrzeuge außerdem mit ihren Effektivwerten und nicht mit ihren Amplituden addieren. Dadurch wird einerseits die resultierende Störamplitude niedriger und andererseits werden die niederfrequenten Schwingungen vermieden, die bei

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bekannten Systemen als Modulation der Trägerfrequenz aufgefaßt werden konnten. Im absolut ungünstigsten Fall kann die Störamplitude so groß werden, daß das Coden der Trägerfrequenz maskiert wird. Da Signalsysteme der hier in Betracht kommenden Art aus Gründen der Sicherheit so ausgeführt sind, daß sie ein Haltesignal oder ein Signal für niedrigere Geschwindigkeit geben, wenn die gecodete Information verschwindet, bedeutet dies jedoch keinen größeren Nachteil und stellt absolut keine Gefährdung der Sicherheit dar.

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Claims

Patentansprüche;

1 A Anordnung zur Speisung eines Belastungsobjektes durch. Gleichstromtaktung aus einer Gleichspannungsquelle mit Gleichspannungsimpulsen variierbarer Frequenz, welche Anordnung ein die Impulse erzeugendes Gerät zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Belastungsobjekt enthält, welches Gerät zwischen gruppenweiser Pulsierung und symmetrischer Pulsierung umgeschaltet werden kann, wobei bei gruppenweiser Pulsierung Gruppen aus je zwei Impulsen mit konstantem Zeitabstand T₁ zwischen den beiden Impulsen der Gruppe abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung Steuerorgane enthält, die,wenn bei gruppenweiser Pulsierung die Gruppenfreouenz dazu neigt, einen Wert ~-^m~ zu überschreiten, wobei

^¹I

I
0,5 < Ε·^1 ist, das impulserzeugende Gerät (A, B, PT, TH, TS)

auf symmetrische Pulsierung umschalten.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane die Arbeitsfrequenz des impulserzeugenden Geräts so beeinflussen, daß die Impulsfrequenz unmittelbar nach dem

γ übergang auf symmetrische Pulsierung -^ ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0,6<K ^- 0,9 ist c

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4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Steuerorgane das impulserzeugende Gerät auf gruppenweise Pulsierung umschalten, wenn bei symmetrischer Pulsierung die Impulsfrequenz dazu neigt, den Y/ert *1 zu unterschreiten, wobei IL₁ <K ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane die Arbeitsfrequenz des impulserzeugenden Organs derart beeinflussen, daß die G-ruppenfrequenz unmittelbar nach dem Übergang zu gruppenweiser Pulsierung -^ ist.

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