DE2500449C3 - Gleichspannungssteller zur Speisung eines Verbrauchers mit Gleichspannungsimpulsen variierbarer Frequenz - Google Patents

Description

tet, wobei 0,5<K<l ist und 7Ί der konstante Zeitabstand zwischen den beiden Impulsen der Gruppe ist.

2. Gleichspannungssteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (A) derart ausgebildet ist, daß die Umschaltung von symmetrischer auf gruppenweise Pulsierung bei einer niedrigeren Pulsfrequenz erfolgt als die Umschaltung von gruppenweiser auf symmetrische Pulsierung.

kommende Strom aus Impulsgruppen mit einer bestimmten Anzahl von Impulsen (insbesondere zwei) 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 kommende Strom völlig vermieden werden.

ίο Dieses bekannte Steuerprinzip zeigt Fig. la in der der von der Quelle fließende Strom /als eine Funktion der Zeit t dargestellt ist. Der Strom besteht aus Impulsgruppen mit je zwei Impulsen. Der Zeitabstand Ti zwischen den beiden Impulsen einer Gruppe ist

konstant. Der Zeitabstand T₂ zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gruppen kann variiert werden, wodurch der Mittelwert der dem Verbraucher zugeführten Gleichspannung gesteuert wird. Der Wechselstromteil des in Fig. la gezeigten Stromes enthält eine

Grundweile mit der Frequenz -=-, die gleich der

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

2T₁ * ^fo

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichspannungssteller der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art. Ein solcher Gleichspannungssteller ist bekannt (DT-AS 18 15 610).

Bei Gleichspannungsstellern zur Speisung eines Verbrauchers mit Gleichspannungsimpulsen besteht der der Gleichspannungsquelle entnommene Speisestrom aus periodischen Impulsfolgen, wobei alle Impulse gleiches 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 Anwendungsfällen kann eine Wechselstromwelle von einer bestimmten Frequenz schädlich sein. Dies ist beispielsweise der Fall beim Betrieb von Schienenfahrzeugen, bei denen die Fahrzeugmotoren über eine gleichspannungsführende Fahrleitung oder Stromschiene und einem oder mehreren im Fahrzeug vorhandenen Gleichspannungsumrichtern, die zur Regelung der Motoren dienen, gespeist werden. In diesen Fällen werden meistens Signalsysteme verwendet, weiche 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 Laststrom des Fahrzeuges gestört wird, Bei dem eingangs genannten bekannten Gleichspannungssteller wird die Schalteinrichtung derart gesteuert, daß der von der Gleichspannungsquelle wird immer unter diesen Oberwellen fehlen. Dadurch, daß man in dem oben beschriebenen Fall T\ so wählt, daß /0 gleich der Trägerfrequenz des Signalsystems ist, werden Störungen mit dieser Frequenz also völlig vermieden.

Wenn man bei dem beschriebenen bekannten System den Mittelwert der Spannung am Verbraucher erhöhen will, verringert man T₂. Wenn T₂ so weit vermindert ist, daß T₂ = 271 ist, so sind die Abstände zwischen allen aufeinanderfolgenden Impulsen gleich groß (siehe Fig. Ib, sogenanntes symmetrisches Pulsieren). Die Grundwelle mit der Frequenz -L. ist dann

h verschwunden, und die Grundwelle hat die Frequenz

4" = 2/o

Bei weiterer Erhöhung der Belastungsspannung wird der Zeitabstand zwischen den Impulsen unter Beibehaltung des symmetrischen Pulsierens gemäß Fig. Ic (T₃ < 71) 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 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 f₀ nähert, ins Band des Filters gelangen und das Signalsystem ernsthaft stören kann.

Besonders ernsthaft können die Störungen sein, wenn mehrere voneinander unabhängige Gleichspannungssteller parallel arbeiten und in gleicher Weise gesteuert

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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 vortäusehen, obwohl eine solche Erlaubnis nicht an das Fahrzeug gesandt wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungssteller nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 so zu verbessern, daß von dem Gleichspannungssteller in keiner Betriebsstellung eine Wechselstromkomponente erzeugt wird, die innerhalb einer gewissen Bandbreite beiderseits einer bestimmten Frequenz liegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst Vorzugsweise liegt K im Bereich von 0,6<K<0,9.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Gleichstromsteller keine Wechselströme mit Frequenzen erzeugt, die gleich einer bestimmten Frequenz sind oder in der Nähe dieser bestimmten Frequenz liegen. Dadurch wird verhindert, daß vom Gleichstromsteller erzeugte Wechselströme das Bandpaßfilter eines Signalsystems passieren und in Wahrheit nicht gegebene Signale vortäuschen können. Zugleich wird bei der Verwendung mehrerer parallel arbeitender Gleichspannungsumrichter die oben geschilderte Gefahr von Schwingungserscheinungen nahe der Trägerfrequenz des Signalsystems vermieden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

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

F i g. 3 den Aufbau des Steuergerätes im Detail, F i g. 4 die im Steuergerät auftretenden Signale.

F i g. 1 wurde bereits oben beschrieben.

Fig. 2 zeigt die an sich bekannten Hauptschaltkreise bei einer Anordnung gemäß der Erfindung. Ein Gleichstrommotor Af ist über eine Glättungsdrossel L 1 und einen Hauptthyristor TH an eine Gleichspannungsquelle BA angeschlossen. Parallel zum Motor und der Drossel Ll liegt eine Freilaufdiode Dl. Parallel zum Hauptthyristor TH liegt ein Löschkreis, der in bekannter Weise aus einem Löschkondensator C, einem Löschthyristor TS, einer Umladeinduktivität L 2 und einer Umladediode D 2 aufgebaut ist.

Ein Steuergerät A liefert Impulse mit einer Frequenz, die von der Spannung abhängt, welche A vom Steuerwiderstand R1 zugeführt wird, dessen eines Ende <ίο 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 &.s 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 vor. einem Steuersignal gesteuert, welches also die Impulslänge Ip bestimmt. Jeder Impuls von A zündet unmittelbar den Hauptthyristor TH. Nach der Zeit t_v 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 R 1 und des Steuergeräts A bestimmt wird, und mit einer Impulslänge tp, die vom Steuersignal an das Glied PT bestimmt wird.

Die gesamte in F i g. 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.

F i g. 3 zeigt den Aufbau des Steuergeräts A in F i g. 2. Dieses ist aus den Integratoren /1-/4, den Schaltgliedern Ni-N4, den bistabilen Gliedern B1 und B2, dem ODER-Glied E und dem Verzögerungsglied T aufgebaut. Signale im Gerät (außer den Eingangssignalen an /1) können einen von zwei Werten annehmen, die mit »0« 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 /1 ist 2 ms die Integrationszeit, die man erhält, wenn die Eingangssignale ihre Maximalwerte haben.

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

Ein bistabiles Glied gibt im Zustand »1« ein Ausgangssignal »1« und im Zustand »0« das Ausgangssignal »0«. Ein kurzzeitiger »1«- 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 »1« nach »0« wechselt, geht das Ausgangssignal unmittelbar von »1« nach »0«.

F i g. 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 Ri. Zur Zeit r=0 wird das Gerät eingeschaltet. Die genannte Spannung wird auf einen niedrigen Wert erhöht. Die Integratoren /1, /3 und /4 beginnen zu arbeiten. Bei t\ = 11 ,5 ms hat das Ausgangssignal von /3 den Wert »1« erreicht, und über N3 wird /4 auf »0« gestellt. Zur Zeit /2, die in bezug auf den

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Einschaltaugenblick > 11,5 ms ist, erreicht /1 den Wert »1«, und das Ausgangssignal von E wird »1«. Beim Zeitpunkt f₃ = i₂ + Tschaltet das Ausgangssignal von FD auf »1« um, wobei /1 auf »0« gestellt wird und ß 1 und B 2 in den »1 «-Zustand umschalten. Das Ausgangssignal von Ewird »0«. /2 beginnt zu integrieren, /3 wird auf »0« gestellt, und /4 beginnt zu integrieren. Bei U= f3 + 6,67 ms erreicht /2 den Wert »1«, und das Signal von Ewird »1«. Bei f₅= i4+ Twerden FD₁IX, 12, B1 und B2 auf »0« gestellt, das Ausgangssignal von Ewird »0«, und /1 und /3 beginnen zu integrieren.

Deutlichkeitshalber ist die Zeit T in F i g. 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 /1 mehr als 11,5 ms benötigt, um von »0« bis »1« zu integrieren, wird der Verlauf wiederholt, und das Steuergerät gibt bei fe und tj 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 höchste Frequenz

10³

6,67 + 11,5
hat, und bei denen die Frequenz
10³

- = 55Hz

2 · 6,67

= 75Hz

6,67+ 11,5

= 9,1 ms

Es wird angenommen, daß das Signal vom Steuerwiderstand R 1 schwächer wird. Die Impulsfrequenz wird kleiner, doch geschieht nicrHs, bevor die Integrationszeit des Integrators /1 unter 11,5 ms sinkt, was der 5 Frequenz

10³

11,5

= 87Hz

völlig eliminiert ist.

Vom Zeitpunkt t₇ an ist angenommen, daß das Signal vom Steuerwiderstand R 1 so weit erhöht ist, daß die Integrationszeit für /1 etwas kleiner als 11,5 ms ist. Bei ia wird ein Ausgangsimpuls vom Steuergerät gegeben. Gleich danach, bei f<», erreicht /4 den Wert »1«, und das Ausgangssignal von N4 wird »1«. Hierbei wird Si in der Lage »0« blockiert, und außerdem wird über den Widerstand R2 ein Signal zu dem Signal vom Steuerwiderstand addiert. Der Wert des Widerstands R 2 ist so gewählt, daß die Integrationszeit für /1 nun

10³
9,Γ

= HOHz

wird. Da 01 in der Lage »0« blockiert ist, wird /2 untätig, und Impulse werden bei den Zeiten fm, in. fi2 mit gleichem Zeitabstand untereinander und mit der Frequenz

erzeugt. Durch eine Steigerung des Signals vom Steuerwiderstand kann die Impulsfrequenz über diesen Wert hinaus bis auf

-!£■ = 500 H/.

erhöht werden (2 ms ist die kürzeste Intcgrations/.cit für den Integrator /1). Von der Grundwcllcnfrequcnz von 55 Hz der gruppenweisen Pulsicrung ist das Steuergerät nun also direkt auf symmetrische Pulsierung mit der Grundwcllcnfrequenz von 110 Hz oder höher übergegangen.

entspricht. Es wird angenommen, daß die genannte Integrationszeit vom Zeitpunkt in an etwas niedriger als 11,5 ms ist. Bei fn erreicht /3 den Wert »1« und stell /4 und N4 auf »0«, wobei die Blockierung von Bi, 12 und N2 aufgehoben wird. Bei t» hat /1 den Wert »1« erreicht, und vom Steuergerät wird ein Ausgangsimpuls abgegeben. Nach 6,67 ms hat /2 den Wert »1« erreicht, und ein weiterer Ausgangsimpuls (bei fts) wird abgegeben.

Das System ist nun also von einer symmetrischen Pulsierung mit der Grundwellenfrequenz von 87 Hz direkt auf gruppenweise Pulsierung übergegangen. Das Zusatzsignal über R 2 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 Frequenzsprung 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 Verbraucher 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_p 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.

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

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, kan bei einer Anordnung gemäß der Erfindung die Frcquen der Grundwellc niemals in einem breiten Band 7

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beiden Seiten der Frequenz liegen, bei der die Empfindlichkeit gegenüber Störungen maximal ist. Verglichen mit dem bekannten Gleichspannungssteller 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 Schwingun-

gen vermieden, die bei dem bekannten System 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 gecodetc Information verschwindet, bedeutet dies jedoch keinen größeren Nachteil und stellt absolut keine Gefährdung der Sicherheit dar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

25 OO 449 Patentansprüche:

1. Gleichspannungssteller zur Speisung eines Verbrauchers aus einer Gleichspannungsquelle mit Gleichspannungsimpulsen variierbarer Frequenz, mit einer die Impulse erzeugenden Schalteinrichtung zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Verbraucher, mit einer die Schalteinrichtung steuernden Steuereinrichtung, die zur Vermeidung einer Wechselstromkomponente mit einer bestimmten Frequenz beim Unterschreiten einer oberhalb dieser Frequenz liegenden Pulsfrequenz selbsttätig von symmetrischer auf gruppenweise Pulsierung und umgekehrt umschaltet, wobei bei gruppenweiser Pulsierung Gruppen aus je zwei Impulsen mit konstantem Zeitabstand zwischen den beiden Impulsen der Gruppe abgegeben werden, d a durch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (A) derart ausgebildet ist, daß die Umschaltung auf gruppenweise Pulsierung erfolgt,

wenn die Pulsfrequenz einen Wert -=r- unterschrei-