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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Antriebssysteme für Traktionsfahrzeuge (z. B. dieselelektrische Lokomotiven), die mit Fahrmotoren für entweder Gleichstrom oder Wechsel- strom ausgerüstet sind, und sie bezieht sich speziell auf verbesserte Mittel zum Schutz eines sol- chen Systems vor einem ernsthaften Schaden im Fall eines Überschlags im Kommutator bzw.
Kollektor eines Gleichstrom-Motors oder eines "Durchschusses" in einem mit einem Wechsel- strom-Motor verbundenen Wechselrichter (inverter). Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Fehlerstromschutzvorrichtung für das Antnebssystem eines Traktionsfahrzeuges enthaltend mindestens einen elektrischen Fahrmotor, einen Synchrongenerator mit Anker- und Feldwicklun- gen, eine steuerbare mit den Feldwicklungen verbundene Erregerstromquelle und eine die Ankerwicklungen des Generators mit dem mindestens einen Fahrmotor verbindende Einrichtung zur
Beeinflussung der elektrischen Leistung.
In einer modernen dieselelektrischen Lokomotive wird eine thermische Kraftmaschine (typisch ein 16-Zylinder turbo-aufgeladenes Dieseltriebwerk) zum Antreiben einer einen Synchrongenerator enthaltenden elektrischen Transmission benutzt, die elektrischen Strom an mehrere elektrische
Fahrmotoren liefert, deren Rotoren antriebsmässig über Drehzahluntersetzungsgetriebe mit den jeweiligen Radsatzen auf den Achsen der Lokomotive verbunden sind. Der Generator weist typischerweise einen 3-phasigen Traktionsgenerator (traction alternator) auf, dessen Rotor mechanisch mit der Ausgangs- bzw. Kraftabgabewelle des Triebwerks verbunden ist. Wird an die Feldwicklungen auf dem rotierenden Rotor Erregerstrom angelegt, werden in den 3-phasigen Ankerwicklungen auf dem Stator des Generators Wechselspannungen erzeugt.
Diese Spannungen werden gleichgerichtet und an die Anker- und/oder Feldwicklungen der Gleichstrom-Fahrmotoren angelegt oder in Wechselspannungen umgeformt und an Wechselstrom-Fahrmotoren angelegt.
Im normalen Motorbetrieb wird das Antriebssystem einer dieselelektrischen Lokomotive derart gesteuert, dass sich ein ausbalancierter stationärer Zustand einstellt, in dem der vom Triebwerk angetriebene Wechselstromgenerator fur jede gesonderte Stellung eines Gasgriffs (throttle handle) eine im wesentlichen konstante optimale elektrische Leistung für die Fahrmotoren erzeugt. In der Praxis werden geeignete Mittel vorgesehen, um in den normalen Betrieb der Antriebssteuerung einzugreifen (overnding) und um die Maschinenlast als Reaktion auf bestimmte abnormale Bedingungen zu vermindern, z.B. beim Verlust der Radhaftung oder beim Auftreten einer das Leistungsvermögen der Maschine überschreitenden Last, und zwar ungeachtet der gerade vom Gaseinstellgriff diktierten Maschinendrehzahl. Dieses Antwortverhalten, das im allgemeinen als Drosselung bzw.
Lastrücknahme (deration) bezeichnet wird, vermindert die Fahrleistung und verhilft somit der Lokomotive dazu, sich von solchen temporären Zuständen zu erholen und/oder einen ernstlichen Schaden für die Maschine zu vermeiden.
Zusätzlich enthält das Antriebssteuersystem üblicherweise Mittel zum Begrenzen oder Reduzieren der Ausgangsspannung des Generators, soweit das nötig ist, um die Höhe dieser Spannung und des Laststromes davon abzuhalten, die jeweiligen vorbestimmten zulässigen maximalen Pegel oder Grenzen zu überschreiten Die Strombegrenzung ist wirksam, wenn die Lokomotive aus dem Ruhezustand heraus beschleunigt. Bei niedrigen Geschwindigkeiten der Lokomotive rotieren die Anker des Fahrmotors langsam, so dass ihre Gegen-EMK klein ist. Eine geringe Generatorspannung kann nun einen maximalen Motorstrom erzeugen, der seinerseits die hohe für die Beschleunigung erforderliche Anzugleistung hervorbringt. Auf der anderen Seite muss die Höhe der Generatorspannung immer dann konstant und auf ihrem maximalen Pegel gehalten werden, wenn die Geschwindigkeit der Lokomotive hoch ist.
Bei hohen Geschwindigkeiten rotieren die Anker des Fahrmotors schnell und weisen eine grosse Gegen-EMK auf, die Generatorspannung muss dann hoch sein, um den erforderlichen Laststrom zu erzeugen.
In einem elektrischen Antriebssystem mussen alle Leistungskomponenten (Generator, Gleichrichter, Fahrmotoren sowie deren verbindende Kontaktgeber bzw. Schütze (contactors) und Kabel) gut isoliert sein, um nachteilige Kurzschlüsse zwischen den elektrisch beaufschlagten Teilen dieser Komponenten und Erde zu vermeiden. Die Isolation muss sehr harten Bedingungen auf der Lokomotive standhalten, einschliesslich konstanten Schwingungen, häufigen mechanischen Erschütterungen, einer seltenen Wartung, gelegentlichen elektrischen Überlastungen, einem weiten Bereich von Umgebungstemperaturen sowie einer Atmosphäre, die sehr nass und/oder schmutzig sein kann.
Würde die Isolation eines Bauteils beschädigt oder ihre dielektrische Festigkeit nachlassen oder würde Feuchtigkeit oder eine Ansammlung von Schmutz einen Leitungspfad mit einem
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relativ niedrigen Widerstand über oder auf der Oberfläche der Isolation bilden, dann kann ein unerwünscht hoher Leckstrom zwischen dem Bauteil und dem auf Erdpotential liegenden Lokomotivenrahmen fliessen. Ein solcher Zusammenbruch der Isolation kann von lonisationsentladungen oder Überschlägen begleitet werden. Die Entladung wird dabei schon beginnen, bevor der Span- nungspegel seinen schliesslichen Durchbruchswert erreicht. Je schmutziger und nasser die Isolation ist, desto niedriger ist, bezogen auf die tatsächliche Durchbruchsspannung, die Spannung, bei der die Entladung einsetzt.
Ohne eine angemessene Erfassung und ohne einen rechtzeitigen
Schutz besteht eine reale Gefahr, dass eine anfänglich harmlose elektrische Entladung bald so weit anwächst oder sich ausbreitet, dass es zu einem ernsten und irreparablen Schaden für das Isolationssystem und möglicherweise für die Anlage selbst kommt.
Es ist übliche Praxis für Lokomotivenantriebssysteme, einen Schutz hinsichtlich Erdschlussfehlern vorzusehen. Solche Schutzsysteme reagieren typischerweise auf die Feststellung von Leckströmen nach Erde durch Übersteuern der normalen Antriebssteuerung und durch Vermindern der Fahrleistung, wenn und solange die Grösse eines solchen Stroms einen zulässigen Grenzwert überschreitet, der von der Grösse des Motorstroms abhängig ist. Vergleiche dazu US-Patent Nr. 4 608 619 und das kanadische Patent Nr. 1 266 117. Derartige Systeme waren nicht völlig erfolgreich bei der Verhinderung von schädigenden Überschlägen auf die Kollektoren der Fahrmotoren.
In Gleichstrom-Fahrmotoren werden auf den Kollektorstäben reibende Kohlenstoffbürsten verwendet, um Strom an die Ankerwicklungen des Motors anzulegen. Dieser Strom erzeugt ein magnetisches Feld im Anker sowie entsprechende magnetische Pole. Die im Anker erzeugten magnetischen Pole treten in Wechselwirkung mit den magnetischen Polen in den Feldwicklungen des Motors, um ein Drehmoment in der Maschine zu erzeugen. Die Magnetpole in den Feldwicklungen des Motors kommen aufgrund des durch diese Wicklungen fliessenden Gleichstroms zustande. Der Motor enthält eine Vielzahl von Kollektorstäben in gleichmässigem Abstand um ein Ende des Ankers, wobei jeder der Kollektorstäbe zur Schaffung der Magnetpole mit ausgewählten Wicklungen im Anker verbunden ist.
Wenn benachbarte Kollektorstäbe periodisch unter den Kohlenstoffbürsten vorbeilaufen, werden die damit verbundenen Ankerspulen momentan kurzgeschlossen. Da die mit den kurzgeschlossenen Kollektorstäben zusammenhängenden Spulen voneinander versetzt sind, werden sie sich durch Magnetflussfelder bewegen, die von den Magnetpolen der Feldwicklungen erzeugt werden, die ihrerseits davon verschiedene Grössen aufweisen. Infolgedessen wird zwischen den beiden Kollektorstäben eine Potentialdifferenz bestehen. Bei der Auslegung einer idealen Maschine sind die Bürsten zwischen Feldpolen an einem Punkt angeordnet, an dem der durch die Feldpole erzeugte Fluss bei seiner Umkehr zwischen benachbarten Polen mit entgegengesetzter magnetischer Polarität seinen Nulldurchgang aufweist.
Dieser ideale Punkt verschiebt sich mit Änderungen des Ankerstroms, da der Gesamtfluss die Summe aus dem Feldfluss und dem Ankerfluss ist. Typischerweise wird ein Wendepol (commutating pole) oder Zwischenpol (interpole) zwischen benachbarte Feldpole eingebracht, wobei jeder Wendepol eine Wicklung besitzt, die in Reihe mit dem Ankerstrompfad verbunden ist, so dass der von dem Wendepol erzeugte Fluss proportional zum Ankerstrom ist. Dieses Verfahren dient im allgemeinen dazu, die Flussänderungen beim Zwischenpol zu minimieren und erlaubt somit eine Stromübertragung der Bürste zwischen den Kollektorstäben ohne ein unzulässiges Mass elektrischer Lichtbogen- oder Funkenbildung.
Für Motoren, die starken Überlastungen, schnell wechselnden Lasten, einem Betrieb mit schwachen Hauptfeldern, defekten Bürsten, Bürstenflattern oder rauhen Kollektoren ausgesetzt sind, besteht die Möglichkeit, dass die Wendepolwirkung unzureichend ist und dass ein einfaches Bürstenfeuern zu einem grösseren Lichtbogen werden kann. Befindet sich beispielsweise zu einem Zeitpunkt eine Ankerspule auf dem Scheitelpunkt einer stark verzerrten Flusswelle, kann die Spulenspannung gross genug für einen Luftüberschlag zwischen den benachbarten Kollektorstäben werden, mit denen die Spule verbunden ist, und daraus zwischen diesen Stäben ein Überschlag oder eine Lichtbogenbildung resultieren.
Ein Lichtbogen zwischen Kollektorsegmenten kann schnell benachbarte Bürstenhalter überbrücken oder sich auf den geerdeten Funkenring ausbreiten, der gewöhnlich den Kollektor eines Gleichstrom-Fahrmotors umgibt, wodurch die Ausgangsleitungen des Traktionsgenerators kurzgeschlossen werden. Zwar sind solche Überschläge relativ selten, tritt jedoch einer auf, geschieht das gewöhnlich, wenn die Lokomotive mit einer hohen Geschwindigkeit fährt.
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Im relevanten Stand der Technik für eine automatische Erfassung und Bewältigung von Überschlagszuständen sind viele verschiedene Systeme beschrieben, vgl. beispielsweise das US-
Patent Nr. 4 112 475 von Stitt und Williamson. Um beim Auftreten eines Überschlags für den
Fahrmotor und die zugehorigen Teile des Antriebssystems einen ernsthaften Schaden moglichst gering zu halten oder zu vermeiden, ist es wünschenswert, den Überschlag zu löschen, bevor der an den fehlerhaften Motor gelieferte Strom Zeit zum Erreichen seines maximal verfügbaren Kurzschlusswerts hat.
Indem man sehr schnell einen solchen Strom vermindert oder unterbricht, sobald der Überschlag festgestellt werden kann, wird das Ausmass elektrischer Energie in dem fehlerbehafteten Motorschaltkreis niedrig genug gehalten werden, um einen Dauerschaden für die Kollektorstäbe, die Bürstenhalter und den Funkenring zu vermeiden. Dieser erwünschte sehr schnelle Schutz hinsichtlich Überschläge kann nicht durch ein Öffnen des elektrischen Schützes (contactor) erreicht werden, der den schadhaften Motor mit dem gleichgerichteten Ausgang des Generators verbindet, da der Öffnungsvorgang eines konventionellen Schützes zu langsam ist und in der Zeit, in der die Kontaktspitzen sich zu trennen beginnen, die Grosse des Fehlerstroms bereits so gross werden könnte, dass sie eine unerwünschte Lichtbogenbildung oder ein Verschweissen dieser Spitzen verursachen könnte.
Man kann sich nicht auf die Funktion der Drosselung bzw. Lastrücknahme (deration) der Antriebssteuerung verlassen, um den anfänglichen Stromanstieg zu vermindern, den der Traktionsgenerator an den fehlerbehafteten Motor liefert, da die relevanten Zeitkonstanten der Regelung bzw Steuerung sowie des Erregungsschaltkreises für das Generatorfeld eine endliche Verzögerung zwischen dem Auftreten eines Überschlages und der Reaktion des Generators einführen.
Obwohl Wechselstrom-Fahrmotoren nicht die Überschlagsprobleme von Gleichstrom-Motoren aufweisen, kann das Stromversorgungssystem für Wechselstrom-Motoren einen im allgemeinen als "Durchschuss" (shoot-through) bezeichneten Zustand zeigen, der dieselbe nachteilige Charakteristik wie ein Überschlag besitzt. In einem typischen Wechselstrom-Fahrmotorsystem wird der Leistungsausgang des Traktionsgenerators auf einen Gleichrichter geführt, der den Wechselstromausgang des Generators in Gleichstrom umformt. Diese Gleichstromleistung wird dann mittels eines Festkörper-Wechselrichters in eine frequenzgesteuerte Wechselspannungsleistung zum Anlegen an den Wechselstrom-Motor gewandelt. Die Drehzahl des Wechselstrom-Motors wird durch die Frequenz der angelegten Wechselspannungsleistung gesteuert.
Der Wechselrichter (inverter) ist üblicherweise zur Bereitstellung von 3-phasiger Wechselspannungsleistung ausgelegt und weist mehrere steuerbare Gleichrichter auf, z. B. gesteuerte Siliciumgleichrichter (SCR - silicon controlled rectifiers) oder Abschaltthynstoren (GTO - gate turnoff thyristors). Für jede Phase sind mindestens zwei solcher Bauteile in Reihe zwischen die relativ positiven und relativ negativen Gleichstrom- Sammelleitungen vom Gleichrichterschaltkreis geschaltet. Während des Motorbetriebs ist jeweils eines dieser Bauteile während einer Phase stets ausgeschaltet, während das andere Bauteil leitend ist. Wären beide Bauteile gleichzeitig leitend, würden die Bauteile einen Kurzschluss zwischen den Gleichrichterausgangsleitungen darstellen.
Ein solcher Zustand wird als "Durchschuss" bezeichnet und kann zu Strömen führen, die von derselben Grösse sind wie diejenigen, die während eines Überschlags auftreten.
Verschiedene Fehler können zu einem "Durchschuss"-Zustand beitragen. Beispielsweise kann ein Bauteil schhcht zu spät sperren, bevor ein anderes Bauteil zu leiten beginnt. Üblicher ist es, dass bei einem Bauteil zu Anfang der Fehler eines Kurzschlusszustandes auftritt und das zweite dazu in Reihe liegende Bauteil leitend gesteuert wird, was in einem Kurzschluss zwischen den Gleichstrom-Versorgungsleitungen resultiert.
Genau wie beim Überschlagsfehler kann die Drosselungsfunktion des Antriebssystems nicht schnell genug reagieren, um einen Schaden für das Versorgungssystem zu verhindern
Die US-Patente Nrn. 5 168 416 und 5 245 495 beschreiben eine Form einer Schutzschaltung für Überschläge für einen Gleichstrom-Fahrmotor unter Verwendung eines in Reihe geschalteten Festkorper-Schalterbauelementes zum Unterbrechen der Feldwicklung des Generators hinsichtlich seiner Spannungsquelle nach der Feststellung eines hohen Stromanstiegs, der charakteristisch für einen Überschlag ist. Ein Nachteil dieses Systems liegt darin, dass das in Reihe liegende Schaltbauteil, z. B. ein GTO, so bemessen sein muss, dass es während des normalen Systembetriebs den Feldstrom des Wechselstromgenerators (alternator) leiten kann.
Darüber hinaus erfordert dieses in Reihe liegende Bauteil eine Gebläsekühlung, um ein Uberhitzen zu verhindern, und sein Bela-
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stungspegel ist wegen des dauernd zu transportierenden Stroms hoch.
Eine allgemeine Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine verbesserte Fehlerstromschutzeinnch- tung für Lokomotivenantriebssysteme anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Fehlerstromschutzes, der durch sein sehr schnelles Ansprechen auf die Feststellung eines Fehlstromzustandes gekennzeichnet ist sowie durch seine wirksame Unterdrückung eines solchen Zustandes, bevor der von dem Generator des
Antriebssystems gelieferte Strom auf seinen verfügbaren Maximalwert ansteigen kann.
Eine speziellere Aufgabe der Erfindung liegt darin, für ein Lokomotivenantriebssystem eine
Fehlerstromschutzeinrichtung zu schaffen, die schnell die Energieabschaltung einer Feldwicklung des Generators im Antriebssystem bewirkt, ohne dass ein in Reihe geschaltetes Schaltbauteil erfor- derlich ist.
Diese Ziele werden mit einer Fehlerstromschutzvornchtung der einleitend genannten Art erreicht, die sich gemäss der Erfindung auszeichnet durch: eine an den Stromkreis der Ankerwicklungen angeschlossene Erfassungseinrichtung zur
Erzeugung eines Fehlersignals als Reaktion auf einen Strom in den Ankerwicklungen, der einen vorgewählten Stromwert überschreitet; einen Kondensator; eine in Reihe mit dem Kondensator geschaltete steuerbare elektrische Festkörper-Schaltein- richtung, die einen Einschalt- und einen Ausschaltzustand hat und in Ruhestellung im Ausschaltzu- stand ist, wobei die Schalteinrichtung und der Kondensator in Parallelschaltung zu der Feldwick- lung des Generators angeordnet sind; eine Ladeschaltung zum Aufladen des Kondensators auf eine zum Abschalten der steuerbaren
Felderregerstromquelle ausreichende Spannung ;
eine Steuerung zum Anlegen des Fehlersignales an die elektrische Schalteinrichtung, um diese als Reaktion darauf einzuschalten und den Kondensator parallel zur steuerbaren Felderregerstrom- quelle zu schalten, wobei sich der Kondensator über die Feldwicklung entlädt, während gleichzeitig damit die Felderregerstromquelle abgeschaltet wird.
Die erfindungsgemässe Fehlerstromschutzvorrichtung erweist sich als nützlich in einem An- triebssystem für Traktionsfahrzeuge, das eine steuerbare elektrische Energiequelle für die Energie- versorgung mehrerer Wechselstrom- oder Gleichstrom-Fahrmotoren enthält. In dem System mit
Gleichstrom-Fahrmotoren weisen die Gleichstrom-Motoren jeweils Anker- und Feldwicklungen sowie einen Kollektor auf, der Überschlägen ausgesetzt ist. In dem System mit Wechselstrom-
Fahrmotoren sind die Wechselstrom-Motoren jeweils so angeschlossen, dass sie Wechselstrom- leistung von einem jeweiligen Wechselrichter mit steuerbaren elektrischen Festkörperventilen erhalten, die ihrerseits Fehlermöglichkeiten vom Kurzschlusstyp unterliegen und zu einem "Durch- schuss"-Zustand führen können.
Die Leistungsquelle enthält einen 3-phasigen Synchrongenerator mit Anker- und Feldwicklungen sowie einen Rotor, der von einer Kraftmaschine an Bord des Fahrzeugs angetrieben wird. Die Feldwicklungen des Generators sind verbunden mit einer steuerbaren Gleichstromquelle für einen Erregerstrom, die Mittel zur Veränderung der Höhe dieses Stroms als
Funktion des Wertes eines veränderlichen Steuersignals enthält. Eine geeignete Regelung bzw Steuerung für die Anregung bestimmt normalerweise den Wert dieses Steuersignals als Reaktion auf ausgewählte Eingangssignale, einschliesslich eines Referenzsignals, dessen Wert normalerweise von der Leistungsstellung des Gas-(oder Brems-)Hebels im Fahrzeug abhängt.
Die 3-phasigen Ankerwicklungen auf dem Stator des Synchrongenerators sind mit einem ungesteuerten elektrischen Leistungsgleichrichter (mit mehreren Leistungsdiodenpaaren) und mehreren elektrischen Schaltschützen verbunden. Betriebseinrichtungen sind vorgesehen, die veranlassen, dass jedes Schütz zwischen seiner geöffneten und geschlossenen Position umschalten kann und dabei die entsprechenden Motoren in der gewünschten Weise mit dem Gleichrichter verbindet (oder davon abtrennt). Über geeignete Stromabfühlmittel wird eine ganze Familie von Rückführungssignalen abgeleitet, die jeweils die Grösse der Ankerströme in den Fahrmotoren oder die Grösse des Stroms für jeden der Wechselrichter für die Wechselstrom-Motoren repräsentieren.
Ein Überschlag auf dem Kollektor irgendeines der Gleichstrom-Motoren bewirkt einen abnorm grossen Zuwachs im Ankerstrom des betreffenden Motors, während ein "Durchschuss" in einem Wechselrichter einen ähnlichen Stromzuwachs für den betreffenden Wechselrichter verursacht.
Bei der Erfindung wird ein steuerbares elektrisches Festkörperventil in Reihe mit einer kapaziti-
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ven Einrichtung parallel zu den Feldwicklungen des Generators geschaltet. Dieses Ventil weist alternativ leitende und nichtleitende Zustände auf Das steuerbare Ventil ist zweckmässigerweise so aufgebaut, dass es sehr schnell seine Zustände ändern kann, und es ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der es von den nichtleitenden in die leitenden Zustände umgeschaltet werden kann als
Reaktion auf ein Fehlersignal, das jedesmal dann von einer Erfassungseinrichtung für den Fehlerstrom erzeugt wird, wenn ein Fehlerstrom auftritt, Sobald das Ventil in seinen leitenden Zustand wechselt, nimmt der Erregerstrom in den Feldwicklungen des Generators schnell auf Null ab und die Ausgangsspannung des Generators wird entsprechend abgesenkt,
um schnell den Fehlerstrom auszulöschen Mit anderen Worten, jedesmal wenn ein Fehlerstrom auftritt, wird der anfängliche Stromstoss in gewünschter Weise begrenzt durch das schnelle Vermindern des Generatorfeldes.
Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird das Fehlerstromschutzsystem unter Verwendung eines steuerbaren Siliciumgleichrichters (SCR) implementiert, der in Reihe mit einem Kondensator parallel zur Feldwicklung des Synchrongenerators liegt. Angewandt auf ein Antriebssystem für eine Lokomotive unter Einsatz eines Gleichstrom-Fahrmotors ist die Feldwicklung ebenfalls parallelgeschaltet mit einem Schaltkreis zur Unterdrückung einer vorübergehenden Störung (transient suppression circuit), der eine in Reihe geschaltete Kombination eines Spannungsüberschlag- bzw.
-kippbauteils (voltage breakover device) und einer Widerstandseinrichtung enthält. Getriggert wird die Störunterdrückungsschaltung durch eine über der Feldwicklung des Synchrongenerators auftretende Spannung mit einem Wert oder Betrag, der höher als eine vorgewählte Grösse ist. Die gewählte Grösse richtet sich nach einem Wert, der einen Schaden für den Generator aufgrund einer Uberspannungsbedingung verhindert. Wird ein Fehlerstrom, z.B ein Überschlag, in dem Gleichstrom-Motorantnebssystem festgestellt, wird ein Fehlersignal zum Leitendsteuern des SCR angelegt, wodurch der Kondensator in Parallelschaltung mit der Feldwicklung des Generators verbunden wird. Der Kondensator wird auf einen Wert vorgeladen, der wesentlich höher ist als die normalerweise an die Feldwicklung angelegte maximal verfügbare Erregerspannung.
Wird der Kondensator demzufolge parallel zur Feldwicklung geschaltet, wird der Kondensator zur Stromquelle für die Feldwicklung und schaltet schnell die gesteuerte Felderregerstromquelle ab. Wenn sich der Kondensator über die Feldwicklung entlädt, wird aufgrund des Stromflusses eine Gegenspannung am Kondensator angelegt, die auf einen viel höheren Spannungswert ansteigt, als anfänglich auf dem Kondensator lag, und die einen Wert erreicht, bei dem die Störunterdrückungsschaltung ausgelöst (getriggert) wird.
Wenn die Störunterdrückungsschaltung getriggert wird, wird der Widerstandswert dieses Schaltkreises parallel zur Feldwicklung geschaltet und bewirkt, dass der Feldstrom schnell abfällt In typischen Fällen weist die Widerstandseinrichtung in der Störunterdrückungsschaltung einen Wert von etwa zwei Ohm auf, so dass der Strom in der Feldwicklung sehr schnell abklingt, beispielsweise in weniger als 0,2 Sekunden.
Angewandt auf ein Wechselstrom-Lokomotivenantriebssystem, bei dem Wechselstrom-Motoren an Wechselrichtern angeschlossen sind, verwendet das Schutzsystem dieselbe Kombination von SCR und Kondensator, enthält dabei jedoch einen Widerstand und eine Diode in Parallelschaltung mit dem Kondensator als Ersatz für die Störunterdrückungsschaltung, die (so) bei einem Wechselstrom-Antriebssystem nicht benutzt wird. Dabei ist die Diode so gepolt, dass sie den Strom in derselben Richtung wie der SCR leitet, so dass die Diode zunächst durch die Voriadungsspannung auf dem Kondensator in Sperrichtung vorgespannt ist. Wird der SCR als Reaktion auf ein Fehlerstromsignal von einem Stromfühler im Wechselrichter gezündet, fliesst der Strom von dem Kondensator durch die Feldwicklungsinduktanz und lädt den Kondensator gegenläufig auf.
Sobald die Kondensatorspannung einen Wert erreicht, der ausreichend ist, um die Diode in Durchlassrichtung vorzuspannen, wird der in Reihe mit der Diode liegende Widerstand effektiv parallel zur Feldwicklung des Generators geschaltet und stellt einen Strompfad zur Ableitung der Energie der Feldwicklung zur Verfügung. Üblicherweise wird bei der Ausführung für ein Wechselstrom-Antriebssystem der Widerstand einen Wert von weniger als ein Ohm aufweisen.
Bei beiden Antriebssystemen, sowohl dem mit Wechselstrom wie auch dem mit Gleichstrom, erzeugt die Fehlerstromerfassung ein Fehlerstromsignal, das an einen Multivibrator (Kippschaltung) zur Erzeugung eines Fehlersignals mit einer vorbestimmten Zeitdauer angelegt wird. Das Fehlersignal wird dann auf eine Gate-Treiberschaltung für einen SCR gegeben, die Gate-Treibersignale an den SCR liefert für eine Zeit, die mindestens gleich der Zeitdauer des Impulses vom Multivibrator ist. Vorzugsweise wird das Signal vom Multivibrator als ein STATUS-Signal benutzt
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und an die Antriebssystemsteuerung (-regelung) geleitet um anzuzeigen, dass ein Fehlerzustand aufgetreten ist.
Die Steuerung wird die Torsignale (gating signals) der steuerbaren Erregerquelle für die Feldwicklung des Generators für mindestens eine vorbestimmte Zeit aufheben um zu ver- hindern, dass die Feldwicklung erregt wird, bevor der Fehler beseitigt wurde. Im Falle einer Gleich- strom-Lokomotive kann das Regel- bzw. Steuersystem den Motor, der einen Überschlagszustand erfahren hat, für ein vorgewähltes Zeitintervall oder für eine vorgewählte Anzahl von Umdrehungen des Motorankers ausschliessen oder sperren, um dem Motor zu erlauben, sich selbst zu "heilen".
Im Falle einer Wechselstrom-Lokomotive kann die Feststellung einer Fehlerstromcharakteristik aufgrund eines "Durchschuss"-Zustands nicht geheilt werden und erfordert ein Auswechseln der
Komponente. Demzufolge wird bei einer Wechselstrom-Lokomotive die Systemsteuerung (-rege- lung) in typischen Fällen den Wechselrichter, der als von dem "Durchschuss"-Zustand betroffen festgestellt wurde, ausschliessen oder sperren, und dieser Wechselrichter wird seinem ihm zuge- ordneten Motor nicht mehr länger Energie zuführen. Obwohl dies eine Reduzierung von sechs angetriebenen Wechselstrom-Motoren auf fünf (für den ersten Fehler) bedeuten kann, wird dadurch nicht die angelegte Leistung reduziert, weil die anderen fünf Wechselrichter die entspre- chend ausgelassene Ausgangsleistung übernehmen.
Die Lokomotive arbeitet weiterhin mit der vorher eingestellten Leistung, nachdem der Wechselrichter herausgenommen worden ist
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der detaillierten
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beigefügten Zeich- nungen Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines elektrischen Antriebssystems für eine Lokomotive mit einer thermischen Kraftmaschine (z.B. einem Dieseltriebwerk), einem Synchrongenerator, einem e- lektrischen Leistungsgleichrichter, mehreren Fahrmotoren, einer steuerbaren Quelle für den
Erregerstrom sowie einer Steuerung bzw.
Regelung;
Fig. 2A ein schematisches Schaltbild eines der Gleichstrom-Fahrmotoren, die in Fig. 1 durch einfache Blöcke dargestellt sind ;
Fig. 2B eine Schar von Lastsättigungskurven eines typischen Synchrongenerators, die die
Beziehung zwischen Ausgangsspannung und -strom für verschiedene Werte des Erreger- stroms zeigen;
Fig 3 ein erweitertes Blockschaltbild von bestimmten Teilen der Steuerung bzw.
Regelung, die mit der Erregerquelle für den Generator zusammenarbeiten, um die vorliegende Erfindung zu implementieren;
Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der Erfassungseinrichtung für einen Überschlag, die in
Fig. 3 als einzelner Block dargestellt ist,
Fig. 5 ein erweitertes Schaltbild der in den Figuren 1 und 3 als Einzelblock gezeigten Quelle für den Erregerstrom des Generators für einen Gleichstrom-Fahrmotor;
Fig. 5A ein erweitertes Schaltbild der Quelle für den Erregerstrom des Generators nach den
Figuren 1 und 3 für einen Wechselstrom-Fahrmotor;
Fig 6 ein erweitertes Blockschaltbild der SCR-Steuerung von Fig. 5,
Fig 7 einen typischen Spannungsverlauf für die Feldwicklung des Generators während des
Betriebs des Fehlerstromschutzsystems;
Fig. 8 eine vereinfachte Darstellung eines Antriebssystems für eine von Gleichstrom-Motoren angetriebene Lokomotive;
Fig. 9 eine vereinfachte Darstellung eines Antriebssystems für eine von Wechselstrom-Moto- ren angetriebene Lokomotive;
Fig 10 ein vereinfachtes Schema eines Antriebssystems mit einem Schutz über kurzgeschlos- sene Gleichrichterdioden;
Fig. 11 weitere Elemente der Schutzschaltung von Fig. 10 ; Fig. 12 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Fehlerstromschutzsystems.
Das in Fig. 1 gezeigte Antriebssystem enthält eine drehzahlveränderliche Kraftmaschine (prime mover) 11, die mechanisch mit dem Rotor einer dynamoelektrischen Maschine 12 verbunden ist, die ein 3-phasiger Wechselstrom-Synchrongenerator ist, der auch als Haupt-Fahrstromgenerator (main traction alternator) bezeichnet wird Der Hauptgenerator 12 weist einen Satz von drei im Stern verbundenen Ankerwicklungen auf seinem Stator auf. Im Betrieb erzeugt er 3-Phasen-Spannungen in diesen Wicklungen, welche Spannungen an die Eingangsanschlüsse von mindestens
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einer 3-phasigen ungesteuerten Doppelweg-Leistungsgleichrichterbrücke 13 angelegt werden.
Die
Brücke 13 ist in üblicher Weise durch mehrere Paare von Leistungsdioden gebildet, wobei zwei oder drei solcher Paare jeder der drei verschiedenen Phasen des Hauptgenerators 12 zugeordnet sind Die Dioden in jedem Paar sind in Reihe verbunden zwischen den relativ positiven und negati- ven Gleichstrom-Ausgangsanschlüssen der Gleichrichterbrücke 13 und ihr Verbindungspunkt ist über eine (nicht gezeigte) Schutzsicherung mit dem entsprechend zugeordneten Eingangsan- schluss der Brücke verbunden. Der Ausgang der Brücke 13 ist elektrisch über einen Gleichstrom-
Bus 14 und mehrere individuelle elektrische Kontaktgeber oder Schütze (contactors) 15C, 16C in
Energie zufuhrender Beziehung mit mehreren parallel zueinander liegenden Gleichstrom-Fahr- motoren (traction motors) mit einstellbarer Drehzahl gekoppelt, von denen lediglich zwei (15, 16) in Fig 1 gezeigt sind.
Die Kraftmaschine 11, der Wechselstromgenerator 12 und der Gleichrichter 13 sind in geeigneter Weise auf der Plattform eines selbstangetriebenen Zugfahrzeugs montiert, das typischerweise eine dieselelektrische Lokomotive mit vier oder sechs Achsen ist. Die Plattform oder Bühne der Lokomotive ist ihrerseits auf zwei (nicht dargestellten) Fahrgestellen gelagert, von denen jedes zwei oder mehrere Achsen-Radsätze aufweist. An jeder Achse ist ein separater Fahrmotor aufgehängt, und dessen Rotor ist mechanisch über ein konventionelles Getriebe in antreibender Beziehung mit dem zugeordneten Achsen-Radsatz gekoppelt.
Geeignete Stromabfühlmittel werden benutzt, um eine Reihe von Strom-Rückführungssignalen 11, 12 usw. vorzusehen, die jeweils repräsentativ für die Grösse der Ankerströme des Motors sind
Der erste Fahrmotor 15 ist in Fig. 2A gezeigt und ist typisch für die übrigen. Auf dem zylindrischen Rotor dieses Motors gibt es mehrere Ankerwicklungen, die jeweils an verschiedenen Stäben oder Segmenten eines konventionellen Kommutators bzw. Kollektors 15A enden, mit dem nichtrotierende Kohlenstoffbürsten 15B in gleitendem Kontakt stehen. Ein geerdeter Funkenring (flash ring) 15R ist um den Kollektor im Abstand dazu angeordnet. Der Motor trägt auf seinem Stator Feldwicklungen 15F, und während des Motor- oder Antriebs-Arbeitsmodus sind diese Wicklungen, wie in Fig. 2A gezeigt, in Reihe mit dem Anker verbunden.
Die Drehrichtung des Ankers und somit die Richtung, in der die Lokomotive angetrieben wird, hängt ab von der relativen Richtung des Feldstroms und kann umgekehrt werden durch Ändern der Schalterposition eines (nicht dargestellten) konventionellen bistabilen elektromechanischen Umschalters (reverser), der in Reihe mit den Feldwicklungen 15F liegt. Zum dynamischen Bremsen oder Verlangsamen der Lokomotive werden die Ankerwicklungen jedes Fahrmotors vom Leistungsgleichrichter 13 getrennt und dafür an ein (nicht dargestelltes) konventionelles dynamisches Bremswiderstandsgitter mit Gebläsekühlung angeschlossen; und die Feldwicklungen aller Motoren werden in Reihe zueinander zur Energiezufuhrung vom gleichgerichteten Ausgang des Hauptgenerators 12 verbunden.
Wie aus Fig. 2A ersichtlich ist, wird das Strom-Rückführungssignai 11 über einen geeigneten Stromsensor 15S geliefert, der in Reihe mit den Ankerwicklungen des Fahrmotors 15 liegt Es ist daher repräsentativ für die Grösse des Stroms in den in Reihe liegenden Anker- und Feldwicklungen dieses Motors, wenn dieser im Motorbetrieb arbeitet
Der Hauptgenerator 12 sowie der Leistungsgleichrichter 13 dienen als steuerbare elektrische Energiequelle für die betreffenden Fahrmotoren. Die Grösse der Ausgangsspannung (oder des Stromes) dieser Quelle wird bestimmt und verändert durch die Grösse des an die Feldwicklungen 12F des Rotors vom Hauptgenerator 12 gelieferten Erregerstroms.
Diese Feldwicklungen sind zur Energieversorgung an den Ausgang einer geeigneten Quelle 17 für den geregelten Erregerstrom IF angeschlossen In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung enthält die Verbindung zwischen den Feldwicklungen 12F und der Erregerstromquelle 17 einen Kontakt 12C eines konventionellen elektromechanischen Feldschalters. Der Feldschalter weist Steuermittel 12D auf, mit denen er den Schalter in einen ersten oder Normalzustand bewegt, in dem der Kontakt 12C geschlossen ist und den Erregerstrom frei leitet, und mit denen er diesen Schalter dazu veranlasst, zwischen seinem ersten Zustand und einem zweiten oder alternativen Zustand umzuschalten, in dem der Kontakt 12C geöffnet und der Erregerstrom wirksam unterbrochen ist.
In der Praxis enthalten die Steuermittel 12D eine elektromagnetische Spule sowie einen zugeordneten Betätigungsmechanismus, der den Feldschalter in seinen Normalzustand bewegt und ihn dort lediglich so lange hält, wie diese Spule erregt ist.
Vorzugsweise enthält die Erregerstromquelle 17 eine 3-phasige gesteuerte Gleichnchterbrük- ke, deren Eingangsanschlüsse 18 Wechselspannungen von einem von der Kraftmaschine getrie-
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benen Hilfsgenerator empfangen, der tatsächlich einen zusätzlichen Satz von 3-phasigen Ankerwicklungen auf demselben Rahmen wie der Hauptgenerator 12 enthalten kann. Die Quelle 17 ist in Fig. 1 mit "Feldregler" bezeichnet.
Sie enthält konventionelle Mittel zum Ändern der Grösse des Gleichstroms IF, der an die Feldwicklung 12F des Generators (und damit an den Ausgang des Generators 12) geliefert wird, soweit das nötig ist, um eine jegliche Abweichung zwischen dem Wert eines variablen Steuersignals VC auf einer Eingangsleitung und einem Rückführungssignal zu minimieren, das während des Motorbetriebs repräsentativ ist für die durchschnittliche Grösse V der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Hauptgenerators 12.
Die letztere Spannungsgrösse ist eine bekannte Funktion der Grösse des Erregerstroms in den Feldwicklungen 12F bzw. der Grö- #e des Ausgangsstroms in den Ankerwicklungen des Hauptgenerators, und sie variiert ebenfalls mit der Geschwindigkeit bzw Drehzahl der Kraftmaschine 11Sie wird abgefühlt über ein konventionelles Spannungsabfühlmodul, das parallel zu den Gleichstrom-Ausgangsanschlüssen des Leistungsgleichrichters geschaltet ist. Die Kurven in Fig. 2B veranschaulichen exemplarisch die Beziehungen zwischen der Spannung V und der durchschnittlichen Grösse des Laststroms an den Ausgangsanschlüssen des Leistungsverstärkers 13, wie er von einem typischen Generator 12 geliefert wird, der mit konstanter Drehzahl (z.
B. 1 050 Upm) von der Kraftmaschine 11 angetrieben und erregt wird von einem Feldstrom IF mit mehreren verschiedenen Grössen, die auf den entsprechenden Kurven aufgetragen sind.
Ein Stromerfassungsmodul 22 mit relativ geringem Widerstand, (z. B. etwa zehn Ohm) ist zwischen dem Neutral- bzw. Sternpunkt S der Generator-Ankerwicklungen und dem geerdeten Chassis oder Rahmen der Lokomotive, wie in Fig. 1 angegeben, angeschlossen. Das Modul 22 liefert auf einer Ausgangsleitung 23 ein Rückführungssignal, das repräsentativ für die Grösse (IGND) des Leckstroms nach Erde in dem elektrischen Antnebssystem ist Es ist ersichtlich, dass IGND ein Mass für den Strom ist, der über das Modul 22 zwischen dem Sternpunkt S und jeglichem Erdschluss in den Ankerwicklungen des Hauptgenerators 12, im Leistungsgleichrichter 13 oder in dem elektrischen Lastschaltkreis ist, der mit dem Leistungsgleichrichter verbunden ist.
Der letztere Schaltkreis enthält die Feldwicklungen der Fahrmotoren 15,16 usw. sowie gleichermassen, im Motor-Betriebsmodus, die Motor-Ankerwicklungen.
Die Kraftmaschine 11, die das Generatorfeld 12F treibt, ist ein thermisches oder mit interner Verbrennung arbeitendes Triebwerk bzw. ein Äquivalent dazu. Bei einer dieselelektrischen Lokomotive wird die Antriebsleistung typischerweise von einem turbo-aufgeladenen 16-Zylinderdieseltriebwerk hoher Leistung bereitgestellt. Ein solches Triebwerk weist ein Kraftstoffsystem 24 auf, das ein Paar Kraftstoffpumpengestelle zum Steuern der Menge des Kraftstofföls enthält, das jedesmal in jeden Zylinder strömt, wenn eine zugeordnete Kraftstoffeinspritzung über einen entsprechenden Kraftstoffnocken auf den Triebswerksnockenwellen betätigt wird. Die Position jedes Brennstoffgestells und somit die Menge des an das Triebwerk gelieferten Kraftstoffs wird von einem Ausgangskolben eines Reglersystems 25 für die Triebwerksdrehzahl gesteuert, mit dem beide Gestelle verbunden sind.
Der Regler regelt die Triebwerksdrehzahl durch automatisches Versetzen der Gestelle innerhalb vorgegebener Grenzen in einer Richtung und um einen Betrag, der jegliche Abweichung zwischen der tatsächlichen und gewünschten Geschwindigkeit der Triebwerkskurbelwelle minimiert. Die gewünschte Drehzahl wird mittels eines variablen Drehzahl-Sollsignals eingestellt, das von einer zugeordneten Steuerung 26 empfangen wird, welches Signal hier als Drehzahl-Sollsignal oder Drehzahl-Anforderungssignal bezeichnet wird. Ein Triebwerks-Drehzahlsignal (Upm) gibt die tatsächliche Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle des Triebwerks und damit des Generatorfelds an.
Das Drehzahl-Sollsignal für das Reglersystem 25 des Triebwerks sowie das Erregungssteuerungssignal VC für die Feldstromquelle 17 des Generators werden von der Steuerung 26 geliefert.
Beim normalen Betrieb im Motor- oder Antriebsmodus werden die Werte für diese Signale durch die Position eines Hebels einer manuell betriebenen Gaseinstellung (throttle) 27 bestimmt, mit dem die Steuerung 26 elektrisch verbunden ist. Ein Gashebel bei einer Lokomotive weist üblicherweise acht Leistungseinstellungen oder Rasten (notches N) plus Leerlauf und Stillstand (shutdown) auf.
N1 entspricht einer minimalen gewünschten Maschinendrehzahl (Leistung), während N8 der maximalen Drehzahl und damit voller Leistung entspricht. Mit dem Leistungshebel in seiner Leerlaufposition prägt die Steuerung 26 dem Steuersignal VC einen Wert entsprechend IF=0 auf und vom Hauptgenerator 12 wird keine Fahrleistung produziert. Wird ein dynamischer Bremsvorgang
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einer fahrenden Lokomotive gewünscht, bringt der Bediener den Gashebel in seine Leerlaufposition und betätigt einen ineinandergreifenden Hebel eines entsprechend vorgesehenen (companion)
Bremssteuergeräts 28, so dass die Hauptsteuerung 26 nun ein variables "Bremsanforderungs"-
Signal zugeführt bekommt, das den Wert des Steuersignals VC für die Erregung des Generators bestimmt.
(Im Bremsmodus wird ein Rückführungssignal, das reprasentativ für die Grösse des an die Feldwicklungen des Fahrmotors gelieferten Stroms vom gleichgerichteten Ausgang des Hauptgenerators 12 ist, an die Generator-Erregerquelle 17 angelegt und dort von dem Steuersignal auf der Leitung 19 subtrahiert, um das Differenz- oder Fehlersignal zu bestimmen, auf das die Quelle
17 anspricht ) Bei einem Verbund von zwei oder mehreren Lokomotiven ist normalerweise lediglich die Führungseinheit besetzt und die Steuerung an Bord jeder Folgeeinheit (trail unit) wird über Bahnleitungen codierte Signale empfangen, welche die jeweils von dem Bediener in der Fuhrungseinheit gewählte Gashebelposition oder Bremsanforderung anzeigen.
Für jeden Leistungspegel des Triebwerks gibt es eine entsprechende gewünschte Last. Die Steuerung 26 ist zweckmässigerweise dazu eingerichtet, die Rasterinformation vom Gashebel 27 in ein Referenzsignal umzusetzen, das im wesentlichen gleich dem Wert des Spannungsrückfüh- rungssignals V sein wird, wenn die Fahrleistung mit der angeforderten Leistung übereinstimmt; und solange die Ausgangsspannung des Generators 12 und der Laststrom beide innerhalb vorgegebener Grenzen liegen, wird das Steuersignal VC auf der Eingangsleitung 19 der Erregerstromquelle 17 im nötigen Ausmass variiert, um diese gewünschte Last zu erhalten.
Dazu und zum Zwecke der Drosselung (d. h Entlasten des Triebwerks) und/oder zum Begrenzen der Triebwerksdrehzahl für den Fall bestimmter abnormaler Zustände ist es notwendig, die Steuerung 26 mit Information über verschiedene Arbeitszustände und Parameter des Antriebssystems, einschliesslich des Triebwerks, zu versorgen
Wie in Fig. 1 dargestellt, erhalt die Steuerung 26 das oben erwähnte Drehzahlsignal Upm des Triebwerks, das Spannungsrückführungssignal V und die Stromrückführungssignale 11, 12 usw , die jeweils repräsentativ fur die Grösse der Ströme in den Ankerwicklungen der einzelnen Fahrmotoren sind. Sie empfängt weiterhin ein Laststeuersignal, das vom Reglersystem 25 ausgegeben wird, wenn das Triebwerk nicht die angeforderte Leistung entwickeln kann und noch die angeforderte Drehzahl aufrechterhalt.
(Das Laststeuersignal ist, wenn es ausgegeben wird, wirksam, um den Leistungsreferenzwert der Steuerung 26 zu vermindern, um so das Generatorfeld abzuschwachen, bis ein neuer Gleichgewichtspunkt erreicht ist.) Zusätzliche an die Steuerung 26 angelegte Daten enthalten die folgenden Signale: "SPG. MAX" und "STROM MAX", welche Daten die absoluten Maximalwerte fur die Generatorausgangsspannung bzw. den Strom festlegen; "STARTEN"-Daten, die angeben, ob oder ob nicht eine Startroutine (d h. ein Anlassvorgang) gerade ausgeführt wird; und relevante Eingänge von anderen ausgewählten Quellen, wie das durch den mit "SONST" bezeichneten Block dargestellt ist.
Die Generator-Erregerquelle 17 und die Steuerung 26 kommu- nizieren miteinander über eine serielle Mehrfachleitungsdatenverbindung bzw. emen entsprechenden Bus 21. Die Steuerung 26 kommuniziert weiterhin mit der Steuereinrichtung 12D, die als Folge eines ÄSchliessÄ-Befehls von der Steuerung mit Energie beaufschlagt wird, um den Feldschalterkontakt 12C in seine geschlossene Position zu bringen, in der er durch die eingeschalteten Steuermittel gehalten wird, und sie kommuniziert mit den "Schaltertreibern" (Block 29) (contactor dnvers), die zweckmässigerweise so konstruiert und angeordnet sind, dass sie die individuellen Fahrmotorschütze 15C, 16C usw betätigen.
Die Schaltertreiber 29 sind typisch pneumatische Mechanismen, die uber zugeordnete elektromagnetische Werte gesteuert werden, die ihrerseits selektiv oder gemeinsam über Steuerbefehle von der Steuerung 26 gesteuert werden.
Zum Zwecke des Ansprechens auf Erdschlussfehler im Antriebssystem bekommt die Steuerung 26 über die Ausgangsleitung 23 des Stromerfassungsmoduls 22 das zuvor erwähnte Rückführungssignal zugeführt, dessen Wert mit der Grosse IGND des Erdschlussstromes variiert. Zeigt dieses Signal an, dass IGND abnormal gross ist, führt die Steuerung 26 automatisch gewisse Schutzfunktionen durch und sendet gleichzeitig Nachrichten oder Alarmsignale an ein Anzeigemodul 30 im Führerstand der Lokomotive Die von der Steuerung 26 implementierten Schutzfunktionen gegen Erdschlüsse sind vorzugsweise oder entsprechen vorzugsweise den in dem früher zitierten kanadischen Patent 1 266 117 beschriebenen Massnahmen, welches Patent am 20 Februar 1990 erteilt wurde und dessen Inhaber die General Electnc Company ist ;
Offenbarungsumfang dieses Patents wird hier ausdrücklich durch Bezugnahme herangezogen. Zusammengefasst wirkt
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die genannte Schutzmassnahme im Sinne einer Modifikation des Wertes des Steuersignals VC auf der Leitung 19, wenn der Leckstrom nach Erde abnormal gross ist, so dass :
wenn der Wert des
Erdstromes in einem Bereich zwischen einem vorbestimmten Schwellenwert für den Drosselungs- vorgang (deration) und einem vorbestimmten maximal zulässigen Wert liegt, die Grösse des Generator-Feldstromes IF reduziert und folglich die Ausgangsleistung des Hauptgenerators 12 auf einen Bruchteil seines normal gewünschten Wertes vermindert wird, welcher Bruchteil sich umge- kehrt mit der Grösse des den Drosselungsschwellwert überschreitenden Erdstromes ändert, und (2) die Ausgangsleistung mindestens für ein minimales Zeitintervall auf Null beschränkt wird, wenn die Grösse des Erdstromes über seinen maximalen Grenzwert zunimmt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Steuerung 26 einen Mikrocomputer. Den Fachleuten auf diesem Gebiet wird es klar sein, dass ein Mikrocomputer tatsächlich ein koordiniertes System von im Handel erhältlichen Komponenten und zugeordneten elektrischen Schaltungen und Elementen ist, die in einer Art programmiert werden können, so dass sie eine Reihe von gewünschten Funktionen ausführen können. Bei einem typischen Mikrocomputer führt eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU - central processing unit) ein in einem löschbaren und elektrisch erneut programmierbaren Nur-Lesespeicher (EPROM - electrically programmable read only memory) gespeichertes Arbeitsprogramm aus, das ebenfalls Tabellen und Daten, die in dem Programm benutzt werden, speichert.
Enthalten in der CPU sind konventionelle Zähler, Register, Akkumulatoren, Flipflops (Markierungen, flags) usw. zusammen mit einem Präzisionsoszillator, der ein hochfrequentes Taktsignal liefert. Der Mikrocomputer enthält weiterhin einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM - random access memory), in dem Daten temporär gespeichert und von dem Daten an verschiedenen von dem im EPROM gespeicherten Programm bestimmten Adresslokationen gelesen werden können. Diese Komponenten werden über geeignete Adress-, Datenund Steuerbusleitungen miteinander verbunden. In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wird ein Intel 8086 Mikroprozessor verwendet.
Die Steuerung 26 ist so programmiert, dass sie im Motor-Betriebsmodus auf der Leitung 19 ein Steuersignal mit einem Wert erzeugt, der variiert, soweit das nötig ist, um irgendeinen Fehler bzw irgendeine Abweichung zwischen dem Wert des Generator-Spannungsrückführungssignals V und einem Referenzwert auf Null zu bringen, der von der von dem Lokomotivführer gewählten Gashebelposition sowie von der Ausgangsfahrleistung des Hauptgenerators normalerweise abhängig ist Die derzeit bevorzugte Art, in der dies erfolgt, ist beschrieben im US-Patent Nr. 4 634 887 von Balch et al vom 6. Januar 1987 und für die General Electric Company als Inhaber, welche Offenbarung hier durch Bezugnahme ausdrücklich hereingenommen wird.
Um einen elektrischen BremsBetnebsmodus zu implementieren, ist die Steuerung 26 so programmiert, dass sie den Wert des Steuersignals VC in dem notwendigen Masse variiert, um einen Fehler bzw. Abweichung zwischen einem Motorankerstrom-Rückführungswert und einem Referenzwert auf Null zu bringen, der normalerweise von der von dem Lokomotivführer gewählten dynamischen Bremsposition abhängig ist.
Gemäss der vorliegenden Erfindung enthält das oben beschriebene Antriebssystem Einrichtungen zum Schutz der Fahrmotoren vor Überschlägen. Der gewünschte Überschlagsschutz wird implementiert durch die Steuerung 26 in Zusammenarbeit mit der Erregerstromquelle 17 des Hauptgenerators. Die Teile der Steuerung, die mit dem Schutz vor Überschlägen zu tun haben, sind in vereinfachter Form in Fig. 3 gezeigt, in der der Block 32 eine zweckmässige Einrichtung zum Erfassen des Auftritts eines Überschlags (Flashover) auf dem Kollektor irgendeines der Gleichstrom-Fahrmotoren 15,16 usw. darstellt.
Die Erfassungseinrichtung 32 empfängt die Reihe von Stromrückführungssignalen 11, 12 usw. von den Fahrmotoren sowie auf der Leitung 23 das Rückführungssignal des Erdschlussstroms (IGND) Die Erfassungseinrichtung 32 erzeugt auf einer Ausgangsleitung 33 (in den Figuren 3 bis 7 mit "FEHLER" bezeichnet) immer dann ein Fehlersignal, wenn ein Überschlag erfolgt, was durch einen abnormen Anstieg in der Grösse mindestens eines Stromrückführungssignals angezeigt wird, und zwar für den Fall, dass entweder (1) die Grösse des Ankerstroms in irgendeinem Fahrmotor eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, die höher ist als die Grösse des Ankerstroms unter allen Normalbedingungen, oder (2) die Grösse von IGND einen weiteren Schwellenwert (z.B.
2,5 A) überschreitet, der höher als der maximale zulässige Grenzwert des Leckstroms ist, oberhalb dem die oben erwähnte Schutzfunktion gegen Erdschlüsse das Steuersignal VC auf seinen Nullwert für die Antriebsleistung festlegt. Die Höhe der Schwelle für den Ankerstrom ist vorzugsweise etwa
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doppelt so hoch wie der zweifache Maximalstrom, den jeder Fahrmotor normalerweise führen wird; in einer praktischen Anwendung der Erfindung wurde eine Höhe der Schwelle von 3 000 A gewählt. Um möglichst schnell auf das Auftreten eines Überschlags zu reagieren, wird die Erfas- sungsfunktion vorzugsweise mittels Analogschaltkreisen anstatt durch den Mikrocomputer durch- geführt.
Die derzeit bevorzugte Ausführung der Fehlerstromerfassungseinrichtung 32 ist in Fig. 4 ge- zeigt und wird nun beschrieben In einem Antriebssystem mit Gleichstrom-Fahrmotoren werden die
Motorankerstrom-Rückführungssignale 11, 12 usw jeweils an erste Eingange eines Feldes von
Vergleichern 35,36 usw angelegt Bei einem Antriebssystem mit Wechselstrom-Fahrmotoren werden die Signale 11, 12 IN von Stromsensoren abgeleitet, die schaltungsmässig mit den Wech- selrichtern verbunden sind, die ihrerseits die Leistung mit variabler Frequenz für die Motoren lie- fern Die zweiten Eingange derselben Vergleicher sind gemeinsam mit einer geeigneten Einrich- tung 37 zur Ableitung eines Vorspannungssignales mit einer vorbestimmten konstanten Grösse K1 entsprechend dem vorher erwähnten hohen Schwellenwert des Motorstroms verbunden.
Die Aus- gänge dieser Vergleicher sind jeweils über Dioden 38,39 usw mit einer Leitung 40 verbunden, die ihrerseits über einen Puffer 41 sowie eine weitere Diode 42 mit der Basis eines PNP-Transistors 43 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 43 ist über eine Diode 44 sowie einen Widerstand 45 an eine Steuerspannungsleitung (+) mit einem relativ positiven konstanten Potential angeschlossen, und ein Widerstand 46 ist zwischen die Transistorbasis und den Verbindungspunkt der Diode 44 mit dem Widerstand 45 eingeschaltet Der Kollektor des Transistors 43 liegt über einen Widerstand
47 an einer Referenzpotentialleitung, was in Fig. 4 durch ein Minuszeichen im Kreis dargestellt ist; der Kollektor ist weiterhin uber einen Widerstand 48 mit der Ausgangsleitung 33 der Einrichtung 32 zur Erfassung von Überschlägen verbunden.
Normalerweise weist keines der Rückführungssignale
11, 12 usw eine K1 überschreitende Grosse auf, so dass alle Vergleicher 35,36 usw hohe Aus- gangswerte aufweisen, die Dioden 38,39 usw. demzufolge in Sperrichtung vorgespannt sind (d.h nichtleitend sind) und das Signal auf der Leitung 40 auf einem oberen Wert ist. Der Transistor 43 ist dabei ausgeschaltet, es fliesst kein Strom im Widerstand 47, das Potential am Kollektor des
Transistors 43 und ebenfalls auf der Leitung 33) ist niedrig bzw. Null im Hinblick auf das Referenz- potential, und kein Fehlersignal wird von diesem Detektor ausgegeben.
Wenn und solange jedoch irgendeines (oder mehrere) der Motorstrom-Rückführungssignale über K1 hinaus ansteigt, wird der
Ausgang des zugehörigen Vergleichers in einen niedrigen Schaltzustand umgeschaltet, der bewirkt, dass das Signal auf der Leitung 40 einen niedrigen Wert annimmt und die Diode 42 leitet, wodurch der Emitter-Basisübergang des Transistors 43 in Durchlassrichtung vorgespannt wird, was nun den Transistor 43 einschaltet und zu einem Stromfluss durch seinen Kollektorwiderstand 47 führt, dabei steigt das Kollektorpotential an und erzeugt auf der Ausgangsleitung 33 ein hohes
Fehlersignal.
Wie aus Fig 4 ersehen werden kann, wird das Stromrückführungssignal auf der Leitung 23, das die Grösse des Erdschlussstromes IGND in den Ankerwicklungen des Traktionsgenerators 12 repräsentiert, auf einen Eingang eines zusätzlichen Vergleichers 51 geführt, dessen anderer Eingang mit einer geeigneten Einrichtung 53 zur Ableitung eines weiteren Vorspannungssignals mit einer vorbestimmten konstanten Grösse K2 verbunden ist, wobei K2 dem vorher erwähnten hohen Schwellwert von IGND entspricht.
Der Ausgang des Vergleichers 51 ist über eine Diode 54 mit einer Leitung 56 gekoppelt, die ihrerseits über einen Puffer 57 und eine Diode 58 mit der Basis des Transistors 43 verbunden ist Normalerweise überschreitet die Grösse des Erdstrom-Rückführungs- signals nicht K2 ; derVergleicher 51 weist einen hohen Ausgangswert auf ;
Diode 54 ist in Sper- richtung (d. h nichtleitend) vorgespannt, und das Signal auf der Leitung 56 ist auf seinem oberen Wert Wenn und solange jedoch der Wert dieses Rückführungssignals über K2 hinaus ansteigt, wird der Ausgang des Vergleichers 51 in einen niedrigen Zustand geschaltet, was bewirkt, dass das Signal auf der Leitung 56 den unteren Wert annimmt und die Diode 58 leitend wird ;
dadurchwird der Transistor 43 eingeschaltet und erzeugt auf der Ausgangsleitung 33 ein Fehlersignal mit einem oberen Pegelwert Tatsächlich bilden die Dioden 42 und 58 eine logische "ODER"-Schaltung, die den Detektor 32 in Lage versetzt, ein Fehlersignal als Reaktion auf einen abnormen Anstieg entweder des Erdschlussstromes in den Ankerwicklungen des Generators (alternator) oder des Ankerstromes in irgendeinem der Fahrmotoren zu erzeugen, wobei ein solcher Anstieg in beiden Fällen durch einen Überschlag auf einem Motorkollektor verursacht wird.
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Wie in Fig 4 gezeigt ist, wird das Erdschlussstrom-Rückführungssignal auf der Leitung 23 auch an eine Summiereinnchtung 59 angelegt, in der ein weiteres Signal auf einer Leitung 61 davon subtrahiert wird. Das Signal auf der Leitung 61 weist eine vorbestimmte konstante Grösse K3 auf und entspricht dem Pegel der Drosselungsschwelle (deration threshold) von IGND (z. B etwa
0,5 A). Ist IGND grösser als dieser Wert, aktiviert der resultierende Wert von der Summiereinnchtung 59 ein Programm 62 zur Drosselung bzw Lastrücknahme. Wie in dem vorher zitierten kanadischen Patent 1 266 117 vollständig beschrieben ist, modifiziert das Lastrücknahmeprogramm 62 den Wert des Steuersignals VC auf der Leitung 19 (vgl.
Fig. 1) in einer Weise, dass es die Grösse des Generatorfeldstromes so weit vermindert, dass die Ausgangsleistung des Generators 12 auf einen Bruchteil seines normal gewünschten Betrages vermindert wird, welcher Bruchteil umgekehrt proportional zur Grösse des den Drosselungsschwellwert überschreitenden Leckstromes ist, und er wird zu Null, wenn der Leckstromwert seinen maximal zulässigen Grenzwert (z B. etwa 1 A) überschreitet Es ist zu beachten, dass K2 grösser ist als der Wert des Rückführungssignals auf der Leitung 23, wenn der zuletzt erwähnte Grenzwert erreicht ist.
Zurückkommend auf Fig. 3 wird das Fehlersignal, das die Erfassungseinnchtung 32 auf der Ausgangsleitung 33 beim Auftreten eines Überschlags erzeugt, über die Datenverbindung 21 auf die Generator-Erregerstromquelle 17 geführt. Gemäss der vorliegenden Erfindung ist die Erregerquelle 17 ausgeführt mit einem elektrischen steuerbaren Festkörperventil und einem in Reihe geschalteten Kondensator, die in Parallelschaltung mit den Feldwicklungen 12F des Generators angeordnet sind, um schnell die Feldstromquelle abzuschalten und um schnell die Grösse des Felderregerstroms zu vermindern, wenn das Ventil durch ein Fehlerstromsignal leitend gesteuert wird, um dadurch die Grösse der Ausgangsspannung des Hauptgenerators 12 entsprechend herabzusetzen Die Organisation,
die Arbeitsweise sowie die Vorteile dieses Teils der Überschlagsschutzeinrichtung sollen nun in grösserem Detail unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben werden, welche die derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erregerstromquelle 17 für ein elektrisches Gleichstrom-Fahrmotorsystem darstellt. Die gezeigte Quelle 17 enthält eine 3-phasige DoppelwegGleichrichterbrücke 64, die durch Verbindung von sechs steuerbaren in einer Richtung leitenden elektrischen Ventilen oder Thyristoren mit Gate-Elektroden gebildet ist, die jeweils periodische Zünd- oder Abschaltsignale von konventionellen als Block mit der Bezeichnung "Thyristorbrückensteuerung" bezeichneten Steuermitteln 65 erhalten, wobei solche Zündsignale mit 3-phasigen Wechselspannungen synchronisiert sind, die an die drei Wechselstrom-Eingangsleitungen 18 der Brücke 64 angelegt werden.
Die letztgenannten Spannungen werden von Hilfswicklungen auf dem Generator 12 erhalten, wobei deren Frequenz und Amplitude mit der Rotationsgeschwindigkeit (Upm) der Kraftmaschine variieren. Typischerweise liegt die Grösse der Eingangsspannung in einem Bereich von etwa 30 Veff (volts rms - root mean square) bei Leerlaufdrehzahl bis 68 Veff bei voller Drehzahl.
Um die gewünschte Generator-Feldregelung, wie zuvor beschrieben, zu erreichen, wirkt die Steuereinrichtung 65 im Sinne einer Vorverlegung oder Verzögerung des Timings der Zündsignale als Funktion jeglicher Abweichung zwischen dem Steuersignal VC auf der Leitung 19 und dem Rückführungssignal, das repräsentativ für die Generator-Ausgangsspannung V ist
Wie in Fig. 5 gezeigt, ist der negative Gleichstrom-Ausgangsanschluss N der Gleichrichterbrücke 64 direkt mit einem Ende der Feldwicklungen 12F des Hauptgenerators 12 verbunden, und der relativ positive Ausgangsanschluss P dieser Brücke ist über eine Leitung 66, den normalerweise geschlossenen Kontakt 12C des Generatorfeldschalters sowie eine Leitung 67 an das andere Ende der Feldwicklung 12F angeschlossen.
Die Feldwicklung 12F sowie der Kontakt 12C werden überbrückt (shunted) durch einen Spannungsbegrenzerwiderstand 68 mit einem relativ kleinen Ohmwert (z.B. zwei Ohm) in Reihe mit einem bipolaren Spannungsüberschlag- bzw. -kippbauteil 69 (bipolarity voltage breakover device) mit einem positiven an die Leitung 66 angeschlossenen Anschluss sowie einem negativen an die Leitung 67 angeschlossenen Anschluss. Das Kippbauteil 69 weist in seinem normalen Zustand einen sehr hohen Widerstand auf und stellt im wesentlichen einen offenen Schaltkreis dar. Es ist jedoch zweckmässig derart konstruiert und angeordnet, dass es abrupt in einen Zustand mit vernachlässigbarem Widerstand umschaltet, wenn entweder das Potential auf der Leitung 67 negativ wird und einen ersten vorbestimmten Kippegel im Hinblick auf den Ausgangsanschluss N der Brücke 64 (z.
B. 800 V) überschreitet oder wenn das Potential auf der Leitung 66 relativ positiv ist und einen zweiten Kippegel überschreitet, der gleich oder unterschiedlich zu dem ersten Kippegel sein kann. Solange das Bauteil 69 in dem letzteren Zustand ist,
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wird jeglicher Erregerstrom in der Feldwicklung 12F durch den 2-Ohm Widerstand 68 zirkulieren oder "freilaufen"
Das Felderregersystem von Fig 5 ist besonders geeignet für ein Antnebssystem einer elektri- sche Gleichstrom-Fahrmotoren verwendenden Lokomotive und enthält eine steuerbare Schal- tungseinrichtung 70, die parallel zu der Feldwicklung 12F und zu der Thyristorbrücke 64 zwischen dem negativen Gleichstrom-Ausgangsanschluss N und dem relativ positiven Ausgangsanschluss P liegt.
In der zur Veranschaulichung dienenden Ausführungsform der Erfindung enthält die Schaltungseinnchtung 70 ein steuerbares elektrisches Ventil 71 vom relativen Hochgeschwindigkeitstyp in Reihe geschaltet mit einem relativ grossen Kondensator 72, z.B. mit 420 F, zwischen den Anschlüssen N und P. Das Ventil 71 ist vorzugsweise ein SCR.
Jedesmal wenn ein Fehlerstrom erfasst wird, was durch einen abnorm hohen Wert des Stromes
11, 12 usw fur einen der Fahrmotoren deutlich wird, erzeugt der Schaltkreis von Fig 4 ein Fehlerstromsignal "FEHLER", das an die SCR-Steuerung 80 angelegt wird Die SCR-Steuerung 80 arbeitet als Reaktion auf ein FEHLER-Signal derart, dass sie den SCR 71 leitend steuert und zur selben Zeit das normalerweise im oberen Zustand ("1") befindliche STATUS-Signal auf einer Ausgangsleitung 81 auf einen unteren Zustand ("0") verändert. Die SCR-Steuerung 80 enthält ferner Mittel zum Aufladen des Kondensators 72 auf eine relativ hohe Spannung im Hinblick auf die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 64.
Bei einer beispielhaften Ausführung liegt die normale über der Feldwicklung 12F gemessene Spannung der Brücke 64 im Bereich von etwa 30 bis 40 V, während die Spannung, auf die der Kondensator 72 aufgeladen wird, etwa 440 V (Gleichspannung) betragt.
Eine nähere Beschreibung der SCR-Steuerung 80 wird im folgenden mit Blick auf Fig. 6 gegeben
Wird der SCR 71 leitend gesteuert, wird der Kondensator 72 parallel zur Feldwicklung 12F zwischen die Gleichrichteranschlüsse N und P geschaltet Der auf eine höhere Spannung als am Gleichrichterausgang geladene Kondensator 72 spannt die SCRs im Gleichrichter 64 in Spernchtung vor und wird die Stromquelle fur den Strom in die Feldwicklung 12F Für ein beispielhaftes System wurde gefunden, dass der Gleichrichter 64 innerhalb von Mikrosekunden ausgeschaltet werden kann, wobei die Spannung auf dem Kondensator 72 innerhalb von ein bis zwei Millisekunden auf eine Gegenpolantät (reverse polanty) von etwa 800 V übergeht Erreicht die Gegenspannung etwa 800 V, wird das Kippbauteil 69 leitend getnggert und verbindet den Widerstand 68 parallel zur Feldwicklung 12F.
Infolge des Energieverlusts im Widerstand 68 nimmt der Strom in der Feldwicklung 12F schnell auf Null ab und vermindert dabei die Ausgangsleistung des Generators 12 innerhalb desselben Zeitintervalls auf Null. Ein beispielhafter Spannungsverlauf für die Feldwicklung 12F ist in Fig. 7 gezeigt. Die Spannung vom Zeitpunkt to bis t1 ist eine übliche phasengesteuerte Ausgangsspannung von dem SCR-Bruckengleichrichter 64 mit einem durchschnittlichen Gleichwert von etwa 30 V. Zum Zeitpunkt t1 wird ein Fehlerstrom festgestellt und der SCR 71 leitend gesteuert Die über der Wicklung 12F liegende Spannung springt unmittelbar auf den Wert der Spannung am Kondensator 72, in diesem Beispielsfall auf einen Wert von 440 V.
Zur selben Zeit werden die Gate-Signale für die SCRs in der Brücke 64 für zwei Sekunden ausgeschaltet Der Stromfluss in die Wicklung 12F geht gleichzeitig damit über vom Gleichrichter 64 auf den Kondensator 72 und schaltet dabei die SCRs im Gleichrichter 64 in einen nicht leitenden Zustand. Der Strom zirkuliert durch die Wicklung 12F sowie den Kondensator 72 und lädt den Kondensator 72 mit der Gegenpolantät auf.
Wenn die Spannung über dem Kondensator 72 (und die Wicklung 12F) eine Grösse erreicht, die ausreichend zum Auslösen des Kippbauteiles 69 ist, wird der Widerstand 68 parallel zur Wicklung 12F geschaltet, wodurch er eine niedrige Impedanz fur die Absorption der Energie in der Wicklung 12F bereitstellt, so dass deren Strom schnell auf Null abnimmt Im Beispiel löst das Bauteil 69 bei etwa-800 V zum Zeitpunkt t2 etwa ein bis zwei Millisekunden nach der Feststellung des Fehlers aus Der Strom in der Wicklung 12F nimmt innerhalb etwa 180 Millisekunden auf etwa Null ab Vom Zeitpunkt t, bis zum Zeitpunkt t2 arbeitet die Schaltung in einem untergedämpften Modus und schaltet dann zum Zeitpunkt t2 auf einen ubergedämpften Modus um.
Die Reduzierung der Höhe des Feldstroms bewirkt eine viel grössere Stromreduzierung in den Ankerwicklungen des Hauptgenerators 12, und die Ausgangsspannung sowie der Strom des Generators nehmen schnell ab Fig. 2B zeigt, dass die Ausgangsstromabnahme des Generators, pro Ampere der Feldstromreduzierung, von etwa fünf Ampere auf nahezu fünfzehn Ampere variiert, und zwar abhangig von der Grosse der Generatorausgangsspannung V.
Die vorteilhaften Resultate
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des schnellen Überbrückens der Feldwindung 12F mit einer niedrigen Impedanz sowie des Abkop- peins der Gleichrichterbrücke 64 von dem Generatorfeid wird besser zu verstehen sein aufgrund der folgenden Erläuterung des Ansprechverhaltens des Generators auf Überschläge
Der Hauptgenerator 12 ist eine mit hoher Reaktanz ausgelegte Synchronmaschine mit ausge- prägten Polen ohne Dämpfung oder Dämpfungswicklungen. Würde der mit den Ausgangsan- schlüssen verbundene Lastschaltkreis der Ankerwicklungen dieser Maschine durch einen Über- schlag kurzgeschlossen, würde die Amplitude des Ankerstroms dazu tendieren, abrupt auf einen viel höheren Spitzenwert als normal anzusteigen und dann mit der Zeit abzunehmen.
Der anfängli- che Stromanstieg in den Ankerwicklungen erzeugt eine magnetomotorische Kraft (MMK), die nahezu direkt der Feld-MMK entgegenwirkt, wobei sie dazu tendieren würde, das resultierende magnetische Feld im Stator-Rotor-Luftspalt der Maschine zu entmagnetisieren oder zu schwächen.
Die entmagnetisierende MMK induziert in dem Feld 12F Zusatzstrom (extra current), so dass die gesamten Flussverkettungen bzw. induktiven Führungen (flux linkages) konstant bleiben werden.
Die Steuereinrichtung 65 für die gesteuerte Gleichrichterbrücke 64 in der Erregerstromquelle 17 reagiert auf die resultierende Änderung in der Ausgangsspannung V, indem sie eine Korrekturakti- on einleitet, jedoch ist ihre Ansprechzeit zu langsam und die Brücke 64 weist eine unzureichende
Spannung zur Verhinderung dieser Feldstromzunahme auf. Solange die Erregerstromquelle 17 unverändert bleibt, wird der anfängliche Spitzenwert des Kurzschlussstromes bestimmt durch die Übergangsreaktanz (transient reactance) des Wechselstromgenerators (genauer: durch die transitorische Längsreaktanz - direct axis transient reactance) sowie durch die Reaktanz im Strompfad zwischen den Generatorankerwicklungen und dem Fahrmotor, dessen Kollektor einen Überschlag erlitt.
Die Zeitkonstante der darauf folgenden Stromabnahme wird bestimmt durch die elektrische
Induktanz und Resistanz (induktiver Widerstand und Wirkwiderstand) im Erregerstrompfad. Sobald das oben beschriebene Kippbauteil 69 zu leiten beginnt, wird der effektive Wirkwiderstand parallel zur Wicklung 12F stark vermindert (in einer Ausführungsform weist der Widerstand 68 einen Wert von etwa zwei Ohm auf), und diese Zeitkonstante wird signifikant kleiner, und der Erregerstrom wird sehr schnell in Richtung auf Null abnehmen, da der verfügbare Strom (Energie) vom Kondensator 72 sehr klein ist.
Im Ergebnis wird die Reaktanz des Generators schnell von ihrem anfängli- chen relativ niedrigen transitorischen Wert (der nicht mehr als etwa 30 % der synchronen Reaktanz der Maschine im eingeschwungenen Zustand (steady state) beträgt) auf den Wert ihrer synchronen Reaktanz zunehmen, und der Wert des Ankerstroms wird entsprechend abnehmen.
Wenn die Erregerstromquelle, wie beschrieben, schnell von dem Feld 12F abgekoppelt wird, wird der Ausgangsstrom des Generators 12 von seinem anfanglichen Anstieg abzufallen beginnen, bevor er den maximalen zur Verfügung stehenden Kurzschlusswert erreicht In einer Anwendungsform der Erfindung wurde der Spitzenwert des Kurzschlussstroms für einen Motor mit einem derartigen Fehler auf etwa 18 000 A begrenzt, und zwar in einem Antriebssystem, das ohne diese verbesserte Überschlagsschutzeinrichtung in der Lage wäre, 60 bis 70 000 A oder mehr zu liefern, und die elektrische Energie in dem fehlerharten Motorschaltkreis wurde auf etwa 25 % dessen begrenzt, was sie sonst wäre.
Das SCR-Ventil 71 in der Schaltungseinnchtung 70 wird als Reaktion auf ein Fehlersignal, wie z.B. ein von der Schaltung nach Fig 4 festgestelltes Hochstromsignal, leitend gesteuert. Bezug nehmend auf Fig. 6 ist gezeigt, dass das Gate-Signal für das Ventil 71 mittels der SCR-Steuerung 80 als Reaktion auf das FEHLER-Signal von Fig. 4 erzeugt wird. Das Signal FEHLER wird über einen optischen Isolator 89 auf einen monostabilen Multivibrator 90 (üblicherweise auch als "one- shof'-Multivibrator bezeichnet) gekoppelt. Das Bauteil 90 erzeugt einen Ausgangsimpuls mit einer vorbestimmten Zeitdauer, z. B. 45 Mikrosekunden. Ein beispielhaftes Bauteil 90 ist ein programmierbares CMOS-Bauteil vom Typ 4538.
Der Ausgangsimpuls wird auf einen Gate-Impulstreiber 91 für einen SCR geführt, der das Signal in eine geeignete Form bringt, um es an die GateElektrode des Ventils 71 anzulegen und das Ventil 71 in seinen Leitzustand zu steuern
Der Ausgangsimpuls des Bauteils 90 wird weiterhin auf einen anderen one-shot-Multivibrator 92 geführt, der ebenfalls ein integrierter CMOS-Schaitkreis vom Typ 4538 sein kann. Das Bauteil 92 erzeugt einen Ausgangsimpuls SPERREN mit etwas längerer Zeitdauer, z.B. zwei Sekunden, und wird benutzt, um das Anlegen von Zündimpulsen an den Gleichrichter 64 während der unmittelbar auf eine Fehlerstromfeststellung folgenden Zeitperiode auszuschliessen oder zu verhindern.
Der Ausgangsimpuls vom Bauteil 91 wird auf die Antriebssystemsteuerung 26 geführt, die das
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Anlegen der Gate- oder Zündimpulse an den Gleichrichter steuert Die SCR-Steuerung 80 enthält weiterhin eine Einrichtung zum Aufbringen der vorgewählten Aufladespannung auf den Kondensator 72 In einer Ausführungsform kann die Ladeapparatur einen konventionellen Batterielader 93 enthalten, der die Batteriespannung (typisch 45 bis 85 V) empfängt und auf einen höheren Wert zum Aufladen des Kondensators 72 hochsetzt, z B. auf die vorher erwähnten 440 V. Die Spannung am Kondensator 72 kann weiterhin beobachtet werden, um ein STATUS-Signal zur Anzeige dessen vorzusehen, ob die Schutzschaltung in Betrieb ist oder nicht.
Das STATUS-Signal kann lediglich ein Alarm sein oder es kann benutzt werden, um den Arbeitsstromkreis des Wechselstromgenerators zu deaktivieren. In Fig 6 ist mit dem Kondensator 72 eine Spannungskonditionierungsschaltung 94 verbunden, um die abgefühlte Spannung auf einen fur das Anlegen an einen Spannungsvergleicher 95 geeigneten logischen Pegel zu reduzieren Der Vergleicher 95 liefert ein logisches Signal der einen Bedeutung, z.B eine logische "1", wenn die Spannung am Kondensator 72 eine Mindestspannung überschreitet, z. B. 389 V, und er liefert ein logisches Signal der anderen Bedeutung, z.B. eine logische "0", wenn die Kondensatorspannung kleiner oder gleich der Mindestspannung von im Beispielsfali 389 V ist. Ein optischer Isolator bzw.
Optokoppler 96' wird zur Trennung des Spannungsmonitorschaltkreises von der Steuerung 26 benutzt.
Die Schaltung von Fig 5 wird vorzugsweise in einem Antriebssystem mit GleichstromFahrmotoren verwendet, welches System üblicherweise das Spannungskippbauteil 69 sowie den Reihenwiderstand 68 enthält. In einem Antriebssystem mit Wechselstrom-Fahrmotoren wird der Unterdrückungsschaltkreis für eine vorubergehende Störung mit dem Kippbauteil 69 und dem Rei- henwiderstand 68 im allgemeinen nicht verwendet. Es ist demzufolge notwendig, einen anderen Leistungsverbrauchsschaltkreis zum Absorbieren der Blindleistung von der Wicklung 12F und dem Kondensator 72 vorzusehen In Fig. 5A wird diese Funktion für ein Wechselstrom-Antriebssystem von einer Diode 73 mit einem in Reihe dazu geschalteten Widerstand 74 geleistet.
Die Diode 73 besitzt einen Kathodenanschluss, der mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 72 und dem Ventil 71 verbunden ist, wahrend der Widerstand 74 den Anodenanschluss der Diode 73 mit einem entgegengesetzten Anschluss des Kondensators 72 verbindet.
Beim Betrieb des Systems von Fig 5A triggert die Feststellung eines aufgrund eines "Durchschuss"-Fehlers verursachten Fehlerstroms das SCR-Ventil 71 in derselben Weise wie in Fig. 5, und die Ladung auf dem Kondensator 72 schaltet wiederum den Gleichrichter 64 ab, indem sie Strom an die Feldwicklung 12F liefert. In dem Masse, wie der Strom durch die Wicklung 12F und den Kondensator 72 fliesst, beginnt er, den Kondensator 72 auf eine Gegenpolarität aufzuladen Sobald die Spannung über dem Kondensator 72 einen geringfügig negativen Wert erreicht, z.B. etwa-1 V, wird die Diode 73 in Durchlassrichtung vorgespannt und koppelt den Widerstand 74 in den Stromkreis mit der Wicklung 12F ein.
Der Widerstand 74 weist einen geringen Wert auf, z.B etwa 0,65 Ohm, und stellt einen Entladepfad geringer Impedanz zum schnellen Ableiten der Energie aus der Wicklung 12F zur Verfügung Die Antwortcharaktenstik des Systems von Fig. 5A entspricht der in Fig. 7 gezeigten Charakteristik für die Schaltung von Fig. 5, und das Endergebnis ist dasselbe, d. h der Feldstrom wird schnell unterbrochen, so dass der "Durchschuss"-Strom auf einem nicht-zerstörenden Pegel gehalten wird Für die Schaltung nach Fig.
5A weist die Charakteristik ungefahr dieselbe angelegte Spitzenspannung zum Abschalten des Gleichrichters 64 auf, besitzt jedoch einen höheren negativen Spitzenspannungswert und scheint exponentiell mit einem etwas uberlagerten Wechselanteil auf dem abfallenden Kurventeil abzunehmen Beispielsweise ist für den ungünstigsten Fall der Spitzenwert des Fehlerstroms auf etwa 18 000 A für Gleichstromlokomotiven begrenzt, wahrend der Spitzenstrom ohne den Fehlerstromschutz nach den Figuren 5 oder 5A bis zu 40 000 A gross sein kann Weiterhin ist bei Wechselstrom-Lokomotiven die Zeitdauer und der Energiegehalt des Fehlerstroms durch die Fehlerstromschutzschaltung reduziert
Unter Bezugnahme auf Fig. 8, die eine vereinfachte Darstellung von Fig 1 ist, sowie auf Fig.
9, die ein entsprechendes Antnebssystem unter Verwendung von Wechselstrom-Fahrmotoren darstellt, speist der 3-phasige Statorschaltkreis des Generators 12 eine 3-phasige Doppelweg-Gleichnchterbrucke 13 Dieser Gleichrichter enthält ebenfalls Sicherungen (fuses) F, die als Schutzelemente dienen, d.h. sie schützen den Generator 12 vor Überspannungen und sie unterbrechen, wenn ein Gleichrichter ausfällt (gewohnlich durch Kurzschluss). Die Gleichspannung und der Gleichstrom vom Gleichrichter 13 wird zum Antreiben der Gleichstrom-Fahrmotoren 15,16 usw. im Falle einer Gleichstrom-Lokomotive benutzt und im Falle einer Wechselstrom-Lokomotive zum
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Speisen der Wechselrichter (inverters) 96,97 usw., die dann ihrerseits Käfigankermotoren 15A,
16A antreiben.
Beide Typen von Lokomotiven (für Gleich- und Wechselstrom) erfordern die Haupt-
Gleichrichtersicherungen oder eine andere Art von Schutzschema. Die Sicherungen stellen oft ein
Wartungsproblem dar, da sie nur etwa 3,27 Jahre bei den äusserst harten an die Lokomotiven gestellten Bedingungen halten (z. B. bei einem Kohlenzug auf steilem Anstieg, d. h bei geringer
Geschwindigkeit, maximaler Leistung und bei höchsten Werten der Gleichnchterausgangsströme).
Löst eine Sicherung aus, muss die Lokomotive bei reduzierter Leistung arbeiten oder ohne jegliche
Leistung (abhängig davon, ob es sich um eine Gleichstrom- oder um eine Wechselstrom-
Lokomotive handelt). Man hat gefunden, dass die Leistungssicherungen eliminiert werden können, indem man statt dessen die resultierenden Feldströme an den Eingängen für das Generatorfeld während eines Fehlers aufgrund einer kurzgeschlossenen Diode festlegt. Näher betrachtet lässt sich eine kurzgeschlossene Diode im Gleichrichter 13 (ohne Sicherungen) modellmässig vorstellen als eine Quasi-Stromquelle, die gespeist von dem Generatorfeld ein Wechselstromsignal erzeugt.
Der einzige Weg, um hohe Spannungen und den resultierenden Durchbruch der Feldisolation des
Rotorschaltkreises zu verhindern, besteht darin, für diese bidirektionalen Ströme einen Strompfad mit sehr geringer Impedanz vorzusehen, bis die Triebwerksdrehzahl auf Niedrig-Leerlauf (geringste
Drehzahl) abgesenkt und die Gleichspannung sowie der Gleichstrom des Rotors beseitigt ist
Fig. 10 zeigt ein elektronisches Bauteil 100 mit antiparallel geschalteten SCRs 101,102 die zünden, wenn eine darin enthaltene Erfassungssteuerungskarte 99 das Vorliegen eines Dioden- kurzschlusses in den Lokomotiven feststellt, bei denen die Sicherungen eliminiert sind. Die Erfassungseinrichtung ist wie die antiparalielen SCRs an den Feldschaltkreis des Generators 12 angefügt.
Wenn diese SCRs zünden, stellen sie für die reflektierten Feld-Wechselströme einen Strom- pfad mit sehr niedriger Impedanz dar, bis die Systemsteuerung die Triebwerksdrehzahl auf Niedrig-
Leerlauf (low-idle) vermindert. Das Endergebnis ist, dass eine Lokomotive nur dann aufgrund eines Gleichrichterschaltungsfehlers ausfällt, wenn tatsächlich ein Diodenkurzschluss vorliegt, da die lästigen Ausfälle der (Schmelz-)Sicherungen nun eliminiert sind.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Entfernung der Gleichrichtersicherungen bei den Gleichstrom-Lokomotiven und erlaubt die Konstruktion der Wechselstrom-Lokomotive ohne derartige Sicherungen. Wie oben erwähnt wurde, können die Sicherungen eine kurze Lebensdauer aufweisen. Diese hohe Ausfallrate multipliziert sich mit der Tatsache, dass es bei einer 6-achsigen Lokomotive (mit sechs Gleichstrom-Fahrmotoren) insgesamt achtzehn derartige Sicherungen (fuses) gibt. Bei einer 4-achsigen Lokomotive (mit vier Gleichstrom-Fahrmotoren) gibt es zwölf Sicherungen Für den Fall von achtzehn Sicherungen und bei einer Annahme, dass jede Sicherung in 3,27 Jahren einmal ausfällt, führt dies zu einem Durchschnittswert im ungünstigstem Fall von einem Ausfall alle zwei Monate und fünf Tage.
In der Praxis werden die meisten Lokomotiven jedoch nicht so stark beansprucht Aber die Sicherungen sind weit davon entfernt, eine Lebensdauer von zwanzig Jahren zu erreichen.
Wenn eine Gleichrichterdiode im Leistungsgleichrichter 13 durch Kurzschluss ausfällt und keine (Schmelz-)Sicherungen in der Gleichrichteranordnung vorgesehen sind, wird ein Wechselstrom in den Feldschaltkreis des Traktionsgenerators 12 induziert. Dieser Strom stellt tatsächlich eine Quasi-Stromquelle dar, d. h. mit einem Kurzschluss über dem Feld 12F wird der Strom mit derselben Frequenz wie die Statorfrequenz fliessen. Diese Frequenz steht in Beziehung mit der Drehzahl des Triebwerks, das mechanisch an den Generator 12 angekoppelt ist. Wenn kein Kurzschluss besteht, erzeugt der Strom eine starke Überspannung auf der Feldwicklung, wird jedoch begrenzt durch die Durchschlagsfestigkeitscharakteristik in dem Feld. Diese Stromquelle kann, wenn kurzgeschlossen, einen Spitzenwert von 3000 A annehmen.
Könnten diese Ströme nicht über einen Pfad mit sehr niedriger Impedanz (ab-)fliessen, würden die resultierenden Überspannungen die Isolation im Rotorschaltkreis in der oben erwähnten Weise durchschlagen und könnten einen permanenten mechanischen und elektrischen Schaden an dem Generator sowie an den umgebenden elektrischen und mechanischen Unterstützungssystemen verursachen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Schutzeinrichtung zur Ausbildung eines solchen Pfades mit geringer Impedanz zur Verfügung, wenn immer ein Diodenkurzschluss im Gleichrichterschaltkreis 13 einen "reflektierten" Wechselstrom in der Feldwicklung 12F des Generator 12 erzeugt In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Schutzeinrichtung ein Paar von parallel geschalteten entgegengesetzt gepolten SCRs, die die Feldwicklung 12F überbrücken. Unter Bezugnahme
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auf die Figuren 10 und 11 smd die SCRs 101 und 102 parallel zur Feldwicklung 12F geschaltet
Eine Dampfungsschaltung aus der Reihenschaltung eines Widerstands 103 und eines Kondensators 104 ist ebenfalls zusammen mit einem Thyrite-Bauelement 105 parallel zur Wicklung 12F vorgesehen.
Die Dampfungsschaltung begrenzt die Geschwindigkeit der Spannungsänderung an den SCRs während des Übergangs vom einen in den anderen Zustand. Die Spannung über der Wicklung 12F wird durch einen an die Wicklung 12F angeschlossenen Gleichrichterschaltkreis 106 erfasst Der gleichgerichtete Ausgang des Gleichrichters 106 wird auf einen zweiseitigen (bilateral) Triggerschaltkreis 107 gekoppelt, der immer dann ein Ausgangssignal erzeugt, z.B einen Übergang von einer logischen "0" auf eine logische "1", wenn die gleichgerichtete Spannung eine vorgewählte Grosse, z B. 830 V, überschreitet Das Signal vom Schaltkreis 107 wird auf einen monostabilen (one-shot) Multivibrator 108, z.
B vom Typ 4538, geführt, der ein Ausgangsimpulssignal mit vorgewählter Dauer, z.B eine Sekunde, erzeugt Der Schaltkreis 107 enthalt vorzugsweise einen optischen Isolator bzw Optokoppler zwischen sich und dem Multivibrator 108.
Das Ausgangsimpulssignal des Multivibrators 108 wird an einen konventionellen SCR-GateSchaltkreis 109 angelegt, der Gate-Signale an die SCRs 101 und 102 während der Zeitdauer des Multivibrator-Ausgangsimpulssignals liefert. Als Reaktion auf die Gate-Signale wird irgendeiner der SCRs 101, 102, der in Durchlassrichtung vorgespannt ist, zu leiten beginnen und einen Kurzschlussstrompfad parallel zur Wicklung 12F herstellen Es ist festzuhalten, dass der Gleichrichterschaltkreis 106 den "reflektierten" Wechselstrom in der Feldwicklung 12F erfasst, wenn eine kurzgeschlossene Diode emen Wechselstrompfad im Ausgangsschaltkreis des Generators erzeugt. Das ThynteBauteil 105 wird dabei zur Ableitung der Ubergangsenergie (transient energy) benutzt, wenn die reflektierte Wechselspannung nicht den vorgewählten Grössenwert für die Tnggerung, d. h. 830 V, erreicht.
Das Impulsausgangssignal vom Multivibrator 108 wird weiter als em auf einen Diodenschluss (SD) hinweisendes STATUS-Signal an die Systemsteuerung 26 angelegt Die Systemsteuerung kann zur Vornahme verschiedener korrektiver Massnahmen als Reaktion auf die Feststellung eines Diodenkurzschlusses programmiert werden. Im Rahmen eines Beispiels erfasst die Steuerung 26 den Fehler und lässt sodann einen erneuten Start des Leistungssystems zu Wird sodann ein zweiter nachfolgender Fehler festgestellt, nimmt die Steuerung das System vom Netz.
Gleichzeitig wird die Drehzahl des Triebwerks auf Niedrig-Leerlauf reduziert, d. h auf die geringste Drehzahl eines laufenden Diesel-Triebwerks Während die Drehzahl des Triebwerks reduziert wird, führt der SDErfassungsschaltkreis seine zur Verhinderung eines Schadens am Generatorfeld notwendige Funktion weiter durch
Die Erfassung emes Diodenschlusses kann sowohl bei Antriebssystemen mit Wechselstromals auch mit Gleichstrom-Fahrmotoren eingesetzt werden Sie wird weiterhin benutzt in Kombination mit einer Fehlerstromerfassung entweder aufgrund eines Überschlags (Gleichstromsystem) oder aufgrund eines "Durchschusses" (Wechselstromsystem).
Für den Fall der Kombination mit einem Fehlerstromschutz ist es wünschenswert, die kurzgeschlossene Diodenschaltung zu deaktivieren, wenn ein Fehlerstrom festgestellt wird Mehr im einzelnen würde, wenn die SCRs 101,102 während emes Fehlerstromzustandes getnggert würden der Kondensator 72 kurzgeschlossen und nicht in der Lage sein, den Gleichrichter 64 zu sperren. Die kurzgeschlossene Diodenschaltung wird deaktiviert, indem man das FEHLER-Signal vom Fehlerstromerfassungsschaltkreis (Figuren 5, 5A) an einen monostabilen Multivibrator 110anlegt, der ein CMOS-Bauelement vom Typ 4538 sein kann Das Bauteil 110 erzeugt emen Ausgangsimpuls mit fester Dauer, z.
B. 200 ms, beim Übergang von einer logischen "1" auf einen logischen "0"-Pegel. Der Ausgangsimpuls wird über eine Diode 111 auf die zwischen den Triggerschaltkreis 107 und den Multivibrator 108 angeschlossene Signalleitung 112 gekoppelt Dieses Signal klemmt die Leitung 112 auf einen niedrigen Wert und verhndert das Triggern des Multivibrators 108
Im allgemeinen arbeiten die Schutzsysteme im wesentlichen in derselben Weise, ob das Antnebssystem nun für Gleichstrom-Fahrmotoren oder für Wechselstrom-Fahrmotoren bestimmt ist.
Ein Unterschied liegt in der vorzunehmenden Korrekturmassnahme Im Falle eines Überschlags bei einem Gleichstrom-Motor, kann der Motor, nachdem er eine Zeit lang ohne Leistung gelaufen ist, sich selbst "heilen" Demzufolge wird die Steuerung normalerweise die Leistungszufuhr für einen Motor nach einem Uberschlag für eine gewahlte Zeit unterbrechen, z. B. für fünfzehn Meilen, und dann erneut Leistung anlegen Fur den Fall eines "Durchschusses" ist der gesteuerte Gleich-
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richter ausgefallen, und die Steuerung 26 kann den Betrieb des zugeordneten Wechselrichters sperren. In typischen Fällen wird jeder Wechselstrom-Fahrmotor mit einem separaten Wechsel- richter verbunden und eine solche Sperre deaktiviert lediglich einen Motor.
Nach der Beschreibung des derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiels für die Generator-
Erregerstromquelle 17 in der in den Figuren 5 bis 7 gezeigten Form soll nun die übrige verbesserte
Fehlerstromschutzeinrichtung unter nochmaliger Bezugnahme auf Fig 3 beschrieben werden. Das
Statussignal auf der Ausgangsleitung 81 der Quelle 17 wird über die Datenverbindung 21 auf die
Steuerung 26 geführt.
Sobald das normalerweise niedrige Signal auf der Ausgangsleitung 33 der
Erfassungseinrichtung 32 für den Fehlerstrom aufgrund eines auf dem Kollektor eines oder mehre- rer Fahrmotoren 15,16 usw auftretenden Überschlags oder aufgrund eines "Durchschusses" in einem der Wechselrichter 96, 97 usw. nach oben geht, legt die GTO-Steuereinnchtung 80 in der
Erregerstromquelle 17 gleichzeitig ein Einschaltsignal an das GTO-Ventil 71 und beseitigt das normalerweise hohe Statussignal auf der Leitung 81 Dieser Wechsel des Statussignals von seinem oberen auf seinen unteren Pegel leitet zwei Funktionen in der Steuerung ein.
Die erste
Funktion ist in Fig. 3 durch einen Block 140 dargestellt, dem die Schar von Stromrückführungssig- nalen 11, 12 usw. vom Motoranker zugeführt wird ; erste Funktion identifiziert einen betreffen- den Fahrmotor, bei dem die Grösse des Ankerstroms einen vorbestimmten oberen Schwellwert überschreitet, wenn das Statussignal vom oberen auf den unteren Wert wechselt oder identifiziert den einen ähnlichen Strom erfahrenden Wechselrichter Die letztere Schwelle (z. B. etwa 3000 A) ist grösser als der Maximalwert des Anker- oder Wechselrichterstromes unter allen normalerweise vorkommenden Bedingungen.
Die Identifizierfunktion 140 wird zweckmässigerweise so program- miert, dass sie die Grössen der Stromruckführungssignale einliest, jedes einzelne davon mit einem dem vorher genannten Schwellwert entsprechenden Wert vergleicht und die Identifizierungsnum- mer ("#X") für jeden der Fahrmotoren (oder Wechselrichter) speichert, deren Strom grösser als diese Schwelle ist. Für den Motor #X sei dabei angenommen, dass er gerade einen Überschlag erfährt. Die Identifizierung des fehlerhaften Motors steht auf einer Ausgangsleitung 141 des Blocks
140 zur Verfügung
Die weitere durch einen Statuswechsel eingeleitete Funktion ist in Fig 3 durch einen mit "Systemantwort" bezeichneten Block 142 dargestellt.
Sie ist zweckmässigerweise so ausgelegt, dass sie bei einer Gleichstrom-Lokomotive als unmittelbare Reaktion auf irgendeinen Wechsel des Statussignals auf der Leitung 81 von hoch nach tief die folgenden Aktionen auslöst: Das Drehzahlanforderungssignal für das Tnebwerks-Regelungssystem 25 wird auf seinen Leerlaufwert verändert ; der Leistungsreferenzwert in der Erregersteuerungseinrichtung der Steuerung 26 wird auf Null zurückgesetzt, wodurch zeitweilig ein Wert entsprechend IF=0 dem Steuersignal VC eingeprägt wird ; ein Hinweis auf einen Überschlag wird in das Anzeigemodul 30 eingegeben und die Identifizierung des oder der fehlerhaften Motors bzw.
Motoren wird erfasst; ein Befehl zum "öffnen" wird über eine Leitung 143 an die Feldschaltungssteuereinrichtung 12D übertragen, um 12D zu deaktivieren, wodurch der Arbeitsmechanismus des Kontakts 12C veranlasst wird, diesen Kontakt aus seiner normalen, geschlossenen Stellung in die veränderte geöffnete Stellung umzuschalten;
diese Schalteröffnungsbefehle werden für alle Motorschütze 15C, 16C usw ausgegeben, jeder dieser Öffnungsbefehle wird auf die Öffnungseinrichtung bzw den Schaltertreiber 29 des Motorschützes übertragen, sobald der Ankerstrom in dem entsprechenden Motor auf einen vorbestimmten Wert abgesunken ist, der ohne widrige Funkenbildung oder Verschweissen sicher durch das zugeordnete Schütz unterbrochen werden kann (jedoch nicht später als fünf Sekunden nach der Ausgabe der Öffnungsbefehle), und ein "Überschlagszeitgeber" ("flash timer') wird aktiviert.
Als Ergebnis dieser Massnahmen werden die Zündsignale für die gesteuerte Gleichrichterbrücke 64 in der Erregerquelle 70 zurückgehalten, so dass die Ausgangsspannung dieser Brücke bald auf Null reduziert wird, der Feldschalterkontakt 12C im Erregerstrompfad wird geöffnet (obwohl das Generatorfeld 12F weiterhin durch den Reststrom durch den Widerstand 68 und das Kippbauteil 69 erregt werden kann), und alle Fahrmotoren werden vom Gleichstrom-Bus 14 des Antnebssystems abgetrennt Jedesmal wenn ein Überschlag festgestellt wird, wird die schnelle Reaktion des steuerbaren Festkörperventils 71 im Erregerstrompfad den Generatorausgangsstrom dazu veranlassen, sehr schnell von seinem Anfangsstoss, wie früher erläutert, abzusinken.
Infolgedessen sinken die entsprechenden Motorströme sehr schnell ab und die Zeitverzögerung zwischen der Ausgabe und dem Übertragen der Schütz-Öffnungsbefehle ist relativ kurz. Zu beachten ist, dass, wenn die Öffnungsbefehle von
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der Steuereinrichtung 12D bzw.
der Betriebseinrichtung 29 erhalten werden, die Kontaktspitzen der
Feldschalter und Motorschütze aufgrund inhärenter Zeitverzogerungen (z B etwa 180 ms) beim
Betneb dieser elektromechanischen Bauteile sich nicht unverzüglich trennen werden Bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der in Reihe mit dem fehlerhaften Motor liegende Schalter geöffnet ist, ist der
Uberschlag geloscht und das Fehlersignal auf der Ausgangsleitung 33 des Überschlagsdetektors 32 entfernt Das zuvor beschriebene Aktivierungssignal, das uber die Leitung 82 von der Feldschaltersteuereinnchtung 12D an die Steueremnchtung 80 in der Erregerstromquelle 17 angelegt wird, wird einen niedrigen Zustand aufweisen, solange der Feldschalterkontakt 12C geöffnet ist
Fur den Fall einer Wechselstrom-Lokomotive erfolgen alle die oben aufgezählten Schritte im wesentlichen genau gleich mit der Ausnahme,
dass die Mitteilung einen "Durchschuss" eines Wechselrichters statt eines Motor-Überschlags identifiziert und das System den Wechselrichter vom weiteren Betneb ausschliesst
Nachdem die im vorhergehenden Absatz beschriebenen Massnahmen abgeschlossen sind, wird die Systemantwortfunktion 142 mehrere zusatzliche Massnahmen veranlassen: Schalterschliessbefehle werden an die Betriebseinrichtung 29 der Motorkontakte übertragen, um alle Schütze 15C, 16C usw. wieder zu schliessen ausser diejenigen, die mit dem (den) fehlerhaften Motor(en) in Verbindung stehen (d. h.
Motor #X), wie das durch die zuvor beschriebene Funktion 140 identifiziert wurde, ein Schliessbefehl wird über die Leitung 143 auf die Feldschaltersteuereinrichtung 12D geleitet, um 12D zu aktivieren und dadurch zu veranlassen, den Kontakt 12C in seine geschlossene Stellung zurückzuschalten, und dem Anforderungssignal für die Drehzahl des Triebwerks wird gestattet, wieder auf einen durch die Stellung des Gashebels 27 bestimmten Wert zurückzukehren Sobald die Steuereinrichtung 12D das Schliesssignal auf der Leitung 143 empfängt, wechselt das Aktivierungssignal auf der Leitung 82 von seinem niedrigen auf seinen hohen Zustand.
Als Ergebnis der Zurücknahme der Beschränkung des Drehzahlanforderungssignals auf den Leerlaufwert und das erneute Schliessen des Feldschalterkontakts 12C wird der Generator-Erregerstrom auf einen gewünschten Dauerzustandswert (steady-state) hochfahren, und die vom Hauptgenerator 12 nun an die nicht fehlerbehafteten Motoren erneute angelegte elektrische Leistung wird weich ansteigen auf den jeweils durch die Gashebelstellung bestimmten Wert Nach einer durch den Über- schlagstimer in der Systemantwortfunktion 142 bestimmten Verzögerung wird zugelassen, dass die Betnebseinnchtung 29 erneut das mit dem Motor #X in Verbindung stehende Schütz schliesst, wobei dieses erneute Schliessen tatsächlich beim nächsten Mal erfolgt, wenn der Gashebel durch seine Leerlaufstellung bewegt wird.
Ist beim Auftreten eines Überschlags die Geschwindigkeit der Lokomotive relativ hoch (z B. 100 kmh (60 mph) oder mehr), was normalerweise der Fall ist, ist die Verzögerungszeit so berechnet, dass man eine bestimmte Anzahl von Kollektorumdrehungen erhält, wobei der einem Überschlag ausgesetzte Kollektor durch die auf seiner Oberfläche laufenden Bürsten gereinigt wird, wenn der deaktivierte Motor #X weiterhin von der damit gekoppelten Achse der Lokomotive gedreht wird
Obwohl zum Erreichen der oben zusammengefassten Ergebnisse die Systemantwortfunktion auf einer Reihe von verschiedenen Wegen Implementiert werden könnte, besteht der derzeit bevorzugte Weg in der Programmierung der Steuerung 26 zur Ausführung des in Fig. 12 dargestellten Ablaufs. Diese Routine wird alle 10 ms einmal wiederholt.
Es beginnt mit einer Abfrage 151 zur Feststellung, ob sich das Statussignal auf der Leitung 81 von seinem hohen auf seinen niedrigen Zustand geandert hat oder nicht Falls nicht, geht fur einen Gleichstrom-Motor der Ablauf über zu einer zweiten Abfrage 152 zur Feststellung, ob der Flash-Timer aktiv ist oder nicht Für eine Lokomotive mit Wechselstrom-Motoren endet der Ablauf an diesem Punkt.
Ist die Antwort bejahend, besteht der nächste und abschliessende Schritt 153 bei diesem Ablauf darin, den Flash-Timer um eins zuruckzustellen Andernfalls geht der Ablauf von der Abfrage 152 weiter zum Schritt 153, und zwar über einen zusätzlichen Schritt 154, der eine mögliche Beschränkung entfernt, die das erneute Schliessen des mit einem fruher fehlerbehafteten Antriebsmotors #
X in Verbindung stehenden Motorschützes verhindern konnte Nach dem Entfernen dieser Einschränkung kann dieses Schütz durch die Betriebseinrichtung 29 erneut geschlossen werden, wenn das von der Steuerung 26 angeordnet wird
Wäre die Antwort auf die erste Abfrage 151 bejahend, wurde der Ablauf nach Fig. 12 von dieser Abfrage übergehen auf den abschliessenden Schritt 153, und zwar über eine Reihe von nun zu beschreibenden Schritten 160 bis 166 Im Schritt 160 wird der Uberschlagszähler um eins erhöht.
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Der nächste Schritt 161 besteht darin, das Drehzahlanforderungssignal des Triebwerks auf seinen
Leerlaufwert zu verändern, den Leistungsreferenzwert auf Null zurückzusetzen, weitere Variablen in der Erregersteuerung zu initialisieren und Offnungsbefehie auszugeben für die Feldschaltersteuerungseinrichtung 12D sowie die Motorschützbetriebseinnchtung 29.
(Man beachte, dass die relevanten Zeitkonstanten des Kraftstoffsystems des Triebwerks, der Erregerschaltung für das Gene- ratorfeld sowie deren entsprechende Steuerungen derart sind, dass die Generatorausgangsspannung relativ langsam auf die Ausführung des Schritts 161 reagiert, und zwar zu langsam, um darauf bauen zu können, dass dadurch der anfängliche Stromanstieg im fehlerhaften Motor davon abgehalten werden könnte, eine potentiell schädigende Grösse anzunehmen ) Auf den Schritt 161 folgt der Schritt 162, in dem die Identifizierung des oder der fehlerhaften Fahrmotoren oder Wech- selnchter von der Funktion 140 (Fig.
3) beigebracht und dann in das Anzeigemodul 30 eingegeben wird Dieselbe Information wird im Schritt 163 benutzt, um auf die mit einem oder mehreren solcher Motoren in Verbindung stehenden Schütze eine Beschränkung aufzuerlegen hinsichtlich eines erneuten Schliessens dieser Schalter.
Im nächsten Schritt 164 errechnet die Routine nach Fig. 8 eine bestimmte Anfangszahl entsprechend einer Zeitverzögerung, die kleiner als fünfzehn Minuten ist bzw. kleiner als 1440 geteilt durch die aktuelle Lokomotivengeschwindigkeit in kmh (900 geteilt durch die Lokomotivengeschwindigkeit in MPH). Danach wird im Schritt 165 der Flash-Timer aktiviert, indem man die im vorherigen Schritt ermittelte Anfangszahl in ein Register des Mikrocomputers lädt Der Flash-Timer bleibt nur so lange aktiv, wie die Zahl in diesem Register nicht den Wert Null erreicht. Die Anfangszahl ist ausreichend gross, so dass die im Register gespeicherte Zahl bei einer Dekrementrate von 100 pro Sekunde den Wert Null nach Ablauf der vorher erwähnten maximalen Zeitdauer (z.
B 15 Minuten) oder eher erreicht, wenn die Lokomotivgeschwindigkeit zu dem Zeitpunkt, als die Anfangszahl errechnet wurde, grösser als 100 kmh (60 MPH) war. Der nächste Schritt 166 wird ausgeführt, sobald die Positionsfühler in der Schutzbetriebseinrichtung 29 anzeigen, dass alle Motorschütze 15C, 16C usw als Reaktion auf die im Schritt 161 ausgegebenen Öffnungsbefehle geöffnet haben. Dieser Schritt beseitigt die Leerlaufwert-Beschränkung vom Drehzahlanforderungssignal, gibt einen Schliessbefehl an die Feldschaltersteuereinrichtung 12D heraus sowie Befehle an die Betnebseinrichtung 29 zum Schliessen aller Schütze 15C, 16C usw. mit Ausnahme des Schützes oder der Schütze, die mit dem oder den fehlerhaften Motoren #X in Verbindung stehen, deren erneutes Schliessen so lange verhindert wird, wie die im Schritt 163 auferlegte Beschränkung aktiv ist.
Die zuletzt erwähnte Beschränkung ist so lange aktiv, bis sie bei der Ausführung des Schritts 154 entfernt wird.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand eines Beispiels gezeigt und beschrieben worden ist, stellen sich unzweifelhaft viele Modifikationen davon für Fachleute auf diesem Gebiet dar. Beispielsweise könnte der konventionelle Feldschalter 12C, 12D entfallen und das Ventil 71 könnte in geeigneter Weise zur Durchführung aller seiner gewöhnlichen Funktionen gesteuert werden. Weiterhin könnte die Thyristorbrücke 64 in der Generator-Erregerstromquelle 17 ersetzt werden durch eine Diodengleichrichterbrücke, in welchem Fall das SCR-Ventil 71 so gesteuert würde, dass es normal als ein Schaltreglerelement arbeitet, um die durchschnittliche Grösse des Generatorfeldstroms in der gewünschten Weise zu regeln.
Die abschliessenden Ansprüche sollen daher alle solche Modifikationen abdecken, die im Rahmen des Umfangs der Erfindung liegen.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.