DE1053550B

DE1053550B - Circuit arrangement for the drive motors of electric vehicles, which are designed as shunt machines, in particular for regenerative braking

Info

Publication number: DE1053550B
Application number: DES46174A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Friedrich Siemsen
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1955-10-29
Filing date: 1955-10-29
Publication date: 1959-03-26

Description

Schaltungsanordnung für die insbesondere zum Zweck der Nutzbremsung als Nebenschlußmaschinen ausgebildeten Triebmotoren elektrischer Fahrzeuge Es ist bekannt, bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen vorzugsweise Reihenschlußmotoren zu verwenden, die eine für den Fahrzeugbetrieb besonders geeignete Drehinomentendrehzahlcharakteristik aufweisen. Bieten nun Reihenschlußmotoren beim Fahrbetrieb günstigste Verhältnisse, so ergeben sich jedoch größere Schwierigkeiten und Komplikationen, wenn die Motoren unter bestimmten Bedingungen mit einer anderen Charakteristik betrieben werden sollen. Dies gilt besonders, wenn eine Nutzbremsung beabsichtigt ist, bei der die generatorisch arbeitenden Motoren dazu dienen, die beim Bremsen wiedergewonnene Energie an das Netz zurückzuliefern.Man hat zwar versucht, bei Verwendung von Reihenschlußmotoren Nutzbremsschaltungen dadurch zu ermöglichen, daß sämtliche Feldwicklungen der Motoren in Reihe geschaltet und diese gemeinsam über Vorschaltwiderstände an die Fahrdrahtspannung angeschlossen werden. Praktisch hat jedoch diese Schaltung keine Bedeutung gewinnen können, da die in den Vorschaltwiderständen vor den FeldwicklL.ngen vernichtete Leistung wegen der erforderlichen großen Ströme so bedeutend ist, daß eine nennenswerte Stromrückgewinnung nicht mehr möglich ist. Bekannt sind weiter Schaltungen geworden, bei denen beim Bremsbetrieb die Fahrmotoren von besonderen Erregerumformern erregt werden. Wenn auch diese Anordnungen den gestellten Anforderungen entsprechen, so ist es doch insbesondere für kleinere Fahrzeuge sehr unerwünscht, daß besondere Umformer erforderlich sind, die jeweils bei Inbetriebnahme des Fahrzeuges eingeschaltet werden müssen und außerdem eine besondere Wartung, insbesondere derLager, des Kommutators und derBürsten erfordern. Weiter sind bei derartigen Anordnungen noch besondere Umschaltvorgänge zum Anschließen der Fremderregerstromquelle erforderlich.Circuit arrangement for the particular for the purpose of regenerative braking Trained as shunt machines traction motors of electric vehicles It is known, in electrically powered vehicles, preferably series motors to use a torque speed characteristic that is particularly suitable for vehicle operation exhibit. Series motors now offer the most favorable conditions when driving, however, greater difficulties and complications arise when the engines are to be operated with a different characteristic under certain conditions. This is especially true if regenerative braking is intended in which the regenerative working motors serve to transfer the energy recovered during braking to the Attempts have been made to use series motors To enable regenerative braking circuits that all field windings of the motors connected in series and these together to the contact wire voltage via series resistors be connected. In practice, however, this circuit has no significance as the ones in the series resistors before the field windings are destroyed Because of the large currents required, power is so important that it is worth mentioning Electricity recovery is no longer possible. Further circuits have become known, in which the traction motors are excited by special excitation converters during braking will. If these arrangements also meet the requirements, so it is very undesirable, especially for smaller vehicles, that special Converters are required, which are switched on when the vehicle is started up and also special maintenance, especially of the bearings, of the commutator and the brushes. There are also special features in such arrangements Switching operations required to connect the external excitation power source.

Ferner ist es bekannt, die den Hauptschlußmotoren im wesentlichen eigentümlichen Vorzüge mit den Vorzügen des Nebenschlußmotors zu vereinen. Bei einer bekannten selbsttätigen Regeleinrichtung wird die Erregerspannung des Nebenschlußmotors in Abhängigkeit von der Drehzahl beeinflußt. Zu diesem Zweck ist mit dem Anker des Antriebsmotors ein Hilfsanker mechanisch gekuppelt, der im Stromkreis der Haupterregung liegt und deren Erregerwicklung vom Motorstrom durchflossen wird, wobei der Hilfsanker bei Stromaufnahme des Motors gleichfalls mechanische Arbeit liefert und dabei eine die Erregung des Hauptmotors schwächende Gegenspannung liefert, während sie bei Stromrückgang des Hauptmotors mechanische oder elektrische Arbeit leistet und dabei in letzterem Falle eine zusätzliche Spannung liefert, welche die Erregung des Hauptmotors mit zunehmender Stromrückgabe verstärkt. Diese relativ einfache Regelanordnung läßt sich jedoch nur bei besonders ausgebildeten Fahrzeugen verwenden, da meist für die Kupplung der Hilfsmaschine mit der Antriebsmaschine kein Platz vorhanden ist.It is also known that the main trailing motors essentially to combine peculiar advantages with the advantages of the shunt motor. At a known automatic control device is the excitation voltage of the shunt motor influenced depending on the speed. For this purpose, the anchor of the The drive motor is mechanically coupled to an auxiliary armature, which is in the main excitation circuit and whose excitation winding is traversed by the motor current, whereby the auxiliary armature when the motor consumes power, it also supplies mechanical work and thereby a the excitation of the main motor supplies weakening counter voltage while it is at Decrease in current of the main motor doing mechanical or electrical work and doing so in the latter case, an additional voltage supplies which excites the main motor increased with increasing power return. This relatively simple control arrangement leaves However, they are only used for specially trained vehicles, as mostly for the There is no space for coupling the auxiliary machine to the drive machine.

Bei einer anderen bekannten Schaltungsanordnung wird dem als Nebenschlußmaschine ausgebildeten Motor durch einen vom Ankerstrom des Motors beeinflußten selbsttätigen Regler ein Hauptschluß- oder Verbundverhalten gegeben. Hierbei findet ein besonders ausgebildeter NebenschlußreglerVerwendung, der im wesentlichen aus einem motorisch verstellbaren Regelwiderstand besteht, wobei der den Regelwiderstand verstellende Motor vom Ankerstrom der Arbeitsmaschine entweder unmittelbar oder mittelbar über eine Hilfsmaschine gespeist wird. Abgesehen davon, daß diese bekannte Regelanordnung einen erheblichen Aufwand erfordert, weist sie den schwerwiegenden Nachteil auf, daß sie sehr träge ist, so daß bei rasch wechselnden Belastungen die Regelung diesen nicht zu folgen vermag. Aus diesem Grunde müssen zusätzliche Einrichtungen vorgesehen sein, um den Motor vor Überlastung zu schützen.In another known circuit arrangement, this is used as a shunt machine trained motor by an automatically influenced by the armature current of the motor Controller given a main circuit or composite behavior. Here is a special trained shunt regulator use, which essentially consists of a motorized there is adjustable rheostat, the rheostat adjusting the rheostat Motor from the armature current of the machine either directly or indirectly an auxiliary machine is fed. Apart from the fact that this known control arrangement requires considerable effort, it has the serious disadvantage that it is very sluggish, so that in the case of rapidly changing loads, the regulation unable to follow. For this reason, additional facilities must be provided to protect the motor from overload.

Gegenstand der Erfindung ist nun eine Schaltungsanordnung für die insbesondere zum Zwecke der Nutzbremsung als Nebenschlußmaschinen ausgebildeten Triebmotoren eines elektrischen Fahrzeuges, denen durch einen vom Ankerstrom der Motoren beeinflußten selbsttätigen Regler ein Hauptschluß- oder Verbundverhalten gegeben werden kann. Gemäß der Erfindung kann für eine derartige Anordnung eine wesentliche Verbesserung dadurch erzielt werden, daß als selbsttätig arbeitender Regler ein vorzugsweise kontaktlos arbeitender Kohledruckregler verwendet wird. Dieser Regler hat den Vorzug, daß er völlig trägheitslos arbeitet, keine der Abnutzung unterliegenden Kontakte aufweist, einfach im Aufbau ist und geringe Abmessungen aufweist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß keine zusätzlichen Maschinen, wie Stellmotoren, Hilfsmaschinen od. dgl. benötigt werden, deren Unterbringung in den Fahrzeugen in Anbetracht der Raumknappheit stets große Schwierigkeiten bereitet.The invention is now a circuit arrangement for especially designed as shunt machines for the purpose of regenerative braking Drive motors of an electric vehicle, which by one of the armature current of the Motors influenced automatic regulators a main circuit or compound behavior can be given. According to the invention can for such an arrangement essential Improvement can be achieved that as automatic working regulator a preferably contactless working coal pressure regulator is used will. This controller has the advantage that it works completely inertially, none of the Has contacts subject to wear, is simple in construction and small in size having. Another advantage is that there are no additional machines such as servomotors, auxiliary machines or the like. Are required, their accommodation in the vehicles always causes great difficulties in view of the shortage of space.

Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden: Fig. 1 gibt schematisch die Schaltung eines Fahrzeugmotors gemäß der Erfindung wieder. 1 bedeutet den Anker des Fahrmotors, der in üblicher Weise wie Bahnmotoren ausgebildet ist. Der Motor weist jedoch statt einer Reihenschlußerregerwicklung die Nebenschlußfeldwicklung 2 auf, die beispielsweise für Anschluß an die Fahrdrahtspannung U ausgebildet ist. In den Stromkreis der Wicklung 2 ist eine Kohleplattensäule 3 eingeschaltet, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von dem auf diese Säule ausgeübten Druck ändert. Der Anpreßdruck der Kohleplatten wird dabei durch einen Magnetanker 4 und eine Feder 4 a hervorgerufen. Das den Anker 4 des Kohleplattenreglers beeinflussende Feld wird im wesentlichen durch eine Wicklung 5 hervorgerufen, die von dem Ankerstrom des Fahrmotorenankers 1 durchflossen wird. Somit ist das den Anker 4 beeinflussende Feld direkt abhängig von dem Strom des Motorankers 1. Ist dieser Strom groß, wird auch ein großer Druck auf die Kohleplattensäule 3 ausgeübt, so daß der Widerstand verringert wird. Infolgedessen wird die Wicklung 2 von einem kräftigen Erregerstrom durchflossen. Mit abnehmendem Ankerstrom nehmen auch die von der Wicklung 5 hervorgerufenen Amperewindungen ab, so daß der Druck, unter dem die Kohleplatten gehalten werden, verringert wird. Infolgedessen erhöht sich der Widerstand der Kohleplattensäule und der Erregerstrom sinkt. Es ist leicht einzusehen, daß die ankerstromabhängige Erregung des Ankers 4 des Kohleplattenreglers eine ankerstromabhängige Erregung des Erregerstromes der Nebenschlußfeldwicklung 2 hervorruft. Wird, wie angedeutet, die Wicklung 2 direkt an die Fahrdrahtspannung U angelegt, so ergibt sich, daß der die Wicklung 2 durchfließende Strom verhältnismäßig klein ist, wodurch sich eine leichte und billige Ausführung des Feldreglers ergibt. Dem Kohleplattenregler 4 wird vorteilhafterweise noch eine Nebenschlußwicklung 6 (Steuerwicklung) zugeordnet, durch die es möglich gemacht wird, den Regler nach Bedarf zu beeinflussen. Durch diese Wicklung kann beispielsweise auf den höheren Fahrstufen eine Feldschwächung des Motors herbeigeführt werden, wie sie bekanntlich bei Reihenschlußmotoren in der Regel durch Nebenschlußwiderstände erreicht wird. Weiter kann mit Vorteil die Wicklung 6 beim Bremsbetrieb eingeschaltet werden, um der Maschine 1 das Verhalten eines Gegenverbundgenerators zu geben. In diesem Falle muß die Wirkung der Wicklung 6 überwiegen. Da sich bei der Bremsung gegenüber dem Fahrbetrieb der Strom in der Wicklung 5 umkehrt, ergibt sich ohne weiteres das gewünschte Regelverhalten. Es ist daher lediglich für den Bremsbetrieb eine Umschaltung der Feld- oder Ankerwicklung des Motors vorzunehmen.In the following, the invention will be described in more detail by means of an exemplary embodiment are explained: Fig. 1 schematically shows the circuit of a vehicle engine according to of the invention again. 1 means the armature of the traction motor, which is in the usual way how train engines are designed. However, the motor has instead of a series excitation winding the shunt field winding 2, for example for connection to the contact wire voltage U is trained. In the circuit of the winding 2 is a carbon plate column 3 switched on, the resistance of which varies depending on the amount exerted on this column Pressure changes. The contact pressure of the carbon plates is controlled by a magnet armature 4 and a spring 4 a caused. The one influencing the armature 4 of the carbon plate regulator Field is essentially caused by a winding 5, which is from the armature current of the traction motor armature 1 is traversed. Thus that is the armature 4 influencing Field directly dependent on the current of the motor armature 1. If this current is large, also exerted a great deal of pressure on the carbon plate column 3, so that the resistance is decreased. As a result, the winding 2 receives a powerful exciting current flowed through. With a decreasing armature current, those caused by the winding 5 also increase Ampere-turns, so that the pressure under which the carbon plates are held is decreased. As a result, the resistance of the carbon plate column increases and the excitation current drops. It is easy to see that the armature current-dependent Excitation of the armature 4 of the carbon plate regulator is an armature current-dependent excitation the excitation current of the shunt field winding 2 causes. As indicated, the winding 2 applied directly to the contact wire voltage U, it follows that the the winding 2 flowing through the current is relatively small, whereby a light and cheap execution of the field controller results. The carbon plate regulator 4 a shunt winding 6 (control winding) is advantageously assigned, which make it possible to influence the controller as required. By this winding can, for example, weaken the field at the higher speed levels of the motor, as is known in series motors in is usually achieved by shunt resistors. The Winding 6 can be switched on during braking, in order to make machine 1 behave of a counter-composite generator. In this case, the action of the winding 6 predominate. Since the current in the Reversing winding 5, the desired control behavior is readily obtained. It is therefore only a switchover of the field or armature winding for the braking operation of the engine.

Da sich praktisch ein erfindungsgemäß ausgebildeter Motor beim Fahrbetrieb genau so wie ein Reihenschlußmotor verhält, d. h. die Kennlinien eines Reihenschlußmotors aufweist, können selbstverständlich Motoren mit einer erfindungsgemäßen Feldregelung ohne weiteres in der Gesamtschaltung wie Reihenschlußmotoren behandelt werden, d. h., die Motoren können in Serienparallelschaltung angelassen und geregelt werden, wie dies bei Bahnmotoren im allgemeinen üblich ist. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht, wie schon angedeutet war, ohne weiteres eine Feldschwächung durch zusätzliche Beeinflussung des in den Stromkreis der Feldwicklung eingeschalteten Magnetreglers. Diese Art der Feldbeeinflussung macht es möglich, in wirksamer Weise eine Drehzahlerhöhung durch Feldscbwächung zu erzielen, ohne daß besondere schwere Kontakte oder Schalter zum Schalten von Nebenschlußwiderständen erforderlich werden.Since a motor designed according to the invention is practically in use when driving exactly as a series motor behaves, d. H. the characteristics of a series motor has, of course, motors with a field control according to the invention can easily be treated like series motors in the overall circuit, d. i.e. the motors can be started and controlled in series parallel connection, as is generally the case with rail engines. The solution according to the invention enables, as already indicated, a field weakening by additional Influence of the magnetic regulator switched into the circuit of the field winding. This type of field influencing makes it possible to increase the speed in an effective manner can be achieved by field weakening without the need for particularly heavy contacts or switches become necessary for switching shunt resistors.

Fig.2 der Zeichnung gibt im einzelnen die Ausbildung eines Feldreglers zur Regelung des Erregerstromes für einen Fahrmotor wieder. Mit 11 ist in dieser Figur ein Regelmagnet bezeichnet, der im wesentlichen aus dem topfförmigen Eisenkreis 12 und dem Tauchanker 13 besteht. Zur Erzielung bzw. Beeinflussung des Magnetfeldes dienen die Hauptstromwicklung 14 sowie die konzentrisch dazu angeordnete Nebenschlußwicklung 15. Die Wicklungen 14 und 15 liegen in dem ringförmigen Hohlraum 16, zwischen dem topfförmigen Magnetgehäuse 12 und dem feststehenden Magnetkern 17 sowie dem Tauchanker 13. Der Tauchanker 13 ist durch eine Druckstange 19 mit einem Druckteller 20 verbunden, der über eine Isolierscheibe 21 auf das Kontaktstück 22 der Kohleplattensäule 23 wirkt. Auf der linken Seite der Kohleplattensäule 23 liegen ebenfalls ein Kontaktstück 22, eine Isolierscheibe 21 und ein Druckteller 20. Durch eine in den Rahmen 26 eingeschraubte Stellschraube 25 kann über die Kohleplattensäule eine Stellkraft im Sinne einer Änderung des Luftspaltes zwischen dem beweglichen Tauchanker 13 und dem feststehenden Magnetkern 17 ausgeübt werden. Der Anker 13 steht unter der Kraft einer Feder 27, die an dem den Regler einschließenden Rahmen 26 in einer Führungsbuchse 30 geführt ist. 31 ist noch ein Druckteller, über den mittels einer Stellschraube 32 eine Einstellkraft zum Ändern der Spannung der Feder 27 ausgeübt werden kann. Durch Einstellen des Luftspaltes mittels der Stellschraube 25 sowie der Federvorspannung der Feder 27 durch die Einstellschraube 32 kann dem Regler das gewünschte Arbeitsverhalten gegeben werden. Bemerkenswert ist noch, daß die Kohleplattensäule in jedem Falle durch die Feder 27 unter einer gewissen Spannung gehalten wird, so daß stets ein gewisser Druck auf die Kohleplattensäule und damit ein gewisser Widerstand in dem Erregerstromkreis gewährleistet ist. Man kann ohne weiteres den Regler so auslegen, daß ein Durchgehen des Motors ausgeschlossen ist und daß nur innerhalb eines bestimmten Strombereiches die Maschine das Verhalten eines Reihenschlußmotors erhält. Die Regler werden mit Vorteil auf Gerätegerüsten neben den Schaltapparaten angeordnet, wodurch sich die einfachste Leitungsanordnung ergibt.Fig. 2 of the drawing shows in detail the formation of a field regulator to regulate the excitation current for a traction motor again. With 11 is in this Figure denotes a regulating magnet, which consists essentially of the cup-shaped iron circle 12 and the plunger 13 consists. To achieve or influence the magnetic field serve the main current winding 14 and the concentric shunt winding arranged therewith 15. The windings 14 and 15 lie in the annular cavity 16, between the cup-shaped magnet housing 12 and the fixed magnet core 17 and the plunger 13. The plunger 13 is connected to a pressure plate 20 by a pressure rod 19, via an insulating disk 21 onto the contact piece 22 of the carbon plate column 23 works. On the left side of the carbon plate column 23 there is also a contact piece 22, an insulating washer 21 and a pressure plate 20. By a screwed into the frame 26 Adjusting screw 25 can be an adjusting force in the sense of a carbon plate column Change of the air gap between the movable plunger 13 and the fixed one Magnetic core 17 are exercised. The armature 13 is under the force of a spring 27, which are guided in a guide bush 30 on the frame 26 enclosing the regulator is. 31 is also a pressure plate, via which an adjusting force is applied by means of an adjusting screw 32 to change the tension of the spring 27 can be applied. By setting the Air gap by means of the adjusting screw 25 and the spring preload of the spring 27 the regulator can be given the desired operating behavior by means of the adjusting screw 32 will. It is also noteworthy that the carbon plate column in each case by the Spring 27 is held under a certain tension, so that always a certain Pressure on the carbon plate column and thus a certain resistance in the excitation circuit is guaranteed. You can easily interpret the controller so that a runaway of the motor is excluded and that only within a certain current range the machine gets the behavior of a series motor. The controls are with Advantageously arranged on equipment scaffolding next to the switchgear, which means that the results in the simplest line arrangement.

Einzelheiten der beschriebenen Anordnung können selbstverständlich abgeändert werden. An Stelle des Kohleplattenreglers kann u. U. auch ein Wälzkontaktregler vorhanden sein. Auch die Schaltung des Reglers kann u. U. geändert werden, indem der Regler zu der Feldwicklung parallelgeschaltet und in den Erregerstromkreis ein Widerstand eingeschaltet wird.Details of the arrangement described can of course be modified. Instead of the carbon plate regulator, a rolling contact regulator can also be used to be available. The controller circuit can also be changed under certain circumstances by the controller is connected in parallel to the field winding and in the excitation circuit Resistance is turned on.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Circuit arrangement for the particular purpose the regenerative braking as shunt machines trained drive motors of an electric Vehicle, those by an automatic regulator influenced by the armature current of the motors Main closing or composite behavior can be given, characterized by a preferably non-contact coal pressure regulator.

2. Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that under certain circumstances, for. B. with series connection, only one field controller is assigned to several motors.

3. Circuit arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that the secondary field windings of the Traction motors are designed for connection to the contact wire voltage.

4. Circuit arrangement according to claim 1 or the following, characterized in that the controller in addition to one Current winding has at least one additional voltage winding to additionally to influence the engine characteristic when driving, e.g. B. a field weakening to achieve higher speeds.

5. Circuit arrangement according to claim 1 or following, characterized in that by an additional shunt exciter winding of the controller enables the motors to be operated as counter-compound generators during braking where the shunt excitation winding of the magnetic regulator predominates and the armature current-dependent excited winding of the aforementioned shunt excitation winding is opposite.

6. Circuit arrangement according to claim 1 or the following, characterized in that the carbon plate column clamped together with the regulating magnet within a frame is and that by pressure screws on the one hand the air gap of the control magnet, on the other hand the bias of a spring used to generate the contact pressure is changed can be. Publications considered: German Patent Specifications No. 888 864, 336 199, 272 566, 443 850.