DE3833377C1 - Control method for reducing the power loss of the main thyristor of a D.C. chopper converter during the braking mode of a vehicle motor - Google Patents
Control method for reducing the power loss of the main thyristor of a D.C. chopper converter during the braking mode of a vehicle motorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a control method according to the preamble of claim 1.
Ein Fahrzeugmotor in der angegebenen Art der Schaltungsanordnung ist durch die DE-Zeitschrift "Elektrische Bahnen eb", 85. Jg. (1987) Heft 10, Seiten 336 bis 339 bekannt. Dabei ist als Hauptthyristor des Gleichstromstellers ein Abschaltthyristor (GTO-Thyristor) vorgesehen.A vehicle engine is in the specified type of circuit arrangement by the DE magazine "electric railways eb", 85th year (1987) Booklet 10, pages 336 to 339 known. It is the main thyristor of the DC chopper a turn-off thyristor (GTO thyristor) is provided.
Derartige Abschaltthyristoren sind aufgrund der Möglichkeit, sie über den Steueranschluß zu zünden und auch wieder abzuschalten, besonders vorteilhaft auf Fahrzeugen, insbesondere auf Nahverkehrs- Triebfahrzeugen einzusetzen, weil der Platz und der Aufwand für die sonst bei Leistungsthyristoren notwendigen Löschkreise entfällt.Such shutdown thyristors are due to the possibility of them Ignite via the control connection and switch it off again, especially advantageous on vehicles, especially on local transport To use locomotives because of the space and the effort for the extinguishing circuits otherwise required for power thyristors are not required.
Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild der durch den oben genannten Stand der Technik bekannten Schaltung, bei der die Netzspannung U N durch ein beim Gefahrenbremsbetrieb vor einer Netzdrossel NDr geöffnetes Netzschütz NS vom Netzkondensator NK abgeschaltet ist. Mit FS ist ein beim Bremsbetrieb ebenfalls geöffnetes Fahrschütz bezeichnet. Fig. 1 shows the basic circuit diagram of the known through the above-mentioned prior art circuit in which the mains voltage U N NS through an open during emergency brake operation before a choke NDr line contactor from the mains capacitor NK is turned off. FS is a contactor that is also open during braking.
Ein Fahrzeugmotor M, hier als Gleichstrommaschine mit den Klemmen AB für den Anker und EF für die durch ein Dauershunt DS überbrückte Feldwicklung gezeigt, ist mit seinem einen Anschluß über einen als Abschaltthyristor ausgebildeten Hauptthyristor HT an den Minuspol und über eine Freilaufdiode FD an den Pluspol des Netzkondensators NK angeschlossen. Mit MDr ist eine Motordrosselspule bezeichnet. Der andere Anschluß des Motors M ist über die Reihenschaltung eines Bremsvorwiderstands R V und einer in Richtung auf den Motor M leitenden Bremsdiode BD mit dem Minuspol des Netzkondensators NK verbunden.A vehicle motor M , shown here as a DC machine with the terminals AB for the armature and EF for the field winding bridged by a continuous shunt DS , is connected with its one connection via a main thyristor HT designed as a switch-off thyristor to the negative pole and via a free-wheeling diode FD to the positive pole of the Mains capacitor NK connected. MDr is a motor choke coil . The other connection of the motor M is connected to the negative pole of the mains capacitor NK via the series connection of a braking resistor R V and a braking diode BD which leads in the direction of the motor M.
Statt der gezeigten Gleichstrommaschine kann aber auch eine Drehstrommaschine mit einem Stromrichter als elektronischem Kommutator eingesetzt werden.Instead of the DC machine shown, a three-phase machine can also be used used with a converter as an electronic commutator will.
Für den Bremsbetrieb bei nicht oder nur teilaufnahmefähigem Netz liegt parallel zum Netzkondensator ein Bremswiderstandskreis, der aus einem Bremswiderstand R BW und einem (ebenfalls als Abschaltthyristor ausgebildeten Bremsthyristor BT besteht. Dem Bremswiderstand R BW ist in üblicher (aber beim zuvor erwähnten Stand der Technik nicht gezeigter) Weise eine Bremswiderstandsfreilaufdiode BWFD parallelgeschaltet.For braking operation in the case of a network that is not or only partially capable of receiving a load, there is a braking resistor circuit parallel to the network capacitor, which comprises a braking resistor R BW and a braking thyristor BT (also designed as a cut-off thyristor. The braking resistor R BW is more common (but not shown in the prior art mentioned above) ) Way a braking resistor freewheeling diode BWFD connected in parallel.
Bei der Gefahrenbremsung mit geöffnetem Netzschütz NS muß sichergestellt werden, daß der Netzkondensator NK nicht überladen wird.During emergency braking with the line contactor NS open, it must be ensured that the line capacitor NK is not overloaded.
Der Bremsthyristor BT wird deshalb so ausgesteuert, daß die Spannung am Netzkondensator NK nicht über einen Grenzwert steigt. Es bietet sich an, den Aussteuerungsgrad β des Bremsthyristors BT durch Vorgabe einer konstanten Führungsgröße W U für die Spannung am Netzkondensator NK derart auszuregeln, daß sich am Netzkondensator NK eine konstante Spannung U C einstellt.The brake thyristor BT is therefore controlled so that the voltage across the line capacitor NK does not rise above a limit value. It is advisable to regulate the degree of modulation β of the brake thyristor BT by specifying a constant reference variable W U for the voltage at the line capacitor NK in such a way that a constant voltage U C is established at the line capacitor NK .
Diese vom Kondensator abhängige Aussteuerung des Bremsthyristors ist z. B. aus "Elektrische Bahnen" Jahrgang 44 (1973) Heft 8, S. 172, Abschnitt 5.a bekannt. This modulation of the Brake thyristor is e.g. B. from "Electric Railways" Volume 44 (1973) Issue 8, p. 172, Section 5.a known.
In Fig. 2 ist das Ersatzschaltbild der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1 für den zuvor erwähnten Gefahrenbremsbetrieb gezeigt: Am Netzkondensator liegt eine (im Mittel konstante) Spannung U C. Die mit E bezeichnete EMK des Fahrzeugmotors M treibt über den Ankerwiderstand R A des Fahrzeugmotors M einen (Brems-)Motorstrom I M. Durch die Freilaufdiode FD fließt ein Diodenstrom i FD, während bei gezündetem Hauptthyristor HT über diesen ein Strom i HT und bei leitendem Bremsthyristor BT durch diesem und den Bremswiderstand R BW ein Strom i BW fließt. FIG. 2 shows the equivalent circuit diagram of the known circuit arrangement according to FIG. 1 for the aforementioned emergency braking operation: a (on average) voltage U C is applied to the line capacitor. The line labeled E emf of the vehicle engine M drives via the armature resistance R A of the vehicle engine M a (brake) motor current I M. A diode current i FD flows through the free-wheeling diode FD , while a current i HT flows through it when the main thyristor HT is triggered and a current i BW flows through it and the conductive braking thyristor BT and the braking resistor R BW .
Der Aussteuerungsgrad α des Hauptthyristors HT ist bei wirksamem Bremsvorwiderstand R V durch die Gleichung The degree of modulation α of the main thyristor HT is with effective braking resistor R V by the equation
und bei durch den Bremsvorwiderstandsthyristor BVWT kurzgeschlossenem Bremsvorwiderstand R V durch die Gleichung and when the braking resistor R V is short-circuited by the braking resistor thyristor BVWT, by the equation
gegeben.given.
Die Netzkondensatorspannung U C muß so bestimmt werden, daß sich für die maximale EMK E max und den kleinstmöglichen Aussteuerungsgrad α min des Hauptthyristors HT ein stabiler Betriebszustand einstellen kann; also giltThe line capacitor voltage U C must be determined in such a way that a stable operating state can be established for the maximum emf E max and the smallest possible degree of modulation α min of the main thyristor HT ; therefore applies
Mit abnehmender Drehzahl des Fahrzeugmotors M sinkt die EMK E, und der Aussteuerungsgrad α des Hauptthyristors HT steigt linear an ( α* in dem Diagramm der Fig. 7).With decreasing speed of the vehicle engineM it sinksEMK E, and the level of modulationα of the main thyristorHT increases linearly ( α* in the diagram of theFig. 7).
Der über der Freilaufdiode FD an den Netzkondensator NK abgegebene Strom (Mittelwert über eine Gleichstromstellertaktperiode) ergibt sich zuThe current emitted to the line capacitor NK via the freewheeling diode FD (average value over a DC regulator clock cycle period) results in
I FDmitt = (1 - α) I M I FDmitt = (1 - α ) I M
Der Mittelwert des Stromes I BWmitt durch den Bremswiderstand R BW bei einem Aussteuerungsgrad β des Bremsthyristors istThe mean value of the current I BWmitt through the braking resistor R BW at a modulation level β of the braking thyristor is
Für eine im Mittel konstante Netzkondensatorspannung U C müssen auch die Mittelwerte der Ströme durch die Freilaufdiode FD und den Bremswiderstand R BW gleich sein (I FDmitt = I BWmitt). Daraus ergibt sich zwischen dem Aussteuerungsgrad β des Bremsthyristors BT und dem Aussteuerungsgrad α des Hauptthyristors HT die BeziehungFor an average constant line capacitor voltage U C , the mean values of the currents through the freewheeling diode FD and the braking resistor R BW must also be the same (I FDmitt = I BWmitt ). The relationship between the degree of modulation β of the brake thyristor BT and the degree of modulation α of the main thyristor HT results from this
Der Aussteuerungsgrad β nimmt also mit wachsendem Aussteuerungsgrad α und damit mit abnehmender EMK ab ( β* im Diagramm der Fig. 7).The degree of modulation β thus decreases with increasing degree of modulation α and thus with decreasing EMF ( β * in the diagram in FIG. 7).
Die in den beiden Abschaltthyristoren erzeugte Durchlaßverlustleistung P - im Mittelwert über eine Stellerperiode - ist (bei einem Durchlaßspannungsabfall u T) für den Hauptthyristor HT:The forward power loss P generated in the two turn-off thyristors - on average over an actuator period - (with a forward voltage drop u T ) for the main thyristor HT :
P HT = α · u T(IM) · I M P HT = α · u T (I M ) · I M
und für den Bremsthyristor BT:and for the brake thyristor BT :
P BT = β · u T (I BW) · I BW . P BT = β · u T (I BW) · I BW.
Nachteilig beim Einsatz von Abschaltthyrisstoren ist jedoch, daß ihre Durchlaß- und Schaltverluste verhältnismäßig hoch sind, so daß bei allen Betriebsarten nach Wegen gesucht werden muß, die Leistungsverluste zu vermindern.A disadvantage of the use of shutdown thyristor gates is that their Passage and switching losses are relatively high, so that at all modes of operation must be looked for ways, the power losses to diminish.
So liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, insbesondere beim Einsatz von Abschaltthyristoren als Hauptthyristor und als Bremsthyristor in der eingangs angegebenen Gleichstromstellerschaltung mit getrenntem Bremswiderstandssteller, ein Steuerverfahren anzugeben, mit dem beim Gefahrenbremsbetrieb, bei dem das Fahrleitungsnetz vom Netzkondensator und von der mit diesem verbundenen Schaltungsanordnung getrennt wird, die Verlustleistung verringert wird.The invention is based on the object, in particular during use of turn-off thyristors as the main thyristor and as the braking thyristor in the DC controller circuit with separate Brake resistor controller to specify a control method with in the emergency braking mode, in which the catenary network from the network capacitor and separated from the circuit arrangement connected to it the power loss is reduced.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by those characterized in the claim Features solved.
Weil die Führungsgröße w U für die Netzkondensatorspannung U C nicht konstantgehalten wird, sondern von einem Kennliniengeber in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl eingestellt werden kann, ist eine Absenkung des Aussteuerungsgrades α des Hauptthyristors HT möglich, so daß sich dessen Durchlaßverluste senken; das bedeutet Verminderung des Verhältnisses U C/E. Ferner erfolgt eine Verminderung der Schaltverluste durch ein Absenken der Sperrspannung am Hauptthyristor HT. Außerdem ergibt sich eine Verminderung der Schaltverluste sowohl des Haupt- als auch des Bremsthyristors durch ein Absenken der Stellerpulsfrequenz infolge der zusätzlichen Nachführung der Stellenpulsfrequenz in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl.Because the command variable w U for the line capacitor voltage U C is not kept constant, but can be set by a characteristic curve generator as a function of the machine speed, a lowering of the modulation factor α of the main thyristor HT is possible, so that its forward losses decrease; that means reduction of the ratio U C / E. Switching losses are also reduced by lowering the reverse voltage at the main thyristor HT . In addition, there is a reduction in the switching losses of both the main and the brake thyristor due to a lowering of the actuator pulse frequency as a result of the additional tracking of the actuator pulse frequency as a function of the machine speed.
Die Führungsgröße w U für die Spannung am Netzkondensator U C und die Stellerpulsfrequenz dürfen natürlich nicht willkürlich gewählt werden. So müssen gewisse Kriterien eingehalten werden, um bei jeder Geschwindigkeit und jedem Motorstrom einen stabilen Betriebszustand zu erreichen. Diese Kriterien sind als vorteilhafte Ausgestaltung des Steuerverfahrens nach der Erfindung in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The command variable w U for the voltage at the line capacitor U C and the actuator pulse frequency must of course not be chosen arbitrarily. Certain criteria must be adhered to in order to achieve a stable operating state at any speed and any motor current. These criteria are characterized as an advantageous embodiment of the control method according to the invention in the subclaims.
Das Verfahren nach der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung in Ausführungsbeispielen erläutert.The method according to the invention is described below with reference to the drawing explained in exemplary embodiments.
Es zeigtIt shows
Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Gewinnung der Steuerimpulse für den Hauptthyristor und den Bremsthyristor der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung, Fig. 3 is a block diagram for obtaining the control pulses for the main thyristor and the Bremsthyristor the circuit arrangement shown in Fig. 1,
Fig. 4 ein Strom-Spannungsdiagramm zur Bestimmung eines der drei bei der Bildung der Führungsgröße für die Spannung am Netzkondensator einzuhaltenden Kriterien, Fig. 4 shows a current-voltage diagram for determining one of the three to be maintained during the formation of the reference value for the voltage across the capacitor network criteria,
Fig. 5 die nach den drei Kriterien einzuhaltenden Grenzen für die Netzkondensatorspannung und einen denkbaren Kennlinienverlauf der Netzkondensatorspannung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Fahrzeugmotors, Fig. 5 to be respected according to the three criteria limits for the power capacitor voltage and a possible characteristic curve of the power capacitor voltage in dependence on the speed of the vehicle engine,
Fig. 6 die einzuhaltenden Grenzen für die Netzkondensatorspannung und einen weiteren einfacheren Kennlinienverlauf der Netzkondensatorspannung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Fahrzeugmotors, Fig. 6, to be observed limits for the power capacitor voltage and a further, simpler characteristic curve of the power capacitor voltage in dependence on the speed of the vehicle engine,
Fig. 7 Kennlinien der Aussteuerungsgrade von Haupt- und Bremsthyristor in Abhängigkeit von der Drehzahl des Fahrzeugmotors und Fig. 7 characteristics of the levels of control of the main and brake thyristor depending on the speed of the vehicle engine and
Fig. 8 Kennlinien der Aussteuerungsgrade von Haupt- und Bremsthyristor und Kennlinien der Stellerpulsfrequenz in Abhängigkeit von der Drehzahl des Fahrzeugmotors. Fig. 8 characteristics of the levels of modulation of the main and brake thyristor and characteristics of the actuator pulse frequency depending on the speed of the vehicle engine.
Gemäß Fig. 3 ist zur Gewinnung der Zündimpulse Z BT für den Bremsthyristor BT (Bezeichnung wie in Fig. 1) ein erster Kennliniengeber 1 vorgesehen, der in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Fahrzeugmotors M eine Führungsgröße w U für die Spannung U C am Netzkondensator NK beim Gefahrenbremsbetrieb vorgibt. Diese Führungsgröße wird in üblicher Weise mit der durch die tatsächliche Spannung U C am Netzkondensator NK gegebenen Regelgröße verglichen, und es wird die Regelabweichung einem ersten Regelverstärker 4 zugeführt, an dessen Ausgang eine Signalspannung U StBT auftritt, die dem gewünschten Aussteuerungsgrad β des Bremsthyristors BT proportional ist. Die Signalspannung U StBT steuert ein erstes Steuergerät 6 aus, das die an den Steueranschluß des Bremsthyristors BT anzulegenden Zündimpulse Z BT bildet.According to FIG. 3, a first characteristic curve generator 1 is provided for obtaining the ignition pulses Z BT for the brake thyristor BT (designation as in FIG. 1), which, depending on the speed n of the vehicle engine M, is a reference variable w U for the voltage U C at the mains capacitor NK specifies when operating the emergency brake. This reference variable is compared in the usual way with the control variable given by the actual voltage U C at the mains capacitor NK , and the control deviation is fed to a first control amplifier 4 , at the output of which a signal voltage U StBT occurs which is proportional to the desired modulation level β of the brake thyristor BT is. The signal voltage U StBT controls a first control unit 6 , which forms the ignition pulses Z BT to be applied to the control connection of the brake thyristor BT .
Zur Bildung der Zündimpulse für den Hauptthyristor HT wird in der bei einem Gleichstromsteller üblichen Weise eine Führungsgröße w IM für den Fahrzeugmotor-Strom mit dem Istwert des Motorstromes (hier: Bremsstrom) I M verglichen. Die Regelabweichung wird einem zweiten Regelverstärker 3 zugeführt, an dessen Ausgang eine Signalspannung U StHT auftritt, die dem gewünschten Aussteuerungsgrad α für den Hauptthyristor HT entspricht.In order to form the ignition pulses for the main thyristor HT , a reference variable w IM for the vehicle engine current is compared with the actual value of the engine current (here: braking current) I M in the manner customary in a DC chopper. The control deviation is fed to a second control amplifier 3 , at the output of which a signal voltage U StHT occurs which corresponds to the desired degree of modulation α for the main thyristor HT .
Die Signalspannung U StHT steuert ein zweites Steuergerät 5 aus, das die an den Steueranschluß des Hauptthyristors HT anzulegenden Zündimpulse Z HT bildet.The signal voltage U StHT controls a second control unit 5 , which forms the ignition pulses Z HT to be applied to the control connection of the main thyristor HT .
Ein zweiter Kennliniengeber 2 gibt in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Fahrzeugmotors M die Stellerpulsfrequenz f St der Zündimpulse Z HT und Z BT für die Steuergeräte 5 und 6 vor.A second characteristic curve generator 2 specifies the actuator pulse frequency f St of the ignition pulses Z HT and Z BT for the control units 5 and 6 as a function of the speed n of the vehicle engine M.
Zur Bestimmung des optimalen Verlaufs der Kennlinien für die Stellerpulsfrequenz f St und die Führungsgröße w U für die Netzkondensatorspannung U C in Abhängigkeit von der Drehzahl n sind, wie bereits erwähnt, einige Kriterien einzuhalten.As already mentioned, a number of criteria must be observed to determine the optimal course of the characteristic curves for the actuator pulse frequency f St and the reference variable w U for the line capacitor voltage U C as a function of the speed n .
Für die Führungsgröße w U kommt dabei in Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung drei Mindestwerten hervorragende Bedeutung zu.In the embodiment of the method according to the invention, three minimum values are of outstanding importance for the command variable w U.
Zu der Bestimmung der Kriterien für diese Mindestwerte werden zunächst die Leistungen betrachtet, die in den einzelnen in Fig. 1 bzw. Fig. 2 gezeigten Schaltungselementen umgesetzt werden.To determine the criteria for the minimum values the performances are first considered that in detail in FIG. 1 and FIG. 2 circuit elements shown are implemented.
Die durch den Motor M erzeugte Leistung P M ist bei der von der Drehzahl n abhängigen elektromotorischen Kraft E und dem Motorstrom (Bremsstrom) I M:The power P M generated by the motor M is on the on the rotational speed n dependent electromotive force E and the motor current (braking current) I M:
P M = E · I M . P M = E · I M.
Die in den Widerständen umgesetzte Leistung beträgt für den Ankerwiderstand R A:The power converted in the resistors for the armature resistor R A is :
P RA = I M²R A P = RA I M ² R A
und für den Bremswiderstand R V:and for the braking resistor R V :
P RV = I M²R V. RV = P I M V R ².
Die vom Bremswiderstand R BW aufzunehmende Leistung bestimmt sich für einen kurzgeschlossenen Bremsvorwiderstand R V zu:The power to be absorbed by the braking resistor R BW is determined for a short-circuited braking resistor R V :
P RBW = P M - P RA P RBW = P M - P RA
und für einen wirksamen Bremswiderstand R V zuand for an effective braking resistor R V too
P RBW = P M - (P RA + P V). P RBW = P M - (P RA + P V ).
Das erste Kriterium zur Bestimmung der Kennlinie für die Führungsgröße w U der Netzkondensatorspannung U C ist die Frage: Welche Netzkondensatorspannung U Cmin ist erforderlich, damit der Bremswiderstand R BW mit maximalem Aussteuerungsgrad b max des Bremsthyristors BT die erforderliche Leistung P RBW aufnimmt? Allgemein gilt:The first criterion for determining the characteristic curve for the command variable w U of the line capacitor voltage U C is the question: Which line capacitor voltage U Cmin is required so that the braking resistor R BW with the maximum modulation level b max of the braking thyristor BT consumes the required power P RBW ? In general:
Die minimale Kondensatorspannung U cmin ist dannThe minimum capacitor voltage U cmin is then
In Abhängigkeit von der Drehzahl n sind damit Kurven bei vorgegebenem maximalen Aussteuerungsgrad β max (zum Beispiel β max = 0,95 oder β max = 1) errechenbar. Fig. 5 (und ebenso Fig. 6) zeigt die derartig ermittelten Kurvenverläufe der minimalen Netzkondensatorspannung U Cmin als Kurve A 1 bei wirksamem Bremswiderstand R V und als Kurve A 2 bei kurzgeschlossenem Bremswiderstand R V.Depending on the speed n , curves can thus be calculated at a predetermined maximum modulation level β max (for example β max = 0.95 or β max = 1). FIG. 5 (and likewise FIG. 6) shows the curve profiles of the minimum line capacitor voltage U Cmin determined in this way as curve A 1 with effective braking resistor R V and as curve A 2 with short-circuited braking resistor R V.
Das zweite zu beachtende Kriterium für die Führungsgröße w U besteht darin, daß die Kondensatorspannung groß genug sein muß, daß die EMK-Kennlinie unter der einstellbaren Gegenspannungskennlinie liegt. Das heißt, es muß gelten:The second criterion to be observed for the reference variable w U is that the capacitor voltage must be large enough that the EMF characteristic is below the adjustable counter-voltage characteristic. That means the following must apply:
E(n; I M) (1 - α min ) · U C + I M · (R A + R V). E (n ; I M ) (1 - α min ) U C + I M (R A + R V ).
(Bei kurzgeschlossenem Bremswiderstand R V ist in dieser Beziehung R V = 0 einzusetzen).(If the braking resistor R V is short-circuited, use R V = 0 in this respect).
Wird der minimale Aussteuerungsgrad α min des Hauptthyristors fest vorgegeben (zum Beispiel α min = 0,05), so können für die einzelnen Drehzahlen n als Parameter mit dem Fahrzeugmotor Werte erstellt werden, die dieser Beziehung genügen.If the minimum modulation level α min of the main thyristor is fixed (for example α min = 0.05), values can be created for the individual speeds n as parameters with the vehicle engine that satisfy this relationship.
In Fig. 5 (ebenso wie in Fig. 6) sind die Grenzkennlinien B 1 für den wirksamen Bremsvorwiderstand R V und B 2 für den kurzgeschlossenen Bremswiderstand R V unter Beachtung dieses zweiten Kriteriums aufgetragen.In Fig. 5 (as well as in Fig. 6) the limiting characteristic curves B 1 for the effective Bremsvorwiderstand R V and B 2 is applied to the short-circuited braking resistor R V with respect to this second criterion are.
Als drittes Kriterium für die Erstellung der Kennlinie für die drehzahlabhängige Führungsgröße w U ist schließlich zu beachten, daß eine Überdeckung der Kennlinienfelder beim Kurzschließen des Bremsvorwiderstands R V vorliegt.Finally, as a third criterion for the creation of the characteristic curve for the speed-dependent command variable w U , it should be noted that the characteristic curve fields are covered when the braking resistor R V is short-circuited.
In Fig. 4 sind die Spannungskennlinien in Abhängigkeit vom Motorstrom (Bremsstrom I M) bei der Gefahrenbremsung aufgetragen. Es ist darauf zu achten, daß der Überlappungsbereich Δ U bei maximalem Motorstrom I Mmax nicht zu klein gewählt wird (also zum Beispiel Δ U = 100 V). In FIG. 4, the voltage characteristic curves in dependence on the motor current (braking current I M) are applied in the emergency braking. It is important to ensure that the overlap area Δ U is not chosen too small at maximum motor current I Mmax (for example, Δ U = 100 V).
Demnach muß geltenTherefore must apply
In Fig. 5 (und ebenso in Fig. 6) ist eine entsprechende Grenzkennlinie C für die Netzkondensatorspannung U C eingezeichnet, oberhalb derer der Übergang vom wirksamen zum kurzgeschlossenen Bremsvorwiderstand erfolgen muß.In Fig. 5 (and also in Fig. 6) a corresponding limit curve C is drawn for the line capacitor voltage U C , above which the transition from the effective to the short-circuited braking resistor must take place.
Vorteilhaft möglich ist es unter Beachtung der drei Kriterien danach, in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Fahrzeugmotors die Kondensatorspannung U C kennlinienmäßig derart einzustellen, wie es die Kurve U C (n) in Fig. 5 zeigt.Taking into account the three criteria, it is advantageously possible to set the capacitor voltage U C as a function of the speed n of the vehicle engine, as shown by the curve U C (n) in FIG. 5.
In Fig. 5 ist noch der Verlauf der EMK E für einen vorgegebenen Motorstromwert I M dargestellt. Außerdem ist zusätzlich gezeigt, bei welcher Drehzahl etwa ein Kurzschließen des Bremswiderstands R V durch Zünden des Bremswiderstandsthyristors BVWT erfolgt.In FIG. 5, the curve of the electromotive force E is also shown for a predetermined motor current value I M. In addition, it is also shown at which speed the braking resistor R V is short- circuited by firing the braking resistor thyristor BVWT .
Der in Fig. 5 gezeigte Verlauf U C (n) erfordert in der Kennlinienvorgabe einen verhältnismäßig großen Aufwand. Soll die Steuerung vereinfacht werden, ist deshalb der in Fig. 6 dargestellte Verlauf der Netzkondensatorspannung U C anzustreben. Danach wird also beim Abbremsen bis zu einer bestimmten Drehzahl (zum Beispiel bis zu der Drehzahl, bei der auch der Bremsvorwiderstand R V kurzgeschlossen wird) die Netzkondensatorspannung auf einen konstanten Wert geregelt, um dann linear zum Stillstand hin abzufallen.The course U C (n) shown in FIG. 5 requires a relatively large outlay in the specification of the characteristic curve. If the control is to be simplified, the profile of the line capacitor voltage U C shown in FIG. 6 should therefore be aimed for. Thereafter, when braking to a certain speed (for example up to the speed at which the braking series resistor R V is also short-circuited), the mains capacitor voltage is regulated to a constant value, in order then to drop linearly to a standstill.
Nach der Festlegung der Kennlinien für die Netzkondensatorspannung U C entsprechend
Fig. 5 oder Fig. 6 können die Aussteuerungsgrade des Haupt-
und des Bremsthyristors durch einfache Rechnung bestimmt werden:
Für den Aussteuerungsgrad des Hauptthyristors giltAfter defining the characteristic curves for the line capacitor voltage U C in accordance with FIG. 5 or FIG. 6, the modulation levels of the main and brake thyristors can be determined by simple calculation:
The following applies to the degree of modulation of the main thyristor
(bei kurzgeschlossenem Bremsvorwiderstand ist R V = 0 einzusetzen).( R V = 0 should be used if the braking resistor is short-circuited).
Zum Wert des Ankerwiderstands R A ist bei dieser Gleichung zu bemerken, daß die größten, also ungünstigsten Werte, für den Aussteuerungsgrad α sich bei warmer Maschine ergeben. Es ist hier also mit dem Warmwiderstandswert des Ankerwiderstands R A zu rechnen.Regarding the value of the armature resistance R A , it should be noted in this equation that the greatest, that is to say the most unfavorable, values for the degree of modulation α result when the machine is warm. The warm resistance value of the armature resistance R A is therefore to be expected here.
Der Aussteuerungsgrad des Bremsthyristors BT ist durch die Beziehung gegeben:The degree of modulation of the brake thyristor BT is given by the relationship:
In Fig. 7 ist für den durch die Fig. 6 vorgegebenen, drehzahlabhängigen Verlauf der Netzkondensatorspannung U C die entsprechende Kennlinie für die Aussteuerungsgrade in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Fahrzeugmotors aufgetragen. Es zeigt dabei für den Hauptthyristor die Kurve α 1 den Aussteuerungsgrad bei wirksamem Bremsvorwiderstand und die Kurve α 2 den Aussteuerungsgrad bei kurzgeschlossenem Bremsvorwiderstand. In analoger Weise ist für den Bremsthyristor der Verlauf des Aussteuerungsgrades β 1 bei wirksamem Bremsvorwiderstand und der Verlauf des Aussteuerungsgrades β 2 bei kurzgeschlossenem Bremsvorwiderstand dargestellt.In FIG. 7, the corresponding characteristic curve for the degrees of modulation as a function of the speed n of the vehicle engine is plotted for the speed-dependent profile of the line capacitor voltage U C given by FIG. 6. For the main thyristor, curve α 1 shows the degree of modulation with an effective braking resistor and curve α 2 shows the degree of modulation with a short-circuited braking resistor. In an analogous manner, the course of the degree of modulation β 1 with an effective braking series resistor and the course of the degree of modulation β 2 with a short-circuited braking series resistor are shown for the brake thyristor.
Wie schon oben erwähnt, sind gestrichelt die Verläufe der Aussteuerungsgrade α* für den Hauptthyristor und β* für den Bremsthyristor bei über den gesamten Drehzahlbereich konstanter Netzkondensatorspannung eingezeichnet. As already mentioned above, the curves of the modulation levels α * for the main thyristor and β * for the braking thyristor are shown in broken lines with a constant line capacitor voltage over the entire speed range.
Proportional zum Verlauf der Netzkondensatorspannung U C ist noch zusätzlich der Verlauf des BremswiderstandsstromesThe profile of the braking resistor current is also proportional to the profile of the line capacitor voltage U C
in Fig. 7 dargestellt.shown in Fig. 7.
Das Diagramm der Fig. 7 zeigt, daß der Aussteuerungsgrad α bei der drehzahlabhängigen Führung der Netzkondensatorspannung kleiner ist als bei konstanter Netzkondensatorspannung ( α*). Damit werden die Hauptthyristordurchlaßverluste reduziert.The diagram in FIG. 7 shows that the degree of modulation α is lower when the line capacitor voltage is guided as a function of the speed than when the line capacitor voltage is constant ( α *). This reduces the main thyristor leakage.
Größer dagegen wird zwar der Aussteuerungsgrad β des Bremsthyristors, doch trotz des mehr als dreimal so großen Aussteuerungsgrades β steigen die Durchlaßverluste P BT (die sich aus der BeziehungAlthough increases, however, the level of at β of Bremsthyristors, but despite more than three times as large Aussteuerungsgrades β increase the conduction losses P BT (resulting from the relationship
P BT = β · u T · I BW P BT = β · u · T I BW
bei für die einzelnen Abschaltthyristoren bekanntem Durchlaßspannungsabfall u T in Abhängigkeit vom Strom I BW errechnen lassen) nur um etwa 50%. Wenn die Verringerung der Schaltverluste mit berücksichtigt wird, ist der Unterschied noch geringer. Im übrigen kann der Bremsthyristor eine momentane Erhöhung der Verlustleistung vertragen, da er im Mittel über das Lastspiel "Beschleunigen - Bremsen" geringer belastet ist als der Hauptthyristor und bei Beginn des Bremsbetriebes kalt ist.If the forward voltage drop u T known for the individual switch-off thyristors as a function of the current I BW can be calculated) only by about 50%. If the reduction in switching losses is taken into account, the difference is even smaller. Otherwise, the braking thyristor can tolerate a momentary increase in the power loss, since on average it is less loaded than the main thyristor over the duty cycle "accelerating - braking" and is cold at the start of the braking operation.
Wird die Netzkondensatorspannung U C abgesenkt, kann unter Beibehaltung der maximalen Motorstromwelligkeit Δ I Mmax auch die Stellerpulsfrequenz f St in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Fahrzeugmotors abgesenkt werden, so daß sich auch hierdurch die Verlustleistung des Haupt- und des Bremsthyristors verringert.If the line capacitor voltage U C is reduced, the actuator pulse frequency f St can also be reduced as a function of the engine engine speed n while maintaining the maximum motor current ripple Δ I Mmax , so that the power loss of the main and brake thyristors is also reduced as a result.
Die Motorstromwelligkeit ist gegeben durch die Beziehung:The motor current ripple is given by the relationship:
wobei mit f St die Stellerpulsfrequenz und mit L A die Induktivität im Ankerkreis des Fahrzeugmotors bezeichnet sind.where f St the actuator pulse frequency and L A denote the inductance in the armature circuit of the vehicle engine.
Für konstante Netzkondensatorspannung, hier U C = U Cmax und Nennfrequenz f Stnenn ergibt sich die maximale Welligkeit bei einem Aussteuerungsgrad α = 0,5 des Hauptthyristors zuFor constant mains capacitor voltage, here U C = U Cmax and nominal frequency f Stnnn , the maximum ripple results with a modulation factor α = 0.5 of the main thyristor
Die Kennlinie der abgesenkten Stellerpulsfrequenz f St errechnet sich (unter der zuvor erwähnten Voraussetzung, daß die gleiche Motorstromwelligkeit Δ I Mmax auftreten soll) dann nach der Beziehung:The characteristic curve of the lowered actuator pulse frequency f St is then calculated (under the aforementioned condition that the same motor current ripple Δ I Mmax should occur) according to the relationship:
Selbst wenn damit gerechnet wird, daß transient ein Aussteuerungsgrad von α = 0,5 auftritt, kann die Frequenz immer noch nach der GleichungEven if it is expected that a degree of modulation of α = 0.5 will occur transiently, the frequency can still be according to the equation
abgesenkt werden, so daß damit Schaltverluste gespart werden.be lowered so that switching losses are saved.
In Fig. 8 ist noch einmal eine Kennlinie für eine mögliche, von der Drehzahl n abhängige Vorgabe der Netzkondensatorspannung U C dargestellt. Dabei verläuft diese Kennlinie im höheren Drehzahlbereich zunächst konstant, um dann bei weiterem Abbremsen bei der Gefahrenbremsung des Fahrzeugmotors parabelförmig abzufallen.In FIG. 8 is again a characteristic of a possible represented by the rotational speed-dependent specification of the n power capacitor voltage U C. This characteristic curve initially runs constant in the higher speed range, in order to then fall parabolically when the vehicle engine brakes further as the brakes are applied.
Die zur Erzielung dieses Verlaufs der Netzkondensatorspannung U C notwendigen Aussteuerungsgrade α 1 und β 1 für Haupt- und Bremsthyristor bei wirksamem Bremswiderstand und α 2 und β 2 für Haupt und Bremsthyristor bei kurzgeschlossenem Bremsvorwiderstand sind ebenfalls eingezeichnet. The modulation levels α 1 and β 1 for the main and braking thyristor with effective braking resistor and α 2 and β 2 for main and braking thyristor with short-circuited braking resistor are necessary to achieve this profile of the line capacitor voltage U C.
Weiterhin sind zwei drehzahlabhängige Stellerpulsfrequenzkennlinien gezeigt, bei denen die Frequenz f 1St nach der zuvor angegebenen BeziehungFurthermore, two speed-dependent control pulse frequency characteristic curves are shown, in which the frequency f 1 St according to the previously specified relationship
und die Frequenz f 2St nach der ebenfalls oben aufgeführten Formeland the frequency f 2 St according to the formula also listed above
abgesenkt sind.are lowered.
Claims (7)
- - dessen einer Anschluß sowohl über eine vom Fahrzeugmotor hinweggerichtete Freilaufdiode mit dem einen Pol eines im Bremsbetrieb vom Netz abgetrennten Netzkondensators als auch über den ebenfalls vom Fahrzeugmotor hinweggerichteten Gleichstromsteller- Hauptthyristor mit dem anderen Pol des Netzkondensators in Verbindung steht,
- - dessen anderer Anschluß sowohl über eine in Richtung auf den Fahrzeugmotor gepolte Bremsdiode und einen mit dieser in Reihe liegenden Bremsvorwiderstand als auch über einen in Richtung auf den Fahrzeugmotor gepolten, die Reihenschaltung von Bremsdiode und Bremsvorwiderstand in leitendem Zustand überbrückenden Bremsvorwiderstandsthyristor ebenfalls mit dem anderen Pol des Netzkondensators in Verbindung steht und
- - der in einen Bremsstromkreis geschaltet wird, der durch die Freilaufdiode, eine zwischen den beiden Polen des Netzkondensators angeordnete Reihenschaltung aus einem Bremswiderstand und einem Bremsthyristor und entweder der Reihenschaltung aus Bremsvorwiderstand und Bremsdiode oder dem Bremsvorwiderstandsthyristor gebildet ist,
- one connection is connected to the other pole of the mains capacitor both via a free-wheeling diode directed away from the vehicle motor with one pole of a mains capacitor which is disconnected from the mains during braking and also via the main thyristor of the direct current regulator also directed away from the vehicle motor,
- - Its other connection both via a brake diode polarized in the direction of the vehicle engine and a series-connected braking resistor as well as via a polarity polarized in the direction of the vehicle motor, bridging the series connection of the brake diode and braking resistor in conductive state also with the other braking resistor thyristor Mains capacitor is connected and
- which is connected to a braking circuit which is formed by the free-wheeling diode, a series circuit comprising a braking resistor and a braking thyristor and arranged between the two poles of the line capacitor, and either the series circuit comprising a braking resistor and a braking diode or the braking resistor thyristor,
- - daß der Aussteuerungsgrad des Bremsthyristors über eine Führungsgröße für die Spannung am Netzkondensator ausgeregelt wird, die kennlinienmäßig in Abhängigkeit von der Drehzahl des Fahrzeugmotors vorgegeben ist und
- - daß die Pulsfrequenz der Zündsignale für den Gleichstromsteller- Hauptthyristor und für den Bremsthyristor kennlinienmäßig ebenfalls in Abhängigkeit von der Drehzahl des Fahrzeugmotors vorgegeben wird.
- - That the degree of modulation of the brake thyristor is corrected via a reference variable for the voltage at the line capacitor, which is specified in a characteristic curve as a function of the speed of the vehicle engine and
- - That the pulse frequency of the ignition signals for the dc main thyristor and for the brake thyristor characteristic is also specified depending on the speed of the vehicle engine.
- a) Der Mindestwert der Führungsgröße wird zumindest so groß gewählt, daß der Bremswiderstand die erforderliche Bremsleistung bei maximalem Aussteuerungsgrad des Bremsthyristors aufnehmen kann.
- b) Der Mindestwert der Führungsgröße wird so groß gewählt, daß die EMK-Kennlinie des Fahrzeugmotors unter der einstellbaren Gegenspannungskennlinie liegt.
- c) Der Mindestwert der Führungsgröße wird so groß gewählt, da sich die Kennlinienfelder beim Kurzschließen des Bremsvorwiderstands im Bremskreis überschneiden.
- a) The minimum value of the command variable is chosen at least so large that the braking resistor can absorb the required braking power with the maximum degree of modulation of the braking thyristor.
- b) The minimum value of the command variable is chosen so large that the EMF characteristic of the vehicle engine is below the adjustable counter-voltage characteristic.
- c) The minimum value of the command variable is chosen so large that the characteristic fields overlap when the braking resistor is short-circuited in the brake circuit.
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DE19883833377 DE3833377C1 (en) | 1988-09-28 | 1988-09-28 | Control method for reducing the power loss of the main thyristor of a D.C. chopper converter during the braking mode of a vehicle motor |
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DE (1) | DE3833377C1 (en) |
-
1988
- 1988-09-28 DE DE19883833377 patent/DE3833377C1/en not_active Expired
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
DE-Z.: "Elektrische Bahnen" 44 (1973) H.8, S.170-174 * |
DE-Z.: "Elektrische Bahnen" 85 (1987) H.10, S.336-339 * |
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