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Anordnung zur Speisung einer Gleichstrommaschine durch Stromrichter Es sind verschiedene Arten von Anordnungen zur Speistung von Gleichstrommaschinen durch Stromrichter bekanntgeworden. Wird an den Antrieb die Forderung gestellt, dass die Gleichstrommaschine sowohl Leistung abgeben als auch Leistung aufnehmen kann, und dlies mit einem kontinuierlichen Übergang zwischen den beiden Energierichtungen, so kommt von den möglichen Schaltungen zunächst eine Kreuzschaltung für den Anker- stromrichter bei konstant in einer Richtung erregtem Maschinenfeld in Frage. Diese Lösung ist mit einem grossen Aufwand verbunden.
Bekannt sind auch solche Antriebe, bei denen für den Ankerstrom nur ein Stromrichter vorgesehen ist. Da Stromriclhter mur in einer Richtung stromdurchlässig sind, so ist es in diesem Fall erforderlich, bei einer Umkehr der Drehrichtung oder beim Ü bergan g vonm Motorbetrieb zum Generatorbetrieb entweder den Ankerstromkreis umzuschalten oder das Erregerfeld der Maschine umzupolen.
Es ist ferner bekannt, für die umpolbare Felderregung der Maschine zwei gegensinnig parallel geschaltete Stromrichter (Kreuzschaltung) zu verwenden, von denen je nach der ,,ewünschten Richtung des Feldstromes entweder der eine oder der andere Stromrichter diesen Strom liefert.
Kennzeichnend für diese Anwendung der Kreuzschaltung bei den bisher bekannten An- ordnungen ist, dass zur Umkehrung des Feldstromes die Stromrichter plötzlich umgesteuert werden, dass aber im übrigen der Feldstrom - abgesehen von einer Feldschwächung bei hohen Drehzahlen - nicht. stetig geregelt wird. Die Zulässigkeit. der plötzlichen Feld- unipolung ist vom Betriebszustand im Ankerstromkreis abhängig. Die Umpolung wird dabei gewöhnlich durch ein polarisiertes Relais oder dergleichen bewirkt. Bei dieser Betriebsart ist ein kontinuierlicher Übergang vom Betrieb der Maschine als Motor zum Bremsen und beim Wechsel der Drehrichtung nicht möglich.
Erfindungsgemäss wird eine wesentliche und grundsätzliche Verbesserung solcher Anordnungen zur Speisung von Gleichstrommaschinen veränderlicher Drehzahl und Drehrichtung mit Stromrichtern für unv eränder- liehe Stromrichtung für den Ankerstrom und mit in Kreuzschaltung betriebenen Stromrichtern für wechselnde Stromrichtung für das Erregerfeld dadurch erzielt, dass die Stromrichter für den Ankerstrom und die Stromrichter für das Erregerfeld von getrennten, auf einem Vergleich zwischen Soll- und Istwert beruhenden Regeleinrichtungen gesteuert werden, deren Sollwerte von einer gemeinsainen Führungsgrösse abgeleitet sind, wobei Mittel vorgesehen sind, durch die der Feldstrom ein Abbild der Führungsgrösse nach Grösse und Richtung,
der Ankerstrom dagegen
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ein Abbild der Führungsgrösse nur nach ihrem Absolutwert ist.
Als Führungsgrösse kommt dabei vornehmlich eine Gleichspannung in Frage, deren Richtung durch ihr Vorzeichen bestimmt ist. Es ist aber auch möglich, z. B. eine Wechselspannung als Führungsgrösse zu verwenden, deren Richtung durch eine bestimmte Phasenlage definiert sein kann. Auch die Verwendung irgendeiner andern vektoriell darstellbaren Grösse beliebiger Art als Führungsgrösse ist denkbar.
Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgedankens sei zunächst auf die Fig.1 verwiesen, in welcher der Linienzug 1 den Verlauf des Ankerstromes und der Linienzug 2 den Feldstrom bzw. das Erregerfeld abhängig von der Führungsgrösse darstellt. Die Richtung der Führungsgrösse ist durch ein Plus- bzw. Minuszeichen angegeben.
Das Produkt aus Ankerstrom und Erregerfeld, das bekanntlich dem Drehmoment proportional ist, wechselt, wie aus der Darstellung hervorgeht, mit dem Vorzeichen der Führungsgrösse seine Richtung. Durch die gemeinsame Beeinflussung der Regelung des Ankerstromes und der Regelung des Erregerfeldes durch die Führungsgrösse gemäss der Erfindung ist das Produkt beider, also das Drehmoment der Maschine, in eindeutiger Weise von der Führungsgrösse abhängig.
Bei der dargestellten Abhängigkeit ergibt sich also eine Regelung des Drehmomentes nach Grösse und Richtung durch die Führungsgrösse.
Hat bei einer Zunahme der Führungsgrösse im positiven oder negativen Sinn das Erregerfeld seinen vollen, mit Rücksicht auf Drehzahl und Ankerspannung zulässigen Wert erreicht, so darf eine weitere Zunahme der Führungsgrösse keine Erhöhung des Feldstromes mehr bewirken. Die Kennlinie für den Feldstrom soll also von diesen Werten, die in der Fig. 1 mit P bzw. P' bezeichnet sind, horizontal verlaufen. Zweckmässig wird dies durch die Einfügung einer Strombegrenzungseinrich- tung bekannter Art in die Regeleinrichtung des Stromrichters für den Feldstrom erreicht. Der Ankerstrom kann bei weiterer Zunahme der Führungsgrösse noch weiter ansteigen, bis auf Werte, die mit Rücksicht auf die Belastbarkeit des Motors und des Stromrichters für den Ankerstrom zulässig sind.
Eine Überschreitung dieser Werte wird zweckmässig wiederum durch eine Strombegren- zungseinriehtung in den Regler des Stromrichters für den Ankerstrom verhindert.
Im allgemeinen wird man die beiden Regeleinrichtungen so aufeinander abstimmen, dass die Strombegrenzung für den Feldstrom bei einem solchen Wert der Führungsgrösse eingreift, bei dem der Ankerstrom seinen Nennwert erreicht hat. An diesem Punkt arbeitet der Motor also mit seinem vollen Nenm- drehmoment. Es kann aber auch zweckmässig sein, den Feldstrom steiler ansteigen zu lassen, so dass dieser den durch seine Strombegrenzung bestimmten Höclhstwert bereits erreicht, bevor der Ankerstrom auf seinem Nennwert angelangt ist, wie dies beispielsweise durelh die striehpunktierte Linie in Fig.l angedeutet ist.
Aueh der umgekehrte Fall, dass die Feldstronmbegrenzung erst ein- g@reift, wenn dernkeiatrom seinen Nennwert bereits überschritten hat, ist möglich. Da wie gesagt jedem Wert der Fülirungs\grösse ein bestimmtes, danaeli sieh einstellendes Drehmoment zugeordnet ist, so muss die Ankerspannung bzw. die Drehzahl des Motors unabhängig von der Führungsgrösse sein. Der Motor wird also stets mit einer solchen Drehzahl laufen, bei der er das durch die Führungsgrösse vorgegebene Drehmoment zu leisten hat.
Die Spannung des Stromrichters für den Ankerstrom stellt sieh dabei auf einen Wert ein, bei dem der diesem Drehmoment entsprechenden Strom fliesst, das heisst auf einen Wert, der etwas über bzw. unter der EMK des Motors liegt.
Sollen mit der erfindungsgemässen Anordnung andere Werte als das Drehmoment, z. B. die Motordrehzahl, geregelt werden, so 0,e- sehieht dies mit Hilfe einer Regelung, die der bisher beschriebenen übergeordnet wird. Hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen.
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Zunächst soll an Hand des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels die Erfindung grundsätzlich näher erläutert werden. In dieser Darstellung bedeutet 1 ein Drehstromnetz, aus dem über die Transformatoren 2 und 3 der Stromrichter 4 für den Ankerstrom und die Stromrichter 5 und 6 für den Feldstrom des Motors 7 gespeist werden.
An dem an einer Gleichspannung liegen- den, als Geber dienenden Widerstand 8 wird mit seinem Gleitkontakt eine positive oder negative Spannung abgegriffen, die für die rorgesehene Anordnung als Führungsgrösse dient. Das Richtelement 11 dient dazu, die Führungsgrösse in eine ihr der Grösse nach proportionale, jedoch der Richtung nach von ihr unabhängige Sollwertvorgabe für den l Re gler 9 des Stromrichters 4 umzuwandeln. Der in diesem Regler mit dem Sollwert zu vergleichende Istwert des Ankerstromes im Motor 7 wird durch einen Gleichstromwandler 10 bekannter Art gewonnen. Der Regler 9 regelt also einen von demn absoluten Betrag der jeweiligen Führungsgrösse abhängigen Ankerstrom ein.
Das Riehtelement 11 kann, wie dargestellt ist, aus in Brüickensclhaltung angeordneten elektrischen Ventilen bestehen. Statt dessen kann aber auch als Richtelement zum Beispiel ein Magnetverstärker dienen, bei dem die Ausgangsgrösse unabhängig von der Richtung der Eingangsgrösse ist.
Der Gleichstromwandler 10 dient gleichzeitig zur Speisung einer Strombegrenzungseinrichtung bekannter Art, durch die ein Ansteigen des Ankerstromes des Motors auf unzulässig hohe Werte verhindert wird.
Der Regler 12 der Stromrichter 5 und 6 wird im Beispiel die Führungsgrösse unmittelbar nach Grösse und Richtung als Sollwertvorgabe zugeleitet. Der mit dem Sollwert zu vergleichende Istwert wird wiederum durch einen Gleichstromwandler gewonnen, der mit 13 bezeichnet ist..
Der Regler 12 regelt also einen Feldstrom ein, der ein Abbild der Führungsgrösse nach Grösse und Richtung ist. Der Gleichstromwandler 13 dient auch hier gleichzeitig zur Speisung der Begrenzungseinrichtung für den Feldstrom.
Die beschriebene Regelanordnung gestattet einen vollkommen kontinuierlichen Übergang von der einen Drehrichtung zur andern sowie vom Motor- zum Generatorbetrieb, und zwar - was für die Betriebssicherheit der Anlage sehr wesentlich ist - ohne die Verwendung irgendwelcher Relais oder Schaltkontakte.
Eine stetige Änderung des Feldstromes, abhängig von der Führungsgrösse, wäre auch zu erreichen, wenn die Führungsgrösse nicht als Sollwertvorgabe für eine Regelung, sondern zur unmittelbaren Verstellung der Steuerimpulse des Stromrichters für den Feldstrom verwendet würde. Dabei würde sich jedoch infolge der magnetischen Trägheit des Erregerfeldes eine erhebliche Verzögerung in der Auswirkung eines Steuerbefehls ergeben.
Dadurch, dass auch für den Feldstromrich- ter erfindungsgemäss eine auf Vergleich von Soll- und Istwert beruhende Regelung vorgesehen ist, lässt sich in Verbindung mit. einer spannungsmässigen Überbemessung der Stromrichter eine sehr schnelle Änderung des Feldstromes erzielen, Bei einer Änderung des Stromsollwertes gegenüber dem Istwert stellt dieser Regler zunächst eine sehr starke Spannungsänderung im Sinne einer Wiederherstellung der Gleichheit beider Werte ein, so dass die magnetische Trägheit der Feldwicklung schnell überwunden wird (Stosserregung).
Dadurch, dass bei einer Veränderung der Führungsgrösse gleichzeitig mit der Regelung des Feldstromes auch die Regelung des Ankerstromes einsetzt, folgt. der Betriebszustand des Motors mit der grösstmöglichen Schnelligkeit den Änderungen der Führungsgrösse.
Um auch bei plötzlichen, sehr starken Ver- änderungen der Führungsgrösse, z. B. bei einer plötzlichen Umsteuerung von Rechtslauf mit höchstem Drehmoment in den Linkslauf mit höchstem Drehmoment, eine auch nur kurzzeitige Überschreitung des zulässigen Ankerstromes zu vermeiden, ist es wesentlich, Regeleinrichtungen zu verwenden, bei denen die Verstellung der Steuerimpulse praktisch trägheitslos den entsprechenden Steuerbefehlen
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folgt. Derartige Einrichtungen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt und vorgeschlagen worden. Sie benutzen zum Beispiel die bekannte Technik der Elektronik und Magnetik bzw. eine Kombination beider.
Je nach der Energiequelle, die für die Bildung der Führungsgrösse zur Verfügung steht, kann es zweckmässig sein, die Führungsgrösse vor Ableitung der Reglersollwerte aus ihr über einen Verstärker beliebiger Art zu leiten. Dies kann besonders dann wertvoll sein, wenn die Führungsgrösse selbst - wie im folgenden näher beschrieben wird -- die Differenz zwischen Ist- und Sollwert einer übergeordneten Regeleinrichtung ist. In diesem Fall bewirkt die Verstärkung eine Verkleinerung der Regelstatik, die dadurch entsteht, dass zur Erzielung eines bestimmten Drehmomentes die Führungsgrösse, also die Differenz zwischen Soll- und Istwert der übergeordneten Regelung, einen entsprechenden Wert haben muss. Durch genügend hohe Verstärkung kann eine nahezu astatiselhe Kennlinie der übergeordneten Regelung erzielt werden.
In der Fig. 3 ist ein Beispiel einer solchen übergeordneten Regelung dargestellt, und zwar für den Fall einer Drelizalilreehuig. g Die Bezugszeichen l-13 sind darin die gleichen wie in der Fig. 2.
Zusätzlich ist ein drehzahlabhängiges Organ (Tachometerdynamo) 14 vorgesehen, dessen Spannung als Istwert der am Widerstand 8 abgegriffenen Sollwertspannung entgegengeschaltet ist. Die Differenz beider Spannungen wird nach Verstärkung durch einen Verstärker 15 dem Regler 9 über das Richtele- ment 17 und dem Regler 12 unmittelbar als Führungsgrösse zugeleitet.
Je nach der am Widerstand S abgegrif- f enen Spannung stellen die Regler 9 und 12, eine solche Drehzahl ein, bei der die Führungsgrösse dem bei dieser Drehzahl zu leistenden Drehmoment entspricht. Durch eine entsprechende Verstärkung der erwähnten Differenzspannung im Verstärker 15 kann dabei erreicht werden, dass sieh bereits bei sehr kleinen Werten der Differenzspannung ein genügend hoher Wert dler Führungsgrösse ergibt, so dass die von dem Regler eingestellte Motordrehzahl nahezu unabhängig von dem dabei zu leistenden Last- oder Bremsmoment ist.
Jeder am Widerstand S abgegriffenen Spannung entspricht also nach Grösse und Richtung eine bestimmte Motordrehzahl, die sieh bei ,jeder Veränderung der abgegriffenen Spannung auf schnellstem Wege einstellt.
Bei jeder so erzielten Drehzahlregelung können die Drehzahlen bzw. Drehzahländerungen in beliebiger Weise, z. B. nach einem vorgegebenen Programm, von Hland oder selbsttätig mit Hilfedes Widerstandes 8 eingestellt werden.
An Stelle des Regelwiderstandes 8 kann natürlich auch irgendeine andere veränder- liclhe Spannungsquelle dienen, deren Spannteng nach Grösse und Richtung als Sollwertvorgabe dient.
In sinngemäss gleicher Weise kann auch eine. Leistungsregelung erzielt werden. Als Istwert der übergeordneten Regelung kann dabei eine durch eine geeignete Mlesseinrichtung gebildete Spannung dienen, die dem Produkt i aus Ankerstrom und Ankerspannung bzw. Anker-EMK des Motors proportional ist und mit einer Sollwertspannung verglichen wird.
Zur Bildung einer dem erwähnten Produkt proportionalen Spannung können zum Beispiel zwei Magnetverstärker dienen, deren Steuerwieklungen mit je einer der als Produkt darzustellenden elektrischen (-Trölen erregt werden, wobei die Ausgangswechselspannung des einen als Speisespannung des andern 11Ia- gnetreglers dient. Durch geeignete Abstim- mung der Ver;stärkerkennlinien lässt sieh dann erreichen, dass die Ausgangsspannung des zweiten Reglers dem Produkt der beiden Eingangsgrössen proportional ist.
Auch andere Vorrichtungen, z. B. Wälz- sektorregler mit wattmetrischem Antriebs- systein können zur Abbildung des Produktes zweier elektrischer (;,rössen zu dem voi-liegeri- den Zweck verwendet werden.
Schliesslich kann in derselben Weise auch eine Drehmomentregelung erzielt werden, wenn als Istwert der übergeordneten Regelung
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eine dem Produkt aus Ankerstrom und Feldstrom proportionale Spannung dient, die mit einer entsprechenden Sollwertspannung verglichen wird. Die Istwertspannung kann in sinngemäss der gleichen Weise gebildet werden, wie bei der Leistungsregelung beschrieben ist.
Sowohl bei der Leistungsreglung wie bei der Drehmomentregelung können die vorgegebenen Werte ebenso wie bei der Drehzahlregelung in beliebiger Weise nach einem Programm geändert werden.
Die beschriebene Art der Drehmomentregelung bietet den besonderen Vorteil, dass ausser dem Produkt aus Ankerstrom und Feldstrom auch noch irgendwelche andern Grössen für das einzuregelnde Motordrehmoment massgebend gemacht werden können.
Ausser den beschriebenen Regelungen lässt sieh im Rahmen der Erfindung nach dem dargestellten Prinzip mit Hilfe einer übergeordneten Regelung, welche die Führungsgrösse für je eine vollständige, auf dem Vergleich zwischen Soll- und Istwert beruhende Regeleinrichtung für den Anker- und Feldstrom bildet, jede beliebige andere Regelung in ein- faelier und vollkommener Weise verwirklichen.