Anordnung zur elektrischen Steuerung und Regelung eines in beiden Stromrichtungen zu betreibenden Gleichstromverbrauchers
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Steuerung und Regelung eines in beiden Stromrichtungen zu betreibenden Gleichstromverbrauchers, der über eine kreisstrombehaftete Zweistromrichter Umkehrschaltung an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist. Zur Speisung von Umkehrantrieben mit häufigem und schnellem Wechsel der Drehrichtung kommen vorzugsweise Stromrichter in Umkehrschaltung in Frage.
Umkehrschaltungen als Kreuz- oder Gegenparallelschal- tungen können kreisstromfrei oder kreisstrombehaftet ausgeführt wenden. Beim kreisstrombehafteten Betrieb sind zu jedem Zeitpunkt beide Stromrichter auf die Spannung der Maschine ausgesbeuert, so ,dass sie in ständiger Bereitschaft stehen, den Laststrom unverzüglich zu übernehmen. Ausserdem stellt der Kreisstrom eine Grundbelastung dar, die verhindert, dass die Stromrichter im Lückbetrieb arbeiten. Dadurch wird einerseits ein geradliniger Übergang der Gleich- und Wechselrichterkennlinien erreicht und anderseits die hohe Verstärkung des Stromrichters auch bei sehr kleinem Laststrom beibehalten.
In Fig. 1 ist die Schaltung einer bekannten, kreisstrombehafteten Zweistrornrichter-Umkehrschaltung !dargestellt. Fig. 2 zeigt die zugehörige Regelung.
Die Stromrichtergruppen 1 und 2, im Beispiel Thyristoren in Drehstrombrückenschaltung, werden über nicht dargestellte Transformatorwicklungen von einem Drehstromnetz gespeist. Die Drosseln 4 und 5 begrenzen die Welligkeit des Motorstromes, die Höhe des Kreisstromes und im Störungsfall die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes. Die über Stromwandler 6 und 7 in den Drehstromzuleitungen zu den Stromrichtern 1 und 2 erfassten Ströme werden über Zwischenwandler 8 und 9 umgewandelt, gleichgerichtet und an Widerständen in Spannungen umgeformt. Diese Spannungen Uj und U2 sind den Strömen Ig und I, der Stromrichter 1 und 2 proportional. Anstelle des Motors 3 kann auch ein anderer Verbraucher angeschlossen sein.
Mit 10 ist die gesondert herausgezeichnete Induktivität des Motors 3 bezeichnet.
In Fig. 2 ist die Regelung für die in Fig. 1 gezeigte Anordnung dargestellt. Da die Regelung des Kreisstromes üblicherweise in einem unterlagerten Stromregelkreis erfolgt, wurde mit 11 der Verstärker eines übergeordneten Regelkreises, z. B. eines Drehzahlregelkreises, bezeichnet. Diesem Verstärker werden zwei, vorzugsweise P-I beschaltete Stromregler 12 und 13 nachgeschaltet, die ihre Führungsgrössen von dem ubergeord- neten Verstärker 11 erhalten. Die Führungsgrössen für die Stromregler haben nur ein Vorzeichen, da der Strom einer Stromrichtergruppe auch nur ein Vorzeichen haben kann. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 11 kann beide Vorzeichen annehmen. Deshalb sind Dioden 14 und 15 vorgesehen, um zu verhindern, Idass beide Vorzeichen am Eingang der Stromregler erscheinen.
Bei einem negativen Ausgangssignal wird der Verstärker 12 angesteuert, bei einem positiven Signal der Verstärker 13, der seinerseits auch ein negatives Eingangssignal erhält, Idas der Umkehrverstärker 19 abgibt. Da bei einer Ausgangsspannung Null des Verstärkers 11 ein Kreisstrom fliessen soll, werden die Verstärker 12 und 13 über ein Potentiometer 16 und die Vorwiderstände 17 und 18 so weit aufgesteuert, bis ein Kreisstrom gewünschter Höhe fliesst. Die beiden Stromrichterströme werden als Spannungen Ut und U2 abgebildet und den zugehörigen Stromreglern 12 und 13 als Strom-Istwerte aufgeschaltet.
Der entscheidende Nachteil Idieser Art der Kreisstromregelung ist, dass die Stromrichterventile zusätzlich zum statischen Kreisstrom noch mit einem Idynamischen Kreisstrom belastet werden, Ider in dem Moment auftritt, in dem die Aussteuerung Ides Stromrichters, der gerade den Motorstrom führt, in Richtung zunehmender Gleichrichterspannung vergrössert wird. Das Auftreten des !dynamischen Kreis stromes ist darauf zurückzuführen, dass Ider Kreis strom über einen PI-Regler, der naturgemäss nicht beliebig schnell sein kann, geregelt wird.
Beim Auftreten von Störgrössen in der Kreisstrom-Regelstrecke kann der Kreisstrom nur relativ langsam nachgeregelt werden, so Idass er vorübergehend sogar die
Höhe des Nennstromes Ider Anlage erreichen kann.
Anhand der Fig. 1 seien diese Vorgänge erläutert.
Die Stromrichtergruppe 1 treibe den Motor 3 an, so dass die Leitungen b und c im Hinblick auf den Bezugspunkt a ein negatives Potential erhalten. Die Stromrichtergruppe 2 soll voraussetzungsgemäss Kreisstrom füh ren; der Mittelwert ,der. Spannung an ihr ist etwa gleich dem des Stromrichters 1 und Ides Motors 3. An den In duktivitäten 4, 5 und 10 liegt nur eine Wechselspannung.
Wird Stromrichter 1 nun schlagartig weiter aufgesteuert, z. B. Idurch einen Drehzahlsollwert-Sprung, Idann wird der Spannungssprung am Stromrichter 1 zunächst vorwiegend auf die Induktivitäten 4 und 10 aufgeteilt. Der Punkt c wird negativ gegenüber Punkt d. Die Spannung am idealisierten Motor 3 bleibt zunächst konstant. Die Spannung des Stromrichters 2 verändert sich Idabei zunächst nicht. Der Spannungs sprung an der Induktivität
10 lässt den Kreisstrom ansteigen, dessen Steilheit vorwiegend durch die Drossel 5 bestimmt wird. Erst durch das Ansteigen des Kreisstrom-Istwertes wird die Stromrichtergruppe 2 zurückgesteuert. Dieser dynamische Kreisstrom ist bei dieser Art des Regleraufbaues unvermeidbar.
Er ist besonders störend bei Antrieben mit häufiger Momentenunikelir, z.B. bei Anstellungen. Eine Möglichkeit, den dynamischen Kreisstrom wenigstens teilweise zu beherrschen, besteht darin, dass man dem Verstärker, der Iden Kreisstrom l(passiver Kreis) regelt, ein Signal aufschaltet, das der Anderungsgeschwindigkeit des aktiven Stromes proportional ist. Der Nachteil bei dieser Art der Aufschaltung ist -aber, dass ein RC-Glied benötigt wird, adas in seinen Daten vorwiegend Idurch die Daten des Starkstromkreises bestimmt wird, also eine bestimmte Zeitkonstante besitzen muss.
Bei häufigem Momentenwechsel treten mit der Umiadung des Kondensators aber Schwierigkeiten auf, weil der Kondensator nach jedem Lastspiel wieder entladen wenden muss, um bei einem erneuten Stromstoss wieder bereit zu sein.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Anordnung der beschriebenen Art zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht mehr aufweist. Demzufolge betrifft die Erfindung eine Anordnung zur elektrischen Steuerung und Regelung eines in beiden ,Stromrichtungen zu betreibenden Gleichstromverbrauchers, der über eine kreisstrombehaftete Zweistromrichter-Umkehrschaltung an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass für beide Stromrichter nur ein gemeinsamer Stromregler vorgesehen ist, der den aus der Differenz der beiden Stromrichterströme bestehenden Verbraucherstrom regelt, und dass der Stromreglerausgang mit zwei Verstärkeranordnungen mit einstellbarem Arbeitspunkt verbunden ist, die die Impulssteuergeräte der beiden Stromrichter in entgegengesetztem Sinn aussteuern.
Anhand eines in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung erläutert.
Der zugehörige Starkstromkreis entspricht dem der Fig. 1. Das Ausgangssignal eines übergeordneten Regelverstärkers 11 bildet die Führungsgrössen für den Laststrom. Als Stromregler ist für beide Stromrichter 1 und 2 nur ein gemeinsamer Regler 20 vorgesehen, dessen Eingang die vom Regler 11 gelieferte Führungsgrösse und die beiden Gruppenströme (U1, U2) mit entgegen- gesetztem Vorzeichen aufgeschaltet werden, so dass der Motorstrom Ia I2 geregelt wird. Der Motorstrom wird indirekt richtungsgetreu gemessen, ohne Idass ein Messglied vorhanden ist, das richtungsgetreu messen kann. Dem Stromregler 20 werden zwei Verstärker 21 und 22 nachgeschaltet, die vorzugsweise die Verstärkung -1 und kl 1 besitzen. Der Verstärker 21 erhält durch eine Gegenkopplung Idie Verstärkung -1.
Der Verstärker 22 kann aus zwei Verstärkern mit der Verstärkung -1 aufgebaut werden. Eine Verstärkung +1 lässt sich aber auch Idurch einfachere Glieder realisieren, z.B.
durch einen Differenaverstärker mit zwei antivalenten Ausgängen. Wesentlich ist, dass fdie Verstärker 21 und 22 kein störendes Zeitverhalten besitzen. Das Ausgangssignal des Stromreglers 20 wird über die Verstärker 21 und 22 in zwei antivalente, aber im Betrag gleiche Signale auf Idie nachfolgenden Impuls steuergeräte 27 und 28 übertragen, so dass ;bei einer Vorverlegung der Zündimpulse für inden Stromrichter 1 unverzüglich die Zündimpulse für den Stromrichter 2 zurückgesteuert werden.
Damit lassen sich zu jedem Zeitpunkt Zdie Beträge der Mittelwerte wider Stromrichterspannungen gleich gross halten. Durch die Potentiometer 23 und 24 lassen sich die Arbeitspunkte der Verstärker 21 und 22 so einstellen, dass bei der Ausgangsspannung Null des Stromreglers 20 die beiden Stromrichter 1 und 2 nahezu lückenlosen Kreisstrom führen. Ein völlig lückenloser Kreisstrom lässt sich zunächst nicht ohne weiteres einstellen, da verschiedene Störeinflüsse vorhanden sind.
Der Betrag der Verstärkung Ider Verstärker 21 und 22 ist im allgemeinen nicht völlig gleich (statisch und temperaturmässig), die Anschnittsteuergeräte 27 und 28 sind in ihren Kennlinien im lallgemeinen ebenfalls nicht völlig gleich, und die Stromrichter 1 und 2 haben nicht absolut gleiche Daten. Diese - meistens geringen - Störgrössen lassen sich leicht Idurch eine zusätzliche Massnahme in ihren Auswirkungen beherrschen. Es wird davon ausgegangen, dass die Ausgangsspannung des übergeordneten Reglers 11 Null ist, Id. h. dass Ider Motorstrom 1M Null sein soll. Die dem Stromistwert It bzw. I2 proportionalen Spannungen U, und U2 müssen also im Betrag gleich gross sein.
Diese Spannungen werden über die Widerstände 25 und 26 auf den Eingang der Verstärker 21 und 22 geschaltet, und zwar so, dass der Stromistwert des einen Stromrichters dem fremden Stromrichter in gegenkoppelndem Sinne aufgeschaltet wird. Da voraus setzun gsgemäss die Stromrichterströme gleich gross sind (geregelt durch Iden Stromregler 20), winkt ,diese Aufschaltung wie eine Aufschaltung des Kreisstromes.
Durch die kreuzweise Aufschaltung der Ströme wird gleichzeitig erreicht, dass beim Ansteigen eines Stromes, z. B. durch einen Laststoss, die Zündimpulse Ides nicht aktiven Stromrichters zusätzlich - und zwar proportional dem Laststrom - zurückgesteuert werden. Der Kreisstrom wird dabei nahezu Null. Durch diese Massnahme wird erreicht, dass der Kreis strom gegen Null geht, wenn der Strom des aktiven Stromrichters ansteigt. Mit dem Abklingen ,des Stromes des aktiven Stromrichters wird der Kreisstrom jedoch wieder unverzüglich gebildet, so dass die Stromübernahme durch den anderen Stromrichter ohne Verzögerung erfolgen kann. Mit Hilfe der Potentiometer 23 und 24 lässt sich die Höhe des Kreis stromes einstellen. Sie können auch zu einem Potentiometer zusarnmengefasst werden.
Wesentlich ist nur, dass die Verstärker 21 und 22 antivalent angesteuert werden.
Die Regelstrecke besteht im wesentlichen aus den beiden Stromrichtern 1 und 2 und den Drosseln 4 und 5. Damit wird die Dimensionierung Ider Widerstände 25 und 26, vorzugsweise ohmsche Widerstände, besonders durch die grosse Zeitkonstante Ider Drosseln und die Totzeit der Stromrichter bestimmt. Zu berücksichtigen sind natürlich auch noch die kleinen Zeitkonstanten, die vorwiegend durch die Glättung entstehen. Die kreuzweise Aufschaltung der Stromrichterströme kann um so stärker erfolgen, d. h. idie Widerstände 25 und 26 können um so niederohmiger sein, je ogrösser der Quotient aus grosser Zeitkonstante und wider Summe Ider kleinen Zeitkonstanten ist.
Bei der üblichen Auslegung der Regelstrecke ist dieser Quotient so gross und damit die Aufschaltung so wirksam, dass bei einem Motorstrom Null wider Kreis strom annähernd konstant gehalten wird und bei einem Ansteigen ,des Stromes des einen Stromrichters der Kreis strom gegen Null geht.
Wie aus Iden Fig. 2 und 3 hervorgeht, ist der Aufwand für die Anordnung gemäss der Erfindung nicht grösser als der für die bisher üblichen Anordnungen. Die Beschaltung des Stromreglers wird nur einmal benötigt, während sie früher zweimal vorhanden war. Der Aufwand für den Verstärker 22 muss nicht grösser sein als der für einen einfachen Verstärker.