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Einrichtung zur Umsteuerung der Drehrichtung eines über Stromrichter
in Eingefäßschaltung gespeisten Gleichstrommotors Das Hauptpatent 971381 betrifft
eine Einrichtung zur Umsteuerung der Drehrichtung eines über Stromrichter in Eingefäßschaltung
gespeisten Gleichstrommotors mit selbsttätiger Ankerumschaltung. Dabei wird ein
Regler verwendet, der den durch die Ankerspannung gegebenen Istwert der Drehzahl
mit einem von Hand einstellbaren Sollwert vergleicht und den Ankerstrom begrenzt.
Zum Zwecke der stromlosen Umschaltung des Ankerstromkreises wird die Regelabweichung
des Reglers zur stetigen elektrischen Verstellung der Gittersteuerung des Stromrichters
vom Gleichrichterbetrieb in den Wechselrichterbetrieb benutzt, wobei die Umschaltung
des Polwenders im Ankerkreis immer dann erfolgt, wenn die die Gittersteuerung einstellende
und von der Regelabweichung abhängige Steuergröße einen Grenzwert in Richtung auf
die Wechselrichteraussteuerung über- bzw. unterschreitet.
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Bei derartigen Umschaltungen besteht nun die Bedingung, daß in jedem
Falle die eingestellte Wechselrichtergegenspannung im Umschaltaugenblick größer
sein muß als die Ankergleichspannung des Motors. Es ist daher in der Zusatzpatentanmeldung
L 17368 VIII b/ 21 c angegeben worden, daß mindestens in Abhängig-]zeit vom einzuleitenden
Bremsbetrieb eine vorgesehene Ankerspannungsbegrenzung im Sinne einer Entregung
der Maschine, vor der Ankerumschaltung, umgeschaltet wird.
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Eine starke und schnelle Entregung des Gleichstrommotors ist jedoch
aus Kommutierungsgründen unzweckmäßig. Gemäß vorliegender Erfindung sind daher Mittel
vorgesehen, die im Umschaltaugenblick des Polwenders die Entregung des Motors begrenzen.
Dabei wird dann zweckmäßig derart vorgegangen, daß bei beginnendem Wechselrichterbetrieb
der Löschwinkel unter Verzicht auf eine konstante Ankerspannung weitgehend konstant
ist, so daß ein stabiler Betrieb gewährleistet wird.
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Ein weiterer Teil der nachstehend beschriebenen Vorschläge befaßt
sich mit der Aufgabe, eine kontaktlose Veränderung des Sollwertes der Ankerspannungsbegrenzungseinrichtung
im Umschaltaugenblick des Polwenders vorzunehmen.
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Zur weiteren Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen die Figuren.
In Fig. 1 ist das Schaltbild eines Umkehrantriebes in Eingefäßschaltung unter Verwendung
eines Ankerspannungs- und eines Feldreglers dargestellt; Fig.2 enthält Steuerkennlinien
des Ankerstromrichters sowie die Begrenzungskennlinien für die Ankerspannung und
dient zur Erläuterung der Wirkungskungsweise der Erfindung.
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Zunächst wird nachstehend die Wirkungsweise der Ankerselbstumschaltung
mit Hilfe des Teiles der Fig. 1 erläutert, der im wesentlichen den Ankerstromrichter
2 mit den zugehörigen Steuer- und Regeleinrichtungen enthält.
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Der Anker 1 eines fremderregten Gleichstromnebenschlußmotors wird
von dem gittergesteuerten Ankerstromrichter 2 über den Polwender 3 gespeist.
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Zwecks Einsparung einer besonderen Drehzahlmeßeinrichtung wird die
Regelabweichung dadurch ermittelt, daß die Ankerspannung mit der Spannung des von
Hand einstellbaren, in Form eines Spannungsteilers ausgebildeten Drehzahl-Sollwertgebers
4 verglichen wird. Dieser S_ollwertgeber liegt an einer gegebenenfalls stabilisierten
Gleichspannung 5. Es ist aber natürlich auch möglich, den Drehzahl-Istwert für den
Soll-Ist-Wertvergleich von einer besonderen, mit dem Gleichstrommotor 1 gekuppelten
Tachometermaschine zu entnehmen. Um die Umkehr der Sollspannungsrichtung für Links-
und Rechtslauf des Motors 1 zu ermöglichen, ist der Sollwertgeber 4 mit einer festen
Mittelanzapfung versehen. Die Differenz aus Soll- und Istspannung wirkt über die
Widerstände 6 und 7 auf das Gitter der Elektronenröhre 8, die mit Hilfe der Gittersteuervorrichtung
9 den Stromrichter2 so beeinflußt, daß bei einer Verminderung des Anodenstromes
i" der Elektronenröhre 8 durch Vergrößerung ihrer negativen Gitterspannung die ausgesteuerte
Gleichspannung des Stromrichters 2 ebenfalls verringert wird und eine Umsteuerung
in den Wechselrichterbetrieb erfolgt. Dem Strom i,, der Elektronenröhre 8 ist also
eine eindeutige Stromrichterspannung zugeordnet.
Bei i" = 0 ergibt
sich die größte mögliche Wechselrichtergegenspannung. Der Stellbereich der Gittersteuervorrichtung
9 muß daher genügend groß sein, etwa 150 elektrische Grade. Zur Arbeitspunkteinstellung
ist die zusätzliche Vorspannungsquelle 28 für den Gitterstromkreis der Elektronenröhre
8 vorgesehen.
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Die Umschaltung des Polwenders 3 muß immer im stromlosen Zustand erfolgen.
Dies ist dann gewährleistet, wenn der Stromrichter 2 genügend weit in den Wechselrichterbetrieb
umgesteuert ist und erfolgt durch das gepolte Unterstromrelais 10, dessen Wicklung
a2 an der Gleichspannung 11 liegt und den Relaiskontakt Z einschaltet, wenn der
Strom i" in der Wicklung b2 einen bestimmten Wert unterschreitet. Das Schrittschaltwerk
12, das auch durch eine Relaiskippanordnung ersetzt werden kann, wird dann um eine
Stufe weitergeschaltet und schaltet dabei den Polwender 3 in die Stellung a1 öder
bi um. Es erfolgt also jedesmal, wenn der Strom i" einen bestimmten Wert unterschreitet,
eine Ankerumschaltung, und zwar entweder vom Gleichrichterbetrieb in den Wechselrichterbetrieb
oder umgekehrt.
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Um in jedem Falle bei der Ankerumschaltung die Verlegung des Zündzeitpunktes
des Stromrichters 2 in den Bereich der größten Wechselrichtergegenspannung zu erzwingen,
ist noch ein Kontakt 13 vorgesehen, der sich bei jeder Betätigung des Polwenders
3 kurzzeitig öffnet. Um kurze Reversierzeiten und schnelle Drehzahländerungen zu
ermöglichen., ohne laben den zulässigen Anker- und Gefäßstrom zu überschreiten,
ist eine Strombegrenzungseinrichtung vorgesehen, die aus einem Gleichstromwandler
14 (oder auch einem Wechselstromwandler im Primärstromkreis des Stromrichtertransformators),
den Trockengleichrichtern 15, dem Bürdenwiderstand 16, dem Ventil 17 und der Stromsollwertspannung
18, die gleich groß wie die Hilfsgleichspannung 11 ist, besteht. Überschreitet die
dem Ankerstrom proportionale Spannung am Widerstand 16 den Wert der Spannung 18,
so greift die Ankerstrombegrenzung im Sinne einer Verminderung der Stromrichterspannung
ein, indem insbesondere am Widerstand 6 ein Spannungsabfall auftritt, der in Richtung
der Sperrung der Regelröhre 8 und damit der zeitlichen Zurückverlegung der Stromrichterzündimpulse
wirkt. Der Maschinist kann also den Drehzahl-Sollwertgeber 4 ganz beliebig schnell
verstellen, ohne den Stromrichter oder den Motor zu überlasten.
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Um das Relais 10 bei kleinstem Strom i,, umzuschalten und seine Wicklung
b2 gegen thermische Überlastung zu schützen, ist der Trockengleichrichter 19 an
den Abgriff des Widerstandes 20 gelegt. Hiermit erfolgt eine Begrenzung des Spannungsabfalles
un dieser Wicklung b2.
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Die Ankerumschaltung soll beispielsweise von der dargestellten Stellung
a1 des Polwenders 3 ausgehen. Der Abgriff des Drehzahl-Sollwertgebers 4 befindet
sich zunächst in Nullstellung; wobei der Steuerstrom i" etwas unterhalb seines halben
Maximalwertes liegt, einem Wert, der der Stromrichterspannung 0 entspricht. Wird
nun der Abgriff des Sollwertgebers 4 aus seiner bisherigen Stellung in Richtung
auf positive Sollwerte verschoben, so ergibt sich im Gitterstromkreis der Elektronenröhreö
ein negativer Potential--überschuß. Der Strom i" wird Null, und es erfolgt eine
Umschaltung des Polwenders 3. Gleichzeitig mit dem Umpolen der Ankerwicklung wird
auch die Differenzspannung zwischen Soll- und Istwert umgepolt; denn vor dem Umpolen
liegt die eine Ankerklemme über einen a-Kontakt an der Kathode der Elektronenröhre
8 und nach dem Umpolen über einen b-Kontakt an deren Gitter. Daher steigt dann der
Strom i" bzw. die Stromrichterspannung wieder an. Der Motor wird unter Aufnahme
eines Ankerstromes, dessen Höhe durch die Stromsollwertspannung 18 bestimmt ist,
in der gewünschten Richtung beschleunigt, bis schließlich die Ankerspannung gleich
der Drehzahl-Sollwertspannung ist und keine weitere Beschleunigung erfolgt. Wird
nun zum Zwecke einer Drehrichtungsumkehr oder Verminderung der Drehzahl der Abgriff
des Sollwertgebers 4 in entgegengesetzter Richtung bewegt, so wird zunächst, da
sich der Polwender noch in der Stellung bi befindet, die Elektronenröhre 8 wieder
gesperrt und hierdurch eine Umschaltung verursacht. Der Stromrichter 2 ist jetzt
als Wechselrichter ausgesteuert und bremst den Motor mit dem eingestellten Ankerstrom
ab. Sobald die Istspannung, d. h. die tatsächliche Ankerspannung, kleiner wird als
die Sollspannung des Sollwertgebers 4, wird i,, vermindert, bis schließlich wieder
eine Umschaltung auf Gleichrichterbetrieb erfolgt und der Motor auf der neuen Solldrehzahl
gehalten wird. Ist derAbgriff des Sollwertgebers 4 über den Nullpunkt hinaus in
Richtung auf negative Sollwerte gebracht worden, so erfolgt keine Umschaltung. Der
Stromrichter geht allmählich aus der Wechsel- in die Gleichrichteraussteuerung über,
wobei sich die Drehrichtung umkehrt. Wird aus dieser Lage in entgegengesetzter Richtung
umgesteuert, so ergibt sich in gleicher Weise die Umschaltbedingung, wobei anschließend
wieder eine Abbremsung erfolgt.
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Die vorstehenden Ausführungen bezogen sich lediglich auf den Fall,
daß eine Drehzahl- und Drehrichtungssteuerung bei vollem Feld des Gleichstromnebenschlußmotors
1 im Grunddrehzahibereich vorgenommen wurde. Wird dagegen zur Erzielung noch höherer
Drehzahlen auch eine Feldschwächung vorgenommen, so ist es insbesondere bei größeren
Antrieben zweckmäßig, auch den Erregerstromkreis mit einer eigenen Regelvorrichtung
zu versehen. Dabei ist für die Regelung des Erregerstromes ein weiterer Sollwertgeber
33 vorgesehen, dessen Abgriff auf höhere Drehzahlsollwerteverstelltwird,wenn dieAnkerspannungdes
Motors nahezu ihren vollen Wert erreicht hat. Zur Ermöglichung dieser Maßnahme sind
verschiedene Anordnungen bekannt, die eine Feldschwächung im Bereich zwischen Stillstand
und etwa Grunddrehzahl verhindern. Über diese Schaltungen werden daher keine näheren
Ausführungen gemacht, sondern es wird lediglich angenommen, daß die Verstellung
des Abgriffes am Sollwertgeber 33 für den Erregerstromsollwert erst dann erfolgt,
wenn die Ankerspannung nahezu ihren vollen Wert erreicht hat. Die Regelung des Erregerstromes
geht derart vor sich, daß der Erregerstromistwert mit dem eingestellten Sollwert
verglichen wird, die bestehende Regelabweichung einem elektronischen Verstärker
zugeführt wird, der seinerseits wiederum das Gittersteuergerät 40 eines die Erregerwicklung
30 des Motors speisenden Stromrichters 31 aussteuert. Zur Bildung des Erregerstromistwertes
ist der ohmsche Widerstand 32 vorgesehen, der in Reihe mit der Erregerwicklung 30
liegt.. Der Istwert wird mit dem an dem Sollwertgeber 33 abgegriffenen Erregerstromsollwert
verglichen. Der Sollwertgeber 33 liegt über den Vorwiderstand 35 an einer festen
Gleichspannung 34, wobei der Widerstand 35 unter anderem dazu dient, einen Mindesterregerstrom
zu gewährleisten, d. h. also, eine unzulässige Feldschwächung zu verhindern. In
der Fig. 1 sind die beiden Grenzwerte für die Erregerstromvorgabe mit
sto
- entsprechend der Grunddrehzahl - und n.a, - entsprechend der maximalen
Feldschwächdrehzahl - bezeichnet. Die sich ergebende Regelabweichung als Differenz
zwischen Erregerstromsollwert und Erregerstromistwert wirkt über den Trennwiderstand
54 und den Schutzwiderstand 36 auf das Gitter der Regelröhre 37 ein. Zur Einstellung
des Arbeitspunktes dient die feste Vorspannung 38, als Anodenspannung die feste
Gleichspannung 39. Die Regelröhre 37 speist den beispielsweise eine Steuerwicklung
einer Phasenschwenkdrossel enthaltenden Eingangsstromkreis des Gittersteuergerätes
40. Über den Stromrichter 31, der aus dem Drehstromnetz über einen Transformator
gespeist wird, und der den Erregerstrom für die Motorerregerwicklung 30 liefert,
ist dann der Regelkreis geschlossen.
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Im Gittersteuerstromkreis der Regelröhre 37 ist weiterhin eine gemäß
der Erfindung ausgebildete Ankerspannungsbegrenzungseinrichtung vorgesehen. Der
zugelassene Ankerspannungsgrenzwert wird am Widerstand 41 gebildet und mit dem tatsächlich
vorhandenen Ankerspannungswert betragsmäßig verglichen. Hierzu sind die in Brückenschaltung
angeordneten und an den Ankerklemmen angeschlossenen Trockengleichrichter 44, die
den ohmschen Widerstand 42 speisen, vorgesehen. Tritt an dem Widerstand 42 eine
Ankeristspannung auf, die größer ist als die Ankersollspannung am Widerstand 41,
so kann über die Widerstände 32, 33, 35, 54 und das Ventil 43 ein Strom fließen,
der unter anderem am Widerstand 54 einen Spannungsabfall erzeugt. Die Richtung dieses
Spannungsabfalls ist derart, daß das Gitterpotential der Regelröhre 37 negativer
und dadurch ihr Anodenstrom verkleinert wird, so daß infolge entsprechend zeitlicher
Zurückverlegung der Zündimpulse des Stromrichters 31 auch der Erregerstrom verringert
wird. Die Verringerung des Erregerstromes wiederum bedeutet aber eine Verkleinerung
der wirksamen Ankerspannung.
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Um den Ankerspannungsgrenzwert im Umschaltaugenblick des Polwenders
3 beeinflussen zu können, ist ein stromsteuernder Magnetverstärker mit den Bauelementen
45 bis 49 vorgesehen, wobei die erforderliche Kennliniensteilheit durch Wahl der
Amperewindungsverhältnisse bestimmt wird. Die beiden in Reihe geschalteten Arbeitswicklungen.
45 und 46 des Verstärkers liegen in Reihe mit den in Brückenschaltung angeordneten
Trockengleichrichtern 47, an deren Ausgangsklemmen der ohmsche Widerstand 41 angeschlossen
ist, an einer Wechselspannung 51. Die Magnetisierung des Magnetverstärkers beeinflussen
zwei Steuerwicklungen 48 und 49. Die Steuerwicklung 49 kann zur Einstellung einer
bestimmten Vorerregung mit Hilfe einer nicht näher bezeichneten Gleichspannung dienen.
Die Beeinflussung des Magnetverstärkers durch den Aussteuerungsgrad des Ankerstromrichters
2 geschieht über die Steuerwicklung 48, wobei diese in Reihe mit der Eingangswicklung
der Gittersteuervorrichtung 9 liegt und vom Strom i" durchflossen wird. Infolgedessen
tritt bei jedem Umschalten des Polwenders wegen der Verringerung des Steuerstromes
i" eine Verringerung der Spannung am Widerstand 41 auf, d. h. an sich eine Verringerung
des Ankerspannungsgrenzwertes. Diese Verringerung wäre aber, in einem zu großen
Maße vorgenommen, unnötig und für die Kommutierung des Gleichstrommotors unvorteilhaft.
Es werden daher gemäß dem eingangs angegebenen Vorschlag Mittel vorgesehen, die
die Entregung des Motors begrenzen. In .dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
bestehen sie darin, daß der Widerstand 41 parallel zu der bereits beschriebenen
Gleichrichterbrücke 47 von einer Gleichrichterbrücke 52 mit fester Spannung gespeist
werden kann. Die Speisung erfolgt jeweils von demjenigen Ausgang der beiden Gleichrichterbrücken
47, 52 her, der die höhere Spannung hat. Zur Anpassung der Motorspannung an Netzspannungsschwankungen
und zur Konstanthaltung des Löschwinkels im Wechselrichterbetrieb wird die Speisespannung
der Gleichrichterbrücke 52 vorschlagsgemäß von der Netzspannung abgeleitet und ist
unstabilisiert. In der Fig. 1 ist diese Speisespannung als beispielsweise über einen
Transformator vom Netz bezogene Wechselspannung mit 53 bezeichnet.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung soll nun an Hand von Steuerkennlinien
mit Hilfe der Fig. 2 näher erläutert werden. Es sind dort erstens die Steuerkennlinien
des Ankerstromrichters 2, zum anderen die Grenzwerte der Ankerspannung des Gleichstrommotors
über dem Steuerstrom i" des Ankerstromrichters 2 aufgetragen. Dabei sind mit U allgemein
Spannungen bezeichnet, insbesondere mit Ust, die gezündete Stromrichterspannung,
mit UMctmax die maximale Ankerspannung im Motorbetrieb sowie mit UGenmax die maximale
Ankerspannung im Generatorbetrieb. Die mit b bezeichneten Kennlinien gelten für
eine Netzspannung von normalem Wert, die Kurven a für eine erhöhte Netzspannung,
die Kennlinien c für eine abgesunkene Netzspannung. Die gestrichelt fortgeführten
Kennlinien der maximalen Ankerspannung gelten für den Fall, daß keine Begrenzung
der Entregung mit Hilfe der über die Trockengleichrichter 52 wirkenden Hilfsspannung
vorgenommen ist.
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Liegt beispielsweise Motorbetrieb vor, wenn also der positive Ordinatenteil
in Fig. 2 maßgebend ist, so tritt die Begrenzung der Ankerspannung lediglich durch
den Sättigungsbereich des Magnetverstärkers 45 bis 49 ein. Zur Verwendung für eine
derartige Begrenzung müßte dann die die Arbeitswicklungen 45 und 46 des Magnetverstärkers
speisende Wechselspannung 51 stabilisiert, d. h. von Netzspannungsschwankungen unabhängig
sein. Erhöht sich die Netzspannung kurzzeitig um einen bestimmten Betrag, so daß
eine Steuerkennlinie gemäß Kurve a wirksam werden würde, so bewirkt die Ankerspannungsbegrenzung
eine Entregung des Motors, sobald der vorhergehende Grenzwert überschritten wird.
An sich ist jedoch die Ankerspannungsbegrenzung im Gleichrichterbetrieb nicht so
von Bedeutung, und zwar insbesondere dann nicht, wenn die den Drehzahl-Sollwertgeber
4 speisende Spannungsquelle 5 stabilisiert ist. In diesem Falle sorgt ja die Regelung
des Ankerstromrichters 2 dafür, daß die eingestellte Drehzahl oder Ankerspannung
konstant und unabhängig von äußeren Einflüssen bleibt.
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Wird dagegen, beispielsweise durch Veränderung des an den Sollwertgebern
33 oder 4 abgegriffenen Sollwertes, eine Ankerumschaltung bewirkt, so kommt der
Schnittpunkt der Begrenzungskennlinie und der Steuerkennlinie auf einem kleineren
Betrag der Spannungen als im Gleichrichterbetrieb zu liegen. Infolge der Verkleinerung
des Steuerstromes i" in der Wicklung 48 des Magnetverstärkers während des Generatorbetriebes
wird der abgeknickte Teil der Magnetverstärkerkennlinie für die Grenzwertbildung
der Ankerspannung maßgebend. Aus der Fig.2 erkennt man, daß für den Fall, daß die
gestrichelt gezeichnete Kennlinie nach Umschalten auf Wechselrichterbetrieb und
der damit verbundenen kurzzeitigen Unterbrechung des Steuerstromes i,, wirksam würde,
eine
relativ große Verkleinerung der Motorerregung bzw. der Ankerspannung
die Folge wäre. Durch die zusätzlich eingeführte Hilfsspannung 53 kann diese Entregung
begrenzt werden. Außerdem hat man es in der Hand, wenn die Hilfsspannung 53 unmittelbar
aus dem Drehstromnetz abgeleitet ist, die Zünd- und Löschwinkel (in Fig.2 mit a
bezeichnet) des beginnenden Wechselrichterbetriebes angenähert unabhängig von Netzspannungsschwankungen
zu halten.
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Nach der Unterbrechung des Steuerstromes i, wird zunächst eine Entregung
des Motors gemäß der dargestellten Begrenzungskennlinie bewirkt. Infolge der bestehenden
Regelabweichung wächst der Steuerstrom i" nach Freigabe rasch an, so daß die Steuerkennlinie
des Stromrichters in Richtung auf den Schnittpunkt A der beiden Kennlinien durchlaufen
wird. Nunmehr setzt der Ankerstrom ein und verhindert über die Ankerstrombegrenzungseinrichtung
14 bis 18 eine weitere Erhöhung des Stromes i".
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Bei diesem Arbeitspunkt des Ankerspannungsreglers und damit konstanter
Ankerspannung wird der Motor bei stetiger Erhöhung des Erregerstromes bis zum Erreichen
des vollen Erregerstromes abgebremst; die zugehörige Drehzahl ist, wegen der verminderten
Ankerspannung, kleiner als die Grunddrehzahl. Die weitere Bremsung erfolgt, wegen
der Ablösung der Ankerspannungsbegrenzung durch die Regelung auf konstanten Erregerstrom,
mit konstantem Feld und stetig sinkender Ankerspannung.
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Aus dem Ausführungsbeispiel ist zu entnehmen, daß an Stelle der Spannung
53 in Verbindung mit den Gleichrichtern 52 auch mit Hilfe der Steuerwicklung 49
eine Entregungsbegrenzung möglich ist. In diesem Fall wird die Wicklung 49 mit einer
unstabilisierten, d. h. hier unmittelbar aus dem den Ankerstromrichter 2 speisenden
Drehstromnetz abgeleiteten gleichgerichteten Spannung gespeist, wobei der in Wicklung
49 fließende Strom derart gerichtet ist, daß die Magnetisierungswirkung des Stromes
der Steuerwicklung 48 unterstützt wird. Außerdem ist zweckmäßig der Magnetverstärker
für eine geringere Kennliniensteilheit auszulegen.
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Netzspannungsschwankungen bewirken dann eine Parallelverschiebung
der Verstärker, d. h. auch der Spannungsgrenzwertkennlinie. Die erzielbare Löschwinkelkonstanz
ist jedoch nicht so gut wie bei dem erstgenannten Vorschlag.
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Hinsichtlich der Wahl und Ausbildung der Regelverstärker sind die
Vorschläge der Erfindung nicht an das beschriebene Ausführungsbeispiel gebunden.