DE1079163B

DE1079163B - Einrichtung zur Vorgabe von Sollwerten und Steuergroessen mit einem definierten, vorzugsweise nahezu zeitlinearen Verlauf

Info

Publication number: DE1079163B
Application number: DEL24182A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Johannes Foerster
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1956-02-24
Filing date: 1956-02-24
Publication date: 1960-04-07
Also published as: BE555250A; CH361052A

Description

DEUTSCHES

Die Aufgabe, bei elektrischen Antrieben eine bestimmte Beschleunigung unabhängig von der Belastung einzuhalten, ist bisher in verschiedenster Weise gelöst worden. Es sind Einrichtungen bekannt, die insbesondere bei Verwendung von Drehzahl- oder auch Ankerspannungsreglern in der Weise arbeiten, daß die Beschleunigung unmittelbar, z. B. durch Differentiation der Winkelgeschwindigkeit, gemessen wird und bei Überschreitung eines bestimmten Beschleunigungswertes der Regler in der Weise beeinflußt wird, daß der Motorankerstrom vermindert wird. Es handelt sich also hierbei um eine direkte Beschleunigungsbegrenzung auf dem Wege einer Beschleunigungsregelung. Hierbei bereitet die Stabilisierung des Beschleunigungsregelkreises gewisse Schwierigkeiten, weil die erforderlichen Vorhaltgrößen schwer zu realisieren sind. Es wird daher vielfach ein anderer Weg beschritten, nämlich den Sollwert für die zu regelnde Drehzahl bzw. auch Ankerspannung mit einem bestimmten zeitlichen Verlauf meistens zeitlinear vorzugeben. Es besteht dabei außerdem die Notwendigkeit, diesen zeitlichen Verlauf unabhängig von der Verstellgeschwindigkeit des eigentlichen Kommandogebers, beispielsweise des Steuerschalters eines Walzwerkantriebes, zu halten.

Diese Aufgabe ist vielfach in der Weise gelöst worden, daß der eigentliche Sollwertgeber als Gleich- oder Wechselspannungspotentiometer ausgebildet und von einem Verstellmotor mit einstellbarer Drehzahl verstellt wurde. Um jedoch einer bestimmten Stellung des Kommandogebers auch eine bestimmte Stellung des Sollwertgebers, d. h. eine bestimmte Geschwindigkeit zuzuordnen, kann diese Anordnung nur unter Anwendung einer Folge- oder Lagenregelung arbeiten. Lediglich zur Sollwerteinstellung muß also hier ein eigener Regelkreis vorgesehen werden. Der Aufwand hierfür wird bei entsprechenden Genauigkeitsforderungen sehr groß sein. Weiterhin ist nachteilig, daß sich derartige Anordnungen meistens nicht ohne Hintereinanderschaltung von Relaisverstärkern oder anderen Verstärkern realisieren lassen und damit unter Umständen erhebliche Totzeiten vom Kommando bis zur Sollwertänderung entstehen.

Es ist weiterhin bekannt, Sollwerte und Steuergrößen rein elektrisch unter Zuhilfenahme von Energiespeichern, wie Kondensatoren und Drosseln, sich zeitverzögert ändern zu lassen. Dabei ist jedoch nachteilig, daß praktisch die gleiche Zeitkonstante für kleine und große Änderungen maßgebend ist. Da die Zeitkonstante so gewählt ist, daß große Änderungen mit ausreichender Zeitverzögerung vor sich gehen, wird bei kleinen Änderungen die Trägheit der Energiespeicher unerwünscht bemerkbar werden.

Einrichtung zur Vorgabe

von Sollwerten und Steuergrößen

mit einem definierten, vorzugsweise

nahezu zeitlinearen Verlauf

Anmelder:

LICENTIA Patent-Verwaltungs-G.m.b.H., Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Dr.-Ing. Johannes Förster, Berlin-Hermsdorf,
ist als Erfinder genannt worden

Zur Vermeidung des letztgenannten Mangels hat man sich bereits mit der Aufgabe befaßt, einen Kondensator mit einem konstanten Strom zu beaufschlagen und an den Belägen des Kondensators die gewünschten Größen zu entnehmen. Zu diesem Zweck hatte man sich zwischen einer den gewünschten Endwert des Sollwertes bzw. der Steuergröße vorgebenden Spannungsquelle und dem Kondensator geschalteter nichtlinearer Widerstände, beispielsweise antiparallel geschalteter Pentoden oder einer Pentode in einer Gleichrichterbrücke, bedient. Tatsächlich ist aber mit diesen Anordnungen der Konstantstromcharakter nicht erreicht worden, da die verwendeten nichtlinearen Widerstände im Bereich kleiner Klemmenspannungen nahezu linear arbeiten, so daß gerade dort der Konstantspannungscharakter mit dem geschilderten Mangel der großen Zeitverzögerung bestehenbleibt.

Zum Stand der Technik wäre dann noch eine Anordnung zu nennen, bei der ein annähernd linearer Drehzahlanstieg im unteren Drehzahlbereich durch Übererregung einer Drossel erreicht wird, wobei deren Laststrom zur .Drehzahlvorgabe dient. Infolge der Sättigungseigenschaften der Drossel kann sich die mit der Übererregung verbundene hohe Eingangsspannung nicht auf den Leistungskreis auswirken. Bei der Drehzahlverringerung ist jedoch die volle Zeitkonstante wirksam, so daß keinesfalls die Drehzahl zeitlinear abnimmt. Auch ist infolge der Übererregung eine Drehzahleinstellung im Bereich großer Drehzahlen ohne weiteres nicht möglich.

Weiterhin ist es bekannt, von einer zusätzlichen Spannungsquelle über einen ohmschen Vorwiderstand einen Kondensator zu beaufschlagen. Dabei wird die Kondensatorstromrichtung von einem Umschalter be-

909 769/403

stimmt, während parallel zu dem Kondensator eine Begrenzungseinrichtung den zu erreichenden Spannungswert festlegt. Ein beliebiges Verändern der am Kondensator anstehenden Spannung bei konstanter zeitlicher Spannungsänderung ist nicht möglich, da S unter anderem ein unmittelbarer Zusammenhang zwisehen Verstellung der Begrenzungseinrichtung und Umschalterbetätigung nicht gegeben ist.
. Gemäß den vorstehenden Ausführungen betrifft nun die Erfindung eine Einrichtung zur Vorgabe von Sollwerten und Steuergrößen mit einem definierten, vorzugsweise nahezu zeitlinearen Verlauf, bei der diese Größen einem Kondensator entnommen werden, der aus einer Spannungsquelle über einen Vorwiderstand gespeist wird. Zur Vermeidung der geschilderten Nachteile, aber unter gleichzeitiger Erhaltung der integralen Wirkung eines Verstellmotors wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der über den Vorwiderstand in an sich bekannter Weise erzeugte konstante Strom zur Auf-, Ent- und Umladung des Kondensators über eine Schalteinrichtung verwendet wird, die von der Differenz zwischen Kondensatorspannung und einer Vorgabespannung gesteuert wird und die erforderliche Kondensatorstromrichtung bestimmt.

Gemäß einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung ist eine an sich bekannte, vorzugsweise aus Halbleiterelementen gebildete Schaltvorrichtung vorgesehen, die den Konstantstrom bei Vorliegen einer Differenz zwischen der Kondensatorspannung und der Vorgabespannung in der erforderlichen Richtung auf den Kondensator schaltet. Dabei macht die Erfindung von einer bekannten Schaltungsanordnung Gebrauch, in der Ventile über große Vorwiderstände mit einem dadurch erzeugten annähernd konstanten Vorstrom beaufschlagt sind.

Die Erfindungsgedanken sollen an Hand eines Ausführungsbeispiels nach der Fig. 1 näher erläutert werden. Das Potentiometer 1, das an einer Gleichspannung U_so liegt, soll der Kommandogeber bzw. Steuerschalter für die Handvorgabe eines Drehzahl- oder auch Ankerspannungssollwertes sein. Dieser Sollwert wird nicht, wie üblich, unmittelbar mit dem Istwert 2 (= Ufa) verglichen und dem Regler 3 zügeführt, sondern es ist noch das Zeitglied, bestehend aus dem Kondensator 4, den Ventilen, vorzugsweise Halbleitern 5 a und 5 b, der Gleichstromvorspannung 6 und den Vorwiderständen 7 α und 7 b, dazwischengeschaltet. Wählt man die Vorspannung 6 etwa drei- bis fünfmal so groß wie die Spannung am Steuerschalter 1 U_so, so läßt sich bei entsprechender Bemessung der Vorwiderstände 7 a und 7 b auch bei plötzlicher Verstellung des Steuerschalters 1 aus der einen Grenzlage in die andere erreichen, daß der Kondensator 4 praktisch zeitlinear auf- bzw. umgeladen wird. Der zeitliche Verlauf der eigentlichen Sollwertspannung U_s wird dann nur noch bestimmt von der Größe der Kapazität C des Kondensators 4 und der Größe der" Vorbelastungsströme i^, die im stationären Zustand ständig über die Ventile5α bzw. 5b fließen. Somit kann auch erfindungsgemäß der Beschleunigungsvorgang für den Antrieb durch Variation der Kapazität und der Vorwiderstände eingestellt werden. "

Hat der Regelverstärker bzw. der Gesamtdrehzahl- oder Ankerspannungsregelkreis noch Totzeiten, was sowohl bei einem Leonardantrieb als auch bei einem Stromrichterantrieb mit Eingefäßspeisung der Fall ist, so bietet diese Anordnung bei kleiner Abwandlung die Möglichkeit, bei einer Steuerschalterverstellung einen Vorhaltspannungssprung des Sollwertes zu erzeugen und dem Regler unverzögert zuzuführen. Zu diesem Zweck wird noch ein ohmscher oder induktiver Widerstand 8 (Fig. 1) vor den Ladekondensator 4 geschaltet. Es ergibt sich sich dann ein Verlauf der Sollwertspannung U_s, wie er in der Kurve α der Fig. 3 über der Zeit t dargestellt ist. Zur Zeit t₀ soll hierbei der Steuerschalter 1 ruckartig auf die Mitte verstellt worden sein. Wird nur ein Widerstand 8 in Reihe mit dem Ladekondensator 4 geschaltet, so sinkt die SoIlwertspannung erst sprunghaft etwas ab und strebt dann nahezu zeitlinear dem Endwert, in diesem Falle Null, zu.

Wird dagegen noch ein Kondensator 9 in der in Fig. 2 dargestellten Weise eingeschaltet, so kann die Vorhaltwirkung insofern wesentlich vergrößert werden, als im ersten Augenblick der Verstellung die Gesamtverstellspannung an dem Widerstand 8 liegt und somit die Sollwertspannung U_s einen Verlauf hat, wie er etwa durch die gestrichelte Linie b in Fig. 3 angegeben ist. Wenn man die Zeitkonstante aus Widerstand 8 und Kondensator 9 so klein hält, daß sie etwa um eine Größenordnung kleiner ist als die Gesamthochlaufzeit des Antriebes, so läßt sich erreichen, daß die Totzeiten des Regelkreises durch die stoßartige Veränderung der Sollwertspannung weitestgehend unwirksam gemacht werden und der übrige SollwertSpannungsverlauf hiervon kaum beeinflußt wird, wie das in Fig. 3 angedeutet ist. Eine noch bessere Anpassung der Sollwertvorgabe an die Übergangsfunktion des Regelkreises ist möglich, wenn an Stelle des einfachen i?C-Gliedes 8 und 9 ein Kettenleiter eingeschaltet wird, wie das durch den Widerstand 10 und den Kondensator 11 angedeutet ist (Fig. 2). An Stelle der Widerstände 8 und 10 können auch lineare und/ oder sättigbare Reaktanzen verwendet werden.

In Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf der Sollwertspannung dargestellt, wie er sich bei einer plötzlichen Bewegung des Steuerschalters aus der Nullage heraus ergeben würde. Der Kurvenverlauf α bezieht sich wiederum auf einen Vorhalt mit einem Widerstand 8 gemäß Fig. 1. Der gestrichelte Kurvenzug b bezieht sich auf die Zwischenschaltung eines oder mehrerer i?C-Glieder.

Bei entsprechender Bemessung kann erreicht werden, daß die in Fig. 3 und 4 eingetragene Totzeit t_T der Totzeit des Regelkreises entspricht, d. h. der Verlauf der Sollwertspannung um die Totzeit parallel verschoben ist.

Es sollen nun noch einige Ausführungsbeispiele für Schaltungsanordnungen angegeben werden, die das gewünschte Konstantstromverhalten für die Auf-, Ent- und Umladung des Ladekondensators bzw. eines kleinen Gleichstrommotors haben. Es können hierfür alle Schaltanordnungen verwendet werden, die eine Stromspannungskennlinie nach Fig. 5 haben, z. B. Wandleranordnungen mit Konstantstromcharakteristik. Diese Kennlinie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung 17 erst nach Überschreiten eines bestimmten Stromes + ii in der einen oder anderen Richtung ansteigt und der Strom auch bei einer Spannung von mindestens der Größe der Sollwertspannung + U_so noch konstant bleibt. Ist dagegen bei Reversierbetrieb mit einer kurzzeitigen Umschaltung eines positiven Sollwertes auf den negativen Wert und umgekehrt zu rechnen, so ist dafür zu sorgen, daß der Strom auch bei einer Spannung von mindestens der Größe der doppelten Sollwertspannung noch konstant bleibt. Der Wert'+ i_L soll sich möglichst leicht von Null bis zu einem Grenzwert verstellen lassen.

In der Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel hierfür angegeben. Die Ventile 5, über welche der

Ladestrom fließt, werden ganz ähnlich wie in Fig. 1 hier mit dem Ladeström i_Lf2 belastet. Die Einstellung kann durch einen gemeinsamen veränderlichen Widerstand 12 erfolgen. Die Trennventile 13 sind erforderlich, um immer den Strom über den Mittelpfad zu leiten, wenn eine Steuerhebelbewegüng erfolgt, d. h. eines der beiden Ventile 5 gesperrt wird. Die Widerstände 14 sind lediglich vorgesehen, um im stationären Zustand die Stromverteilung von i_L auf beide Zweige gleich zu halten.

An Stelle des gemeinsamen Widerstandes 12 kann auch, wie in Fig. 7 dargestellt, eine Brückenventilanordnung 15 verwendet werden, die von einem eingeprägten Wechselstrom gespeist wird. Über einen Zwischenwandler 16 ist einerseits eine galvanische Trennung und andererseits eine günstige Anpassung an eine gegebene Wechselspannung 17 möglich. Die Einstellung des Ladestromes erfolgt über den Wechselstromwiderstand 18, der in diesem Fall ohmscher, kapazitiver oder induktiver Art sein kann. Die Verwendung von Blindwiderständen hat den Vorteil, daß der Konstantstromcharakter ohne größere Wirkleistungsverluste erreichbar ist. In die Diagonale der Gesamtanordnung ist eine Gegenspannung 19 eingeschaltet, deren Höhe gleich der doppelten Sollwertspannung U₈₀ sein muß. Die Anordnung arbeitet so, daß dann, wenn eines der Ventile 5 die doppelte volle Sollwertspannung sperren muß, die gleiche Spannung an der Brücke 15 nahezu auf den Wert Null heruntergedrückt wird.

In Fig. 8 sind für beide Zweige je eine Brückenanordnung 20 mit j e einem Zwischenwandler 21 vorgesehen. Die Ladeströme i_L können auch hier über den gemeinsamen Wechselstromwiderstand 18 eingestellt werden. Die Gegenspannung 19 ist genau wie in Fig. 7 auf der Höhe der doppelten Sollwertspannung U₈₀ zu halten.

Soll der Sollwertgeber für einen Gleichstrommotor mit Ankerspannungsregelung und zusätzlicher Feldschwächung, die in Abhängigkeit von der Ankerspannung nach Überschreitung eines bestimmten Wertes vorgenommen wird, verwendet werden, so kann ein weitestgehend konstanter Beschleunigungsstrom erreicht werden, wenn der vorgegebene Sollwert von dem Augenblick der beginnenden Feldschwächung mit geringer, etwa exponentieller Steilheit verläuft.

Eine solche Ankerspannungssollwertvorgabe kann mit Hilfe der in Fig. 9~ dargestellten Anordnung erfolgen, bei der parallel zu dem Ladekondensator 4 noch ein ohmscher Widerstand 22 geschaltet ist, der jedoch erst nach Überschreitung eines bestimmten Sollwertes U₁ wirksam werden soll. Das wird erfindungsgemäß erreicht, indem eine Brückenventilanordnung23 mit der Gegenspannung 24 vor den Widerstand 22 geschaltet wird. Der zeitliche Verlauf bei einer derartigen Anordnung entspricht dem der Fisr. 10. Die Gegenspannung U₁ hat hierbei die Größe des Ankerspannungssollwertes, bei welchem die Feldschwächung des Gleichstrommotors beginnt. Ein ähnlicher Verlauf läßt sich auch erreichen, wenn parallel zu dem Ladekondensator ein nichtlinearer Widerstand, z. B. ein Silitwiderstand oder eine Glimmstrecke, in Reihe mit einem ohmschen Widerstand geschaltet wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Vorgabe von Sollwerten und Steuergrößen mit einem definierten, vorzugsweise nahezu zeitlinearen Verlauf, bei der diese Größen einem Kondensator entnommen werden, der aus einer Spannungsquelle über einen Vorwiderstand gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß der über den Vorwiderstand (7) in an sich bekannter Weise erzeugte konstante Strom zur Auf-, Ent- und-Umladung des Kondensators (4) über eine Schalteinrichtung (5) verwendet wird, die von der Differenz zwischen Kondensatorspannung (an 4) und einer Vorgabespannung (an 1) gesteuert wird und die erforderliche Kondensatorstromrichtung bestimmt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte, vorzugsweise aus Halbleiterelementen gebildete Schalteinrichtung vorgesehen ist, bei der eine Ventilanordnung (5) mit einer Vorspannung versehen ist, welche durch die Differenz zwischen der Kondensatorspannung (an 4) und der Vorgabespannung (1) gebildet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kondensator ein gegebenenfalls mit einer zusätzlichen Schwungmasse versehener Gleichstrommotor vorgesehen ist, der mit dem nahezu konstanten eingeprägten Strom hochgefahren, abgebremst und reversiert wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kommandogeber und dem Kondensator eine Schaltanordnung mit eingeprägtem Stromverhalten vorgesehen ist, deren Spannung vorzeichenrichtig bei Strömen oberhalb eines bestimmten Wertes mindestens bis zu einer der doppelten maximalen Speicherspannung entsprechenden Spannung nahezu stromunabhängig ansteigt (Fig. 5).

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Höhe des eingeprägten Stromes der zeitliche Verlauf der Sollwertspannung eingestellt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch Veränderung der Kapazität des Kondensators der zeitliche Verlauf der Sollwertspannung eingestellt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steuerschalter und dem Kondensator in an sich bekannter Weise zwei gegeneinander in Reihe geschaltete elektrische Ventile, vorzugsweise Trockengleichrichter, vorgesehen sind, die von einem eingeprägten Gleichstrom vorbelastet werden.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jedem Ventil je ein gegebenenfalls einstellbarer Widerstand liegt (Fig. 1 und 2).

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit den Ventilen ein gemeinsamer, gegebenenfalls einstellbarer Widerstand vorgesehen ist und daß zusätzlich Trennventile (13) vorgesehen sind (Fig. 6 und 7).

10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeprägte Strom von einem oder mehreren Wandlern über wechselstromgespeiste Brückengleichrichter geliefert wird, wobei der Wandlerstrom durch wechsel stromseitige Widerstände einstellbar ist, und daß in Reihe mit dem Wandlerausgang eine Gegenspannung vorgesehen ist, die mindestens gleich der doppelten maximalen Sollwertspannung ist (Fig. 7).

11. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein ohmscher oder induktiver Widerstand (8) in Reihe mit dem

Kondensator liegt und daß die Sollwertspannung vor dem Widerstand abgegriffen wird.

12. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kettenleiter aus Wirk- und Blindwiderständen zwischen dem Kommandogeber und dem Kondensator liegt (Fig. 2).

13. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Kondensator eine Gleichrichterbrücke liegt, deren

Gleichspannungspole über einen vorzugsweise einstellbaren Widerstand an einer Gleichspannungsquelle liegen (Fig. 9).

In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 700 897; Bull. SEV, Bd. 47 (1956), S. 118 und 119; VDI-Zeitschrift, Bd. 96 (1954), S. 339 und 340; AIEE-Transactions, Jahrgang 1950, S. 551.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen