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Einrichtung zur Steuerung der Nullanodengefäße einer mit diesen ausgestatteten
Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstromnebenschlußmotors Für die Speisung
großer Gleichstromnebenschlußmotoren im Umkehrbetrieb werden im zunehmenden Maße
wegen ihres guten Wirkungsgrades und ihrer schnellen Steuerbarkeit Stromrichter
verwendet. Dies gilt insbesondere auch für Förderantriebe. So steht z. B. die Zweigefäßschaltung
in Kreuzschaltung oder Gegenparallelschaltung für derartige Antriebe mit idealem
Leonardverhalten zur Verfügung. Ein jedoch nicht immer zu vernachlässigender Nachteil
des Stromrichters ist seine zunehmende Blindleistungsaufnahme bei Vergrößerung des
Steuerwinkels. Bei dem genannten Beispiel der Förderantriebe tritt der größte Blindlaststoß
beim Anfahren im Gleichrichterbetrieb auf.
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Es ist bekannt, daß die Einschaltung von zusätzlichen Ventilen, sogenannten
Nullanoden, die Brenndauer der Hauptanoden eines gesteuerten Gleichrichters je nach
Aussteuerung verkürzen und damit auch die Blindkomponenten der sekundären Phasenströme
im Transformator gegenüber denen einer normalen Schaltung verkleinern kann. Diese
Nullanodengefäße werden dem Stromrichter derart parallel geschaltet, daß die Anoden
mit dem sekundären Transformatorsternpunkt und die Kathoden mit denen des Stromrichters
verbunden werden. Sie stehen also allein unter dem Einfluß der gleichgerichteten
Spannung, von der sie grundsätzlich in Sperrichtung beansprucht werden. Die Wirkung
der Nullanoden beruht darauf, daß sie immer nur dann den Strom von den Hauptanoden
übernehmen, wenn die gleichgerichtete Spannung jenseits vom Wert Null negative Werte
anzunehmen beginnt.
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Bei Umkehrantrieben in Zweigefäßschaltung, insbesondere solchen mit
vermaschten Regelkreisen, ist eine Umsteuerung der Stromrichtergefäße von Gleichrichter-
auf Wechselrichterbetrieb erforderlich. Es müssen deshalb als Nullanodengefäße gesteuerte
Ventile vorgesehen werden. Die bekannte Steuerung der Nullanoden durch Verschiebung
des Zündzeitpunktes hat den Nachteil eines verhältnismäßig hohen Aufwandes an Steuereinrichtungen.
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Ein anderer Vorschlag wäre, bei der Handsteuerung des Förderantriebes
eine Schalteinrichtung zum Ein-und Ausschalten der Nullanoden in Abhängigkeit von
der Steuerhebelauslenkung zu betätigen. Dies ist jedoch praktisch schlecht durchführbar,
da die erforderlichen Stromführungsintervalle der Nullanoden bei dieser Steuerungsart
nicht eindeutig festgelegt werden können. Diese Nachteile können mit der Erfindung
vermieden werden.
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Demgemäß betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Steuerung der
Nullanodengefäße einer mit diesen ausgestatteten Anordnung zur Drehzahlregelung
eines Gleichstromnebenschlußmotors, insbesondere als Fördermotor, dessen Ankerwicklung
über Stromrichter gespeist wird, die unter Verwendung von vermaschten Regelkreisen
im Gleich- und Wechselrichterbetrieb gesteuert werden. Erfindungsgemäß arbeitet
die Steuereinrichtung jedes Nullanodengefäßes in Abhängigkeit von einer vom Drehzahlsollwert
abgeleiteten Steuergröße und von einer elektrischen Betriebsgröße des Motors und
sperrt das zugehörige Nullanodengefäß beim Erreichen der eingestellten Solldrehzahl
und im Wechselrichterbetrieb. Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß
es nicht genügt, z. B. bei einem Förderantrieb mit Hilfe des Schalthebels Stromrichter
und Nullanoden umzusteuern. Vielmehr muß wegen der mechanischen und magnetischen
Trägheit des Antriebssystems die Umsteuerung der Nullanoden auch noch von einer
elektrischen Betriebsgröße des Antriebsmotors abhängig gemacht werden. Erst durch
das Zusammenwirken dieser beiden Größen ist es möglich, die günstigste Einsatzzeit
der Nullanoden zu ermitteln. Das Steuerkommando für die Nullanodengefäße wird mit
Hilfe einer elektronischen Mischstufe gebildet, der die beiden Größen ständig zugeführt
werden. Diese Mischstufe kann beispielsweise eine Hochvakuumröhre oder auch eine
entsprechende Transistorenschaltung enthalten.
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Die genaue zeitliche Einstellung des Zünd- und Sperrintervalls der
Nullanodengefäße gegenüber der
Ströinrichteräussteuerungsänderung
wird dadurch erreicht, daß zwischen den Steuereinrichtungen für die beispielsweise
einen Sollwertgeber und einen das gegebene Kommando umformenden Nullanodengefäße
und für die liauptstrdmtiehter ein einstellbares Zeitglied gdscjialtet wird. Dieses
sorgt für einen verzögerten EirisaLtz der Stromrichteraussteuerungsänderung entsprechend
der Laufzeit des NullanodenkommsLnddsdie im wesexttlieherii durch die Schaltzeit
des Nullanodenschützes bedingt ist, d. h., noch vor dem Beginn einer Aussteuerungsänderung
der Hauptgefäße haben sich die Nulläbodengefäße auf die neue Betriebsalt eingestellt.
Das Nüllatrödenschütz kann selbstverständlich auch durch ein Thyratron bzw. eine
äquivalente steuerbare Halbleiteranordnung, z. B. ein Vierschicht-Halbleiterventil,
ersetzt werden. Mit derartigen Schaltelementen ist es möglich, die am Zeitglied
einstellbare Verzögdrung wesentlich kürzer zu machen.
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Die Fig. 1 bis 3 dienen der näheren Erläuterung der Erfindung.
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Fig.l stellt das Blockschaltbild eines einfachen stromrichtergespeisten
Gleichstrommotorantriebes mit Nullanodengefäßen und dei dieser Erfindung zugrunde
liegenden Schaltanordnung zur Steuerung der Nullanodengefäße dar; Fig.2 zeigt das
Blockschaltbild eines Förderantriebes mit Stromrichtern in der Zweigefäßschaltung;
Fig. 3 bezieht sich auf den Förderantrieb von Fig. 2 und zeigt in vier IDiägfammen
die zeitlichen Zusammenhänge zwischen Drehzahl und Drehrichtung sowie Nullanodeneinschaltezeit.
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In allen Figuren sind gleichwertige Bauteile mit gleicher Bezifferung
versehen.
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In Fig. 1 wird mit Hilfe des Sollwertgebers 1 ein Fahrkommando für
den Antriebsmotor 12 gegeben. Dieses Kommando gelangt in den Hochlaufregler
2, der die Beschleunigung beim Anfassen und Bremsen unabhängig von der eventuell
zu raschen Kommandogabe des Sollwertgebers begrenzt. Das umgeformte Sollwertkommandö
gelangt nun über ein Zeitglied 3 zu einem Drehzahlregler 4. Dieser Drehzahlregler
erhält von der mit dein Antriebsmotor 12 gekuppelten Tachometermaschine 13 den Drehzahlistwert
und gibt den aus diesen beiden Eingangsgrößen gebildeten Korrekturwert an den Stromregler
5 weiter. Dieser erhält über einen Stromwandler 14, z. B. einen Hallwandler, den
Ankerstromistwert des Antriebsmotors. Der aus beiden Größen wiederum gebildete Korrekturwert
gelangt nun in den Transistorensteuersatz 6, welcher die Steuerung der Stromrichtergefäße
8 übernimmt. Der Transformator 7 liefert über die Stromrichter 8 den von einer Glättungsdrossel
15 geglätteten Ankerstrom des Antriebsmotors 12. Zwischen dem Sternpunkt
des Transformators 7 und den Kathoden der Stromrichter 8 liegt ein Nullanodengefäß
9, das von dem Nullanodensteuergerät 10 zu-und abgeschaltet wird. Dieses Nullanodensteuergerät
erhält einerseits ein Signal vom Hochlaufregler 2 und andererseits ein Signal von
dem Spannungswandler 11,
das ein Maß für die augenblickliche Größe und Richtung
der Ankerspannung des Antriebsmotors 12
ist. Zur Erfassung der Ankerspannung
wird zweckmäßig ein Hallwandler als Spannungswandler verwendet, mit welchem der
Meßwert vorn Ankerstromkreis galvanisch getrennt werden kann. Die Ankerspannung
kann bis zu 1200 Volt betragen, da jedoch nur das Vorzeichen und kleine Werte der
Anker-Spannung interessieren, wird der Hallwandler so dimensioniert, daß er bereits
bei einer Ankerspannung von etwa 100 Volt voll gesättigt ist und dabei nahezu seine
größte Hallspannung abgibt. Die Ausgangsgröße des Hallwandlers wird in der Nullanodenschalteinrichtung
so umgeformt, daß bei kleinen negativen Werten, die unterhalb der Brennspannung
des Gefäßes liegen, oder beliebigen positiven Werten der Ankerspannung ein positives
Signal gebildet wird. Dieses Signal wird mit dem des Sollwertgebers einer Mischstufe
zugeführt, die nur dann das Nullanodenschütz oder ein anderes schaltendes Element
betätigt, wenn beide Eingangssignale positiv sind. Da dieser Vorgang eine nicht
zu vernachlässigende Zeit benötigt, würde ohne das Verzögerungsglied 3 der Einsatz
der Nullanodengefäße gegenüber der Umsteuerung des Stromrichters nachhinken. Die
Verzögerung des Zeitgliedes 3 wird daher so eingestellt, däß die Umschaltung der
Nullanodengefäße noch vor dem Einsetzen einer Aussteuerungsänderung an den Stromrichtern
stattfindet.
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Fig. 2 zeigt die gleiche Anordnung schematisch für eine Fördereinrichtung
16. Auch bei dieser Antriebs-Schaltung ist mit dem Antriebsmotor 12 wieder eine
Tachometermaschine 13 verbunden, die den Istwert der Drehzahl an den Drehzahlregler
4 meldet. Die obere Stromrichtergruppe 8A sorgt für die Speisung des Motors
12 bei positiver Drehrichtung, die untere Stromrichtergruppe 8B bei negativer
Drehrichtung. Bei beiden Stromrichtergruppen sind ebenfalls mit dem Sternpunkt der
Transformatoren 7 verbundene Nullanodengefäße 9A und 9B vorgesehen, die jeweils
über ein Nullanodensteuergerät 10 ein- und ausgeschaltet werden. Diese beiden Geräte
können natürlich räumlich auch in eines züsammengefaßt werden. Zur Glättung der
Gleichströme für den Motor dienen die Glättungsdrosseln 15. Die beiden Stromwandler
14
melden die jeweiligen Ankerstromistwerte an die Stromregler 5 der beiden
Regelkreise. Wie in Fig. 1, gelangt das damit korrigierte Kommando über die Steuersätze
6 an die Stromrichter B. Die Nullanodensteuergeräte erhalten das eine Signal direkt
vom Hochlaufregler 2 und das andere von dem der Ankerwicklung parallel geschalteten
Spannungswandler 11.
Die Schaltung der beiden Nullanodensteuergetäte 10 ist
üblicherweise so getroffen, daß jeweils nur eine Nullanode eingeschaltet sein kann.
Zur Kompensierung der erforderlichen Schaltzeit dient ebenfalls das Zeitglied 3
zwischen dem Hochlaufregler 2 und dem Drehzahlregler 4.
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Die Fig. 3 zeigt in vier Diagrammen den zeitlichen Zusammenhang zwischen
Drehzahl 31 des Motors 12, dem Signal 32 des Hochlaufreglers 2, dem in der Nullanodensteuereinrichtung
umgeformten Ankerspännungssignal 33 vom Hallwandler 11 und dem Einschaltkommando
34 für das Nullanodengefäß 9A und 35 für das Nullanodengefäß 9B. Es ist daraus
zu ersehen, daß das positive Hochlaufreglersignäl vom Einsetzen des Bremskommandos
bis zur Erreichung der positiven Solldrehzahl besteht. Beim Abbremsen des Motors
aus der positiven Drehrichtung setzt ein negatives Signal ein, das beim Erreichen
der negativen Solldrehzahl Null wird. Das Diagramm 33 zeigt das in derNullanodensteuereinrichtung
umgeformte Ankerspannungswandlersignal.
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Es werden zwei Signale gebildet, von denen jeweils eines einer Nullanodenschalteinrichtung
und damit einer Nullanode zugeordnet ist.
Das eine Signal ist positiv
bei kleiner negativer Drehzahl und jeder beliebigen positiven Drehzahl und das andere
negativ bei kleiner positiver und jeder beliebigen negativen Drehzahl. Das Diagramm
34/35 zeigt die Einschaltdauer der Nullanodengefäße 9A und 9B. Das Nullanodengefäß
9A ist nur dann eingeschaltet, wenn das Signal vom Hochlaufregler und das dem Nullanodengefäß
zugeordnete und umgeformte Ankerspannungswandlersignal positive Werte haben und
entsprechend der Beschleunigung des Motors 12
in positiver Drehrichtung die
Stromrichtergruppe 8,4 im Gleichrichterbetrieb arbeitet. Dementsprechend ist das
Nullanodengefäß 9B nur dann eingeschaltet, wenn beide negative Werte haben und somit
der Stromrichtergruppe 8B Gleichrichterbetrieb vorgegeben ist.
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Durch die besondere Umformung des Hallwandlersignals wird, wie im
Diagramm dargestellt, eine kleine Überlappung erreicht, die ein Anlassen mit Nullanodengefäßen
aus dem Stillstand ermöglicht.
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Die besprochene Überlappung der Ankerspannungssignale kann natürlich
auch auf eine beliebige andere Art erzeugt werden.