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Anordnung zur Regelung eines Stromrichters Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur Regelung eines Stromrichters durch Änderung seines Steuerwinkels
in Abhängigkeit von der Abweichung des Istwertes der zu regelnden, vom Steuerwinkel
des Stromrichters abhängigen Betriebsgröße von ihrem Sollwert.
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Statische Stromrichter, die beispielsweise aus Ionenventilen, Tyratronröhren
oder steuerbaren Halbleiterventilen bestehen, werden normalerweise dadurch gesteuert,
daß den Gittern bzw. den Zündelektroden der zu den Stromrichtern gehörigen Ventile
periodische Zündimpulse zugeführt werden, die mit der Wechselspannung, an welcher
der Stromrichter angeschlossen ist, synchron sind. Durch Phasenverschiebung dieser
Zündimpulse im Verhältnis zur Wechselspannung ist es möglich, den Stromrichter zwischen
zwei Endlagen zu steuern, d. h. z-"vischen der höchstmöglichen Gleichspannung bei
Gleichrichtung und der höchstmöglichen Gleichspannung in entgegengesetzter Richtung
bei Wechselrichtung. Ein solcher Stromrichter kann für mehrere Zwecke verwendet
werden, beispielsweise zum Speisen eines Gleichstrommotors. In den meisten Fällen
ist irgendeine Form von automatischer Regelung wünschenswert, beispielsweise so,
daß die abgegebene Spannung oder der abgegebene Strom des Stromrichters oder die
Drehzahl des angeschlossenen Motors auf einem gewissen gewünschten Wert konstant
gehalten wird.
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Es ist dabei bekannt, einen Steuerimpulserzeuger zu verwenden, der
Steuerimpulse mit einer festen Frequenz synchron mit der den Stromrichter speisenden
Wechselspannung, aber mit einer Phasenverschiebung im Verhältnis zur Wechselspannung
abgibt. Diese kann dabei von einer elektrischen Größe beeinflußt werden, die von
einer Abweichung der zu regelnden Betriebsgröße von ihrem gewünschten Wert, d. h.
dem Sollwert, hergeleitet wird. Diese bekannten Anordnungen zum Erzeugen von Steuerimpulsen
sind relativ kostspielig und kompliziert, lassen nur eine begrenzte Variation des
Steuerwinkels des Stromrichters zu und ergeben eine Regelgenauigkeit, die bisweilen
nicht ausreichend ist.
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Zweck der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Regelung von Stromrichtern
zu erhalten, die die obengenannten Nachteile vermeidet. Die Anordnung nach der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerimpulserzeuger des Stromrichters und/
oder die den Stromrichter speisende Wechselstromquelle aus einem Oszillator mit
steuerbarer Frequenz besteht und die Frequenz des Oszillators von der Abweichung
des Istwertes der zu regelnden Betriebsgröße von ihrem Sollwert gesteuert wird.
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Die Erfindung ergibt, wie aus den folgenden Ausführungen hervorgehen
wird, im Verhältnis zu den bekannten Anordnungen eine einfachere und billigere Konstruktion,
eine größere Regelgenauigkeit und eine Vergrößerung des anwendbaren Steuerwinkelbereiches.
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Die Erfindung ist nachfolgend an Hand der F i g. 1 bis 4 näher beschrieben.
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F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform, die zur Regelung der Gleichspannung
an einer von einem Stromrichter gespeisten Belastung vorgesehen ist, wobei der Steuerimpulsgeber
des Stromrichters aus einem Oszillator mit steuerbarer Frequenz besteht; F i g.
2 zeigt eine Variante dieser Schaltung mit einer anderen Anordnung zur Herleitung
der Abweichung der geregelten Gleichspannung von ihrem Sollwert; F i g. 3 zeigt
eine Abänderung der Anordnung nach F i g. 1 zur Regelung der Drehzahl eines vom
Stromrichter gespeisten Gleichstrommotors; F i g. 4 zeigt als Beispiel eine andere
Methode zur Steuerung des Oszillators, der die Steuerimpulse erzeugt.
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F i g. 1 zeigt als Beispiel einen einphasigen Stromrichter, der aus
einem Transformator 1 besteht, dessen Primärwicklung mittels der Klemmen 16 an ein
den Stromrichter speisendes Wechselstromnetz angeschlossen ist, und aus den Ventilen
2 und 3, die
beispielsweise als steuerbare Halbleiterventile, sogenannte
Tyristoren, dargestellt sind. Die Gleichstrompole 4 und 5 des Stromrichters sind
an einen Stromverbraucher angeschlossen, im gezeigten Beispiel an einen Gleichstrommotor
6. Die Steuerimpulse werden von einem selbstschwingenden Oszillator erzeugt, der
im gezeigten Beispiel aus den Transistoren 7 und 8 besteht, die in einer an und
für sich bekannten Oszillatorschaltung mit dem Transformator 9 zusamm; ngeschaltet
sind und von einer Gleichspannungsquelle 10 gespeist werden. Die Frequenz des Oszillators
kann dadurch variiert werden, daß der Transformator 9 mit Gleichstrom mittels der
Wicklung 91 vornragnetisiert wird.
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Die vom Stromrichter erhaltene Gleichspannung zwischen den Polen 4
und 5 wird mit einer Bezugsspannung verglichen, die z. B. von einer Batterie 11
erhalten wird und mittels eines Potentiometers 12 eingestellt werden kann. Dadurch
erhält man zwischen den Anschlußpunkten 13 und 14 eine Spannung, die den Unterschied
zwischen der Gleichspannung des Stromrichters und der Bezugsspannung ausirscht.
Diese Differenzspannung kann direkt oder über einen Verstärker 15 an die Steuerwicklung
91 angeschlossen werden.
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Der Oszillator wird zweckmäßig so bemessen, daß seine Frequenz, wenn
kein Strom in der Steuerwicklung 91 fließt, etwas kleiner als die Frequenz des am
Stromrichter angeschlossenen Wechselstromnetzes ist. Wenn ein Gleichstrom in der
Steuerwicklung 91 fließt, wird die Frequenz zunehmen, und bei einem gewissen Wert
dieses Stromes wird der Oszillator synchron mit der Frequenz des Wechselstromnetzes
arbeiten. Dieser Stromwert wird bei einem bestimmten und sehr kleinen Unterschied
zwischen der Gleichspannung an den Klemmen 4 und 5 und der mit dem Pctentiometer
12 eingestellten Bezugsspannung erhalten. In dieser Lage ist es möglich, den Transistoroszillator
als Steuerimpulserzeuger für den an das Wechselstromnetz angeschlossenen Stromrichter
zu benutzen. Sollte die abgegebene Spannung des Stromrichters aus irgendeinem Grunde
sinken, z. B. wenn die Spannung des Wechselstromnetzes sinkt, erhält man zwischen
den Punkten 13 und 14 eine Differenzspannung in solcher Richtung, daß der Strom
in der Steuerleitung 91 zunimmt und die Frequenz des Oszillators größer wird. Dadurch
werden die aufeinanderfolgenden Zündimpulse immer früher eintreten, wodurch die
abgegebene Gleichspannung des Stromrichters zunimmt. Wenn die Spannung so weit zugenommen
hat, daß der gewünschte Wert erreicht wird, nimmt die Spannung zwischen 13 und 14
wieder bis zu dem Wert ab, der synchronen Betrieb ergibt. Man hat also dadurch,
daß die Oszillatorfrequenz für einen kurzen Augenblick erhöht wurde, die Lage der
Steuerimpulse phasenverschoben, so daß sie früher eintreten. In derselben Weise
entsteht eine kurze vorübergehende Frequenzsenkung, wenn die Gleichspannung zu hoch
werden sollte, wodurch die Steuerimpulse in eine spätere Lage verschoben werden,
die eine kleinere Gleichspannung ergibt. Der Oszillator wird in dieser Weise durch
kleine, kurzzeitige Eingriffe über die Steuerwicklung 91 kurze Zeit von der synchronen
Frequenz abweichen, aber nicht mehr als so viel, daß die Steuerimpulse innerhalb
brauchbarer Phasenwinkel zu der den Stromrichter speisenden Wechselspannung gehalten
werden. Indem man die Abweichung von der synchronen Frequenz, die der Oszillator
bei Regelungseingriffen aufweist, mit geeigneten Mitteln auf einen bestimmten maximalen
Wert begrenzt, ist es auch, wenn erwünscht, möglich, die Geschwindigkeit, mit welcher
die Änderung des Steuerwinkels erfolgt, zu begrenzen. Nach einem Regelungseingriff
wird die Frequenz des Oszillators automatisch wieder synchron mit dem Wechselstromnetz,
und die Spannung zwischen 13 und 14 nimmt somit wieder exakt ihren normalen Wert
an. Dies würde theoretisch eine unendliche Regelungsgenauigkeit bedeuten, die jedoch
aus verschiedenen praktischen Gründen unmöglich ganz erreicht werden kann. Durch
die Erfindung ist jedoch in einfacher Weise eine der wichtigsten Voraussetzungen
für große Regelungsgenauigkeit geschaffen.
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Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung erhält
man die erforderliche Steuerspannung zwischen den Anschlußpunkten 13 und 14 in an
sich bekannter Weise durch eine Subtraktion der geregelten Gleichspannung zwischen
den Anschlußpunkten 4 und 5 und einer Bezugsspannung am Potentiometer 12. In F i
g. 2 ist eine ebenfalls an sich bekannte alternative Anordnung gezeigt. An den Punkten
4 und 5 ist dort statt dessen eine Brückenschaltung angeschlossen, die aus zwei
ohmschen Widerständen 21 und 22 und zwei Widerständen 23 und 24 mit nichtlinearem
Zusammenhang zwischen Strom und Spannung, sogenannten nichtlinearen Widerständen,
besteht. Die beiden restlichen Eckpunkte dieser Brücke sind an die Punkte 13 und
14 angeschlossen; zwischen diesen wird die Steuerspannung erhalten. Eine Brücke
dieser Art, die aus zwei ohmschen Widerständen und zwei nichtlinearen Widerständen
besteht, befindet sich im Gleichgewicht bei einem gewissen Wert der zugeführten
Spannung, bei dem der scheinbare Widerstandswert der spannungsabhängigen Widerstände
gleich groß wird wie der Widerstandswert der ohmschen Widerstände 21 und 22. Weicht
die zugeführte Gleichspannung von dem genannten Wert ab, erhält man zwischen den
beiden anderen Eckpunkten eine Gleichspannung, deren Vorzeichen davon abhängt, ob
die Gleichspannung größer oder kleiner als der Wert ist, der das Gleichgewicht ergibt.
In dieser Weise erhält man eine Steuerspannung, die von der Abweichung der Gleichspannung
von dem gewünschten Wert abhängt, d. h. von dem Wert, bei dem sich die Brücke im
Gleichgewicht befindet.
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In den bisher gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung war die
zu regelnde Betriebsgröße die Gleichspannung an der angeschlossenen Belastung. Die
Betriebsgröße, die geregelt wird, kann aber irgendeine der Größen sein, die durch
die Steuerung des Stromrichters beeinfiußt werden können, beispielsweise die Drehzahl
oder Beschleunigung eines angeschlossenen Gleichstrommotors oder sein Belastungsstrom.
F i g. 3 zeigt als Beispiel den Fall, wo die Drehzahl des Gleichstrommotors 6 der
zwischen den Anschlußpunkten 4 und 5 des Stromrichters angeschlossen ist, geregelt
werden soll. Auf der Achse des Gleichstrommotors ist dann zweckmäßig in bekannter
Weise ein Tachometergenerator 31 angebracht, dessen Spannung ein Maß für die Drehzahl
darstellt. Von dieser Spannung wird die mit dem Potentiometer 12 eingestellte Spannung
subtrahiert. Zwischen den Anschlußpunkten 13 und 14 wird eine Steuerspannung
erhalten, die der Abweichung der Drehzahl von dem gewünschten Wert entspricht.
In
F i g. 1 ist als Beispiel gezeigt, daß der Oszillator- zum Erzeugen der Steuerimpulse
mittels einer Steuerwicklung 91 gesteuert wird. F i g. 4 zeigt eine andere
Alternative der Steuerung, bei der die Steuerwicklung 91 fehlt. Statt dessen erhält
der Oszillator seine Speisung von der Steuerspannung. Diese kann direkt oder durch
den Verstärker 15 erfolgen. In einem Oszillator der gezeigten Art wird die Frequenz
direkt proportional der zugeführten Gleichspannung, was in dieser Weise für eine
einfache Frequenzsteuerung ausgenutzt wird.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich
darum, einen einphasigen Stromrichter zu steuern, wobei ein einphasiger Oszillator
angewendet wird. Die Erfindung kann auch zur Steuerung von mehrphasigen Stromrichtern
angewendet werden, wobei mehrphasige Oszillatoren benutzt werden können.
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Weiter sind als Beispiel Transistoroszillatoren gezeigt worden, aber
es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf diese Art von Oszillätoren
begrenzt ist, sondern daß die meisten Arten von Oszillatoren, deren Frequenz gesteuert
werden kann, im Rahmen des Erfindungsgedankens angewendet werden können. So kann
man z. B. irgendeinen der verschiedenen bekannten Typen von Elektronenröhrenoszillatoren
verwenden, deren Frequenz elektrisch mit irgendeiner der Methoden beeinflußt werden
kann, die z. B. für Frequenzmodulierung bekannt sind. Man kann auch eine rein mechanische
Beeinflussung eines Oszillators anwenden, was besonders vorteilhaft ist, wenn die
zu regelnde Betriebsgröße mechanischer Art ist.
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Die Erfindung ist auch nicht nur für Stromrichter mit Halbleiterventilen,
wie Tyristoren und Transistoren, anwendbar, sondern kann auch bei Stromrichtern
mit anderen Typen von steuerbaren Ventilen, z. B. Ionenventilen oder Tyratronen,
verwendet werden.
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Als Beispiel der Anwendung der Erfindung ist hier nur Speisung von
Gleichstrommotoren gezeigt worden. Die Erfindung kann jedoch auch in allen anderen
Fällen verwendet werden, wo man eine Winkelsteuerung von steuerbaren Ventilen für
die Steuerung einer Spannung oder eines Stroms benutzen kann. Ein wichtiges derartiges
Anwendungsgebiet ist die Gleichstromerregung von rotierenden elektrischen Maschinen
zur Regelung beispielsweise von Spannung oder Drehzahl.
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Man kann einen Stromrichter nach der Erfindung auch als einen reinen
Verstärker für beliebige Anwendung ausführen, wobei die mit dem Potentiometer
12 in F i g. 1 einstellbare Bezugsspannung durch eine als Eingangsgröße des
Verstärkers dienende Spannung ersetzt wird. Wünscht man dabei eine besonders kurze
Reaktionszeit des Verstärkers, kann der Stromrichter zweckmäßig von einem Oszillator
mit höherer Frequenz als der eines normalen Wechselstromnetzes gespeist werden.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung bestehen schließlich nur die
Steuerimpulserzeuger des Stromrichters aus einem Oszillator, dessen Frequenz in
Abhängigkeit von der Abweichung der geregelten Betriebsgröße von dem Sollwert gesteuert
wird. Es ist jedoch auch möglich, daß der Stromrichter von einem Oszillator mit
steuerbarer Frequenz gespeist wird, der an die Klemmen 16 in F i g. 1 angeschlossen
ist und dessen Frequenz in Abhängigkeit von der Abweichung der geregelten Größe
vom Sollwert in derselben Weise wie bei den Steuerimpulserzeugern gesteuert wird.
Bei einer solchen Ausführung der Erfindung kann die Frequenz der Steuerimpulserzeuger
entweder fest sein oder gleichzeitig mit der Frequenz der Speisequelle gesteuert
werden.