DE1931572C3 - Schaltungsanordnung zur Arbeitspunkteinstellung einer ankerspannungsabhängig geführten Stromregelung einer kreisstromfreien Antiparallelschaltung zur Ankerspeisung eines drehzahlgeregelten Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Arbeitspunkteinstellung eines ankerspannungsabhängig geführten Stromreglers einer kreisstromfreien Antiparallelschaltung zur Ankerspeisung eines drehzahlgeregelten Gleichstrommotors, wobei zur Arbeitspunkteinste.Uung des Stromreglers ein der Motorankerspannung und der jeweils erforderlichen Betriebsart des Umkehrantriebs entsprechende Einstellspannung zu Beginn der Sperrzeit beider Ventilgruppen des Stromrichters ermittelt wird.

Eine solche Schaltungsanordnung ist in der deutschen Auslegeschrift 12 34 834 beschrieben.

Es sind bereits kreisstromfreie Umkehrschaltungen nach dem Prinzip der geschachtelten Regelkreise bekannt. Damit sie die Vorteile des kreisstrombehafteten Betriebes weitgehend erreichen, ist es erforderlich, durch geeignete Steuer- und/oder regelungstechnische Maßnahmen zu gewährleisten, daß bei jedem Umschaltvorgang die Stromübernahme für die andere Richtung mit möglichst geringer Verzögerung erfolgt. Die bekannten kreisstromfreien Schaltungen erfüllen diese Aufgaben unterschiedlich gut Die mit dem kreisstrombehafteten Betrieb verbundenen Nachteile, zusätzliche Belastung beider Stromrichtergruppen und des Stromrichtertransformators durch den Kreisstrom, Verschlechterung des Leistungsfaktors durch zusätzliche Blindleistungsaufnahme aus dem Netz und die Gefahr des Wechselrichterkippens bei plötzlichen Spannungseinbrüchen, werden dabei vermieden. Außerdem können die Kreisstromdrosseln zur Begrenzung des Kreisstromes eingespart werden.

Bei der aus der Siemens-Zeitschrift 1965, Seiten 1079 bis 1083 bekannten kreisstromfreien Umkehrschaltung erfolgt entsprechend der Momentenanforderung des Drehzahlreglers durch eine Logikeinrichtung eine Umschaltung der Zündimpulse von einer auf die andere Ventilgruppe. Diese bekannte Umkehrschaltung enthält neben dem Umkehrstromrichter, dem Drehzahlregler

und der Umschaltlogik nur eine Stromistwerterfassung, einen Stromregler und eine Steuereinrichtung. Die Zündimpulse der Steuereinrichtung werden bei jeder Umschaltung durch eine zusätzliche Einspeisung auf den Strornregler an die Wechselrichtertrittgrenze geschoben. Nach jedem Umschaltvorgang muß die Ausgangsspannung des Stromreglers den Bereich von maximaler Wechselrichteraussteuerung bis zu einer für den jeweiligen Betriebsfall erforderlichen Aussteuerung -gegebenenfalls volle Gleichrichteraussteuerung — durchlaufen, bevor wieder Ankerstrom fließen kann.

Damit treten erhebliche Umschalttotzeiten auf, die u. a. auch maßgeblich von der Rückführungsbeschaltung des Stromreglers abhängig sind.

Die angeführten Nachteile werden durch eine aus der DE-AS 12 34 834 bekannte kreisstromfreie Umkehrschaltung beseitigt, die zum Unterschied zu der beschriebenen Schaltung zusätzlich einen weiteren Stromregler, eine weitere Steuereinrichtung und eine

Reglerführungseinrichtung enthalt Die. beiden Steuereinrichtungen werden von jeweils einem Stromregler angesteuert Beiden Stromreglern ist ein gemeinsamer Drehzahlregler vorgeschaltet Entsprechend der Momentenanforderung des Drehzahlreglers werden nur

immer die Zündimpulse einer Steuereinrichtung freigegeben. Damit ist auch ständig nur ein Stromregler im Eingriff. Dem Stromregler des nichtstromführenden Ventilsystems -vird durch die Reglerführungseinrichtung eine der Ankerspannung mindestens annähernd proportionale Spannung als Führungsspannung vorgegeben. Die Beeinflussung des Reglers erfolgt über seine Ausgangsspannungsbegrenzung. Bei dieser Schaltungsanordnung zur Arbeitspunkteinstellung eines ankerspannungsabhängig geführten Stromreglers einer kreis-

stromfreien Antiparallelschaltung zur Ankerspeisung eines drehzahlgeregelten Gleichstrommotors wird zur Arbeitspunkteinstellung des Stromreglers ein der Motorankerspannung und der jeweils erforderlichen Betriebsart des Umkehrantriebs entsprechende Ein-

Stellspannung zu Beginn der Sperrzeit beider Ventilsysteme des Stromrichters ermittelt

Die Steuereinrichtungen werden damit im gesperrten Zustand durch die vorgeschalteten Stromregler so angesteuert, daß die zugehörigen Stromrichter nach

einer Umschaltung im Augenblick der Zündimpulsfreigabe eine der Spannung der Gleichstrommaschine entsprechende Spannung abgeben können. Damit kann eine sofortige Stromübernahme erfolgen und unzulässige Stromspitzen werden vermieden. Die stromlose

so Pause bei einer Umschaltung ist nur noch abhängig von der erforderlichen Sperrzeit der Zündimpulse zuzüglich der statistischen Totzeit des Stromrichters und beträgt wenige Millisekunden. Diese bekannte kreisstromfreie Umkehrschaltung mit ankerspannungsabhängiger Reg-

lerführung weist den Nachteil auf, daß sie zwei Steuereinrichtungen und zwei Stromregler für ihre Funktion benötigt, wobei immer nur ein Stromregler und eine Steuereinrichtung für die Übernahme der Regelaufgaben unbedingt erforderlich sind. Stromregler

t>o und Steuereinrichtung der jeweils nichtstromführenden Ventilgruppe werden lediglich ankerspannungsabhängig in ihrer Aussteuerung mitgeführt, ohne in diesem Zeitraum durch Übernahme einer Regelfunktion direkt im Eingriff zu sein. Bei der vorher beschriebenen kreisstromfreien Schaltung mit Zündimpulsumschalfung wird der nachteilige hohe elektronische Geräteaufwand vermieden. Diese Schaltung erfüllt jedoch wegen ihrer großen Umschalttotzeiten keine hohen regeldynami-

sehen Anforderungen.

In einer älteren Anmeldung (DE-AS 15 88 783) wurde bereits eine Einrichtung zum Umsteuern der Stromrichtung eines Stromrichters mit amiparallel geschalteten Ventilgruppen in kreisstromfreier Schaltung vorgeschlagen. Diese enthält einen Stromregler, der den Steuersätzen der einzelnen Ventilgruppen die Steuergröße vorgibt und eine Kommandostufe, die zur Umsteuerung auf den Steuersatz der stromführenden Ventilgruppe einen Verschiebebefehl für Wechselrichterbetrieb abgibt und beim Nulldurchgang des Stromes den Verschiebebefehl aufhebt und einen Befehl zur Zündung der der anderen Stromrichtung zugeordneten Ventilgruppe unter gleichzeitiger Sperrung der bisher stromführenden Ventilgruppe liefert. Die Kommandostufe beläßt den Stromregler auf seinem durch den jeweiligen Regelzustand bedingten Arbeitspunkt und gibt unabhängig von dessen Ausgangssignal einen Verschiebebefehl auf den jeweiligen Steuersatz ab.

Es ist auch möglich, nur einen Steuersatz zu verwenden. Dann sind dessen Ausgangspulse durch eine Weichenschaltung sperrbar oder auf eine der beiden Ventilgruppen führbar.

Nachteilig bei dieser Einrichtung ist. daß Veränderungen der Motor-EMK während der Umschaltzeil nicht berücksichtigt werden und damit zur Verschlechterung der Dynamik führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Arbeitspunkteinstellung einer ankerspannungsabhängig geführten Stromregelung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei annähernd gleicher Regelgeschwindigkeit nur ein Stromregler erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Prinzipschaltung einer kreisstromfreien Umkehrschaltung mit ankerspannungsabhängiger Reglerführung,

F i g. 2 eine erfindungsgemäße Ausführung einer Schaltungsanordnung zur elektronischen Arbeitspunkteinstellung des Stromreglers.

In Fig. 1 ist der Anker eines Gleichstromnebenschlußmotors 1 über eine Glättungsdrossel 2. einen Stromrichter 3, mit den beiden Stromrichtergruppen 4 und 5 in Gegenparallelschaltung und einen Stromrichtertransformator 6 an ein Drehstromnetz angeschlossen. Die Erregerwicklung 7 des Motors soll von einer konstanten Gleichspannungsquelle 8 gespeist werden. Als Stromrichterventile können beispielsweise Thyristoren vorgesehen werden, die vorteilhaft in Drehstrombrückenschaltung angeordnet sind. Beiden Stromrichtergruppen 4, 5 ist eine gemeinsame Steuereinrichtung 9 zugeordnet. Ein Umschalter 10 der beispielsweise die gemeinsamen Zündimpulsrückleitungen 11, 12 von beiden Stromrichtergruppen 4, 5 zur Steuereinrichtung 9 schaltet und vorteilhaft elektronisch ausgeführt ist, hat die Aufgabe, nur jeweils einer Stromrichtergruppe 4 oder 5 Zündimpulse zuzuschalten. Der Steuereinrichtung 9 ist ein Stromregler 13 vorgeschaltet, der seinen Sollwert über die Umschaltlogik 14 vom Drehzahlregler 15 erhält. An seinem zweiten Eingang erhält der Stromregler 13 den Stromistwert von einem Stromwandler 16. Ein Eingang des Drehzahlreglers 15 ist mit dem Drehzahlsollwertgeber 21 verbunden, der symbolisch durch ein Potentiometer dargestellt ist, wahrend an einem weiteren Eingang der Drehzahlistwert angelegt wird, den man vorteilhaft von einem mit dem Anker des Gleichstromnebenschlußmotors 1 gekuppelten Tachogenerator 18 erhält.

Die Schaltung ist nach dem bekannten Prinzip der geschachtelten Regelkreise aufgebaut. Dem Stromregelkreis ist ein Drehzahlregelkreis überlagert. Der Drehzahlregler 15 hat zwei zueinander inverse Ausgänge. Die Ausgangsspannungen beider Ausgänge können entsprechend der Soll-lstwert-Differenz am Drehzahlreglereingang positiv oder negativ sein. Beide Ausgänge des Drehzahlreglers 15 führen auf einen Wechselschalter innerhalb der Umschaitlogik 14. der vorteilhaft elektronisch aufgebaut ist. Die andere Seite des Wechselschalters ist mit dem Sollwerteingang des Stromreglers 13 verbunden. Dieser Schalter ist erforderlich, weil die Ausgangsspannung des Stromwandlers 16 unabhängig von der Richtung des Ankerstromes ist. Damit liegt am Stromreglereingang immer ein Stromistwert gleicher Polarität an. Das erfordert auch einen Stromsollwert gleicher Polarität. Der Wechselschalter zwischen Drehzahlregler 15 und Stromregler 13 in der Umschaitlogik 14 hat damit die Aufgabe, immer den Drehzahl-Reglerausgang an den Stromregler-Eingang zu schalten, der einen positiven Stromsollwert für den Stromregelkreis darstellt.

Entsprechend der Polarität der Soll-lstwert-Differenz der Drehzahl verändert sich die Polarität der Ausgangsspannungen an beiden Drehzahlreglerausgängen. Die Drehzahlregler-Ausgangsspannungen stellen ein Maß für Richtung und Größe der Momentenanforderung dar. Entsprechend ihrer logischen Auswertung erfolgt die Umschaltung der Zündimpulse der Steuereinrichtung 9 auf die Stromrichtergruppe 4, 5, die auf Grund der Momentenanforderung Strom führen soll. Ein Umschaltvorgang von einer Stromrichtergruppe 4,5 auf die andere und damit eine Stromrichtungsumkehr wird durch die Umschaltlogik 14 eingeleitet, sobald der Stromsollwert Null bzw. geringfügig negativ ist und durch die Auswertung der Ausgangsspannung des Nullstromwandlers 17 der stromlose Zustand festgestellt wird. Damit erfolgt sofort über die Umschaitlogik 14 eine Sperrung der Zündimpulse für eine vorgegebene Zeit, die ruf Grund der endlichen Genauigkeit der

• Nullstrommessung sowie der Freiwerdezeit der Thyristoren des Stromrichters 3 erforderlich ist. In der Sperrzeit wird durch die Umschaltlogik 14 die elektronische Arbeitspunkteinstellung 19 betätigt und außerdem die Umschaltung der Zündimpulse sowie der Drehzahlreglerausgänge durchgeführt

An einen Eingang des Einstellspannungsrechners 20 wird vorteilhaft der Drehzahlistwert gelegt, weil dieser proportional der Motor-Ankerspannung Um ist. Ein weiterer Eingang wird mit der Umschaltlogik 14

> verbunden, um zu gewährleisten, daß zu Beginn der Sperrzeit eine Einstellspannung L>\ errechnet wird, die nicht nur proportional der Motor-Ankerspannung Um ist, sondern auch noch die jeweils geforderte Betriebsart - Bremsen bzw. Beschleunigen nach einer Zwi-

¹ schenbremsung — berücksichtigt. Mit der errechneten Einstellspannung U* wird während der Sperrzeit durch die elektronische Arbeitspunkteinstellung 19 der Stromreglerausgang beaufschlagt. Außerdem erfolgt eine Umladung des Rückführungskondensators Cr des

■ Stromreglers 13 auf die Einstellspannung Ua. wie in Fig. 2 dargestellt. Damit erhält nach jedem Umschaltvorgang im Augenblick der Zündimpulsfreigabe die vorher nicht stromführende StromrichtergruDoe eine

Anfangsaussteuerung, die eine verzögerungsfreie Stromübernahme ohne unzulässig hohe Stromspitzen ermöglicht.

Alle logischen Schaltfunktionen werden vorteilhaft elektronisch durchgeführt. Mit diesen kreisstromfreien Umkehrschaltungen lassen sich Umschalttotzeiten von weniger als 1 ms zuzüglich der statistischen Totzeit des Stromrichters 3 erreichen. Man nähert sich mit dem Regelverhalten dieser Schaltung bereits weitgehend dem der kreisstrombehafteten Umkehrschaltungen^Der gerätetechnische Aufwand ist im Vergleich zu bereits bekannten Umkehrschaltungen mit ähnlich guten regeldynamischen Eigenschaften gering.

Die in F i g. 2 dargestellte erfindungsgemäße Ausführung einer Schaltungsanordnung zur elektronischen Arbeitspunkteinstellung des Stromreglers 13 ermöglicht eine sehr schneiie Beaufschlagung des Regierausganges A mit der von dem Einstellspanriungs-Rechner 20 gelieferten, am Eingang Ea anliegenden Einstellspannung Ua und eine rasche Umladung des Rückführungskondensators Cr auf die Einstellspannung Ua. Die Einstellung des Reglerausganges A auf die Einstellspannung Ua erfolgt unabhängig von den an den Eingängen E\ und £2 anliegenden Eingangsspannungen U\ und Ui des Reglers 13.

Die Umladung des Rückführungskondensators Cr ist erforderlich, weil die Ausgangsspannung Ua des Reglers bei einer nullschienenbezogenen Schaltung mit der Ladung des Rückführungskondensators Cr identisch ist Wird dagegen nur die Einstellspsnnung Ua auf den Reglerausgang gelegt, dann würde die Ausgangsspannung Ua des Reglers nach Beendigung der Einstellung annähernd auf den Wert zurückspringen, der vor Beginn der Einstellung durch die Ladung des RUckführungskondtnsators Cr vorgegeben wurde, da die Einstellzeit im allgemeinen sehr viel kleiner als die erforderliche Umladezeit des Rückführungskondensators Cr über den Rückführungswiderstand Rr ist Dadurch, daß bei der Arbeitspunkteinstellung auch die Umladung des Rückführungskondensators auf die Einstellspannung Ua erfolgt, besitzt der Stromregler nach Beendigung der Einstellung eine Anfangsaussteuerung, die für eine sofortige Übernahme seiner Regelfunktion nach dem Umschaltvorgang erforderlich ist Die erfindungsgemäße Arbeitspunkteinstellung ermöglicht, daß die auftretende Einstellzeit im allgemeinen in der Größenordnung der Sperrzeit liegt die auf Grund der endlichen Genauigkeit des Nullstrommeßgliedes und der Freiwerdezeit der Thyristoren erforderlich ist

Anhand der Fig.2 wird ein Einstellvorgang näher erläutert Die vom Einstellspannungs-Rechner 20 bei Beginn der Sperrzeit am Eingang £4 gelieferte Einsielispannung Ua entspricht dem Aussieueningsweri, der nach einer Umschaltung für den neuen Betriebszustand benötigt wird. Der Reglerausgang A dagegen hat eine Spannung, die dem augenblicklich für den Regelvorgang erforderlichen Wert entspricht Der Wert der Einsteflspuinung Ua kann entweder positiver, negativer oder genau so groß wie die Ausgangsspannung Ua am Ausgang A sein. Sind die Bedingungen für eine Umschaltung erfüllt, so erscheint am Eingang £3 das Signal »einstellen« als Spannung Uy

Dabei werden die als Schalter arbeitenden Transistoren Ti, Ti, T3, T₄ leitend gesteuert Der durch den Spannungsteiler R₃, R₅, Ds fließende Strom hebt das Potential des Kollektors von Transistor T₃ um die Schwellspannung der Diode A über das Potential des Emitters des Transistors T₄. Der Spannungsteiler ist so hochohmig, daß er die Einstellspannung Ua nicht wesentlich beeinflußt

Über die Transistoren T₃, Ta des Schalters Si gelangt

die Einstellspannung Ua an die Basen der Transistoren

T₅, T₆, die den Impedanzwandler 22 darstellen. Die Basis

des Transistors T5 ist dabei um die Schwellspannung der

Diode D₅ positiver als die Basis des Transistors Te. Ob die Einstellspannung Ua über Transistor Ts oder T₆

auf den Regelausgang A gelangt, hängt davon ab, wie sich die Ausgangsspannung Ua des Stromreglers 13 zur Einstellspannung Ua verhält Ist die Einstellspannung Ua positiver als die Ausgangsspannung Ua, so wird der Transistor T₅ leitend und zwingt den Reglerausgang A auf das Einstellpotential. Der Transistor Te bleibt dagegen gesperrt Ist die Einstellspannung (Λ negativer als die Ausgangsspannung Ua, so wird der Transistor T₆ leitend und zwingt den Reglerausgang A auf das Einstellpotential. Diesmal bleibt Transistor Ts gesperrt Die Anhebung des Basispotentials von Transistor Ts gegenüuci Transistor Te verringert den bei der Einstellung entstehenden Fehler.

Die Umladung des Rückführungskondensators Cr erfolgt über die Transistoren T\, T2 des Schalters Si ge gen das Nullpotential. Soll die Ladung des Rückfüh rungskondensators Cr negativer werden, fließt ein entsprechender Ladungsstrom vom Potential »O« über den Transistor Ti, Rückführkondensator Cr und Transistor Ti zum Potential — Ub- Soll die Ladung des Kondensa tors Cr positiver werden, fließt ein entsprechender La dungsstrom vom Potential + Ub über den Transistor T₅, den Rückführkondensator Cr und Transistor Ti zum Potential »O«. Da die Widerstände der leitenden Transistoren Ti, Ti und Ts, Tt sehr niederohmig sind, erfolgt dh Umladung mit einer kleinen Zeitkonstanten, so daß die Umladung des Kondensators Cr in weniger als einer Millisekunde beendet ist Eine strombegrenzende Funktion bei der Umladung übernehmen die Transistoren Ti, Ti und T₅, T6, die bei den möglichen hohen Umladungs strömen nicht mehr voll durchgesteuert sind

Nach einer Einstellzeit, die von einer Umschaltlogik 14 bestimmt wird, wechselt das Signal (Betätigungsspannung U₃) am Eingang £3 wieder von »einstellen« auf »nicht einstellen«. Damit werden die Transistoren Ti, Ti, T₃, Ta gesperrt und die Transistoren T₅, Ti erhalten keinen Basisstrom mehr, wodurch auch sie sperren. Die Restströme der gesperrten Transistoren sind genügend klein, um den Stromregler 13 jetzt nicht mehr in seiner Funktion zu beeinflussen. Die Einstell spannung Ua am Eingang £4 kann erst wieder beim nächsten Signal »einstellen« auf den Stromregler 13 wirken.

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Arbeitspunkteinstellung ist die vorrangige Wirkung der Aussteuerungsbegrenzung. Die Begrenzerspannung der Begrenzereinheit 23 begrenzt über die Dioden D₃, Da sowohl die Ausgangsspannung Ua des Reglers 13 als auch die vom Einstellspannungs-Rechner 20 abgegebene Einstellspannung U₄. Die Notwendigkeit der vorrangigen Wirkung der Begrenzung auch für die Einstellspannung ίΛ ergibt sich aus der Forderung, daß bei der kreisstromfreien Umkehrschaltung die durch Zuordnung festgelegten Aussteuerungsgrenzen des Stromrichters 3 nicht überschritten werden dürfen. Sie stellt einen zusätzlichen Sicherheitsfaktor bei der Inbetriebnahme und Einstellung derartiger Anlagen dar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. . 1

   Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung zur Arbeitspunkteinstellung einer ankerspannungsabhängig geführten Stromregelung einer kreisstromfreien Antiparallelschaltung zur Ankerspeisung eines drehzahlgeregelten Gleichstrommotors, wobei zur Arbeitspunkteinstellung der Stromregelung ein der Motorankerspannung und der jeweils erforderlichen Betriebsart des Umkehrantriebs entsprechende Einstellspannung zu Beginn der Sperrzeit beider Ventilsysteme des Stromrichters ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung nur eines einzigen Stromreglers (13) mit P-1-Verhalten die ermittelte Einstellspannung (U₄) während der Sperrzeit beider Ventilgruppen mittels eines ersten elektronischen Schalters (S\) über einen Impedanzwandler (22) an des Ausgang (A) des Stromreglers (Ü3) und gleichzeitig an den einen Anschluß eines Rückführungskondensators (Cr) angeschlossen ist, während ein zweiter, gleichzeitig mit dem ersten elektronischen Schalter (S₁) durch eine während der Sperrzeit anstehende Betätigungsspannung (U₃) leitend steuerbarer elektronischer Schalter (S₂) den anderen Anschluß des Rückführungskondensators (Cr) mit der Nullschiene verbindet