DE1944729A1 - Regelkreis fuer Starkstromnetz - Google Patents

Description

Patentanwalt· DlpL-!ng.R.Beetzu. 81-14.881P 3.9.1969 Dipl.-ing. Lamprecht MOnchMi 22, stein·***·. Ii

HITACHI , LTD., Tokio (Japan)

und
ZAIMN HOJIN DENRYOKU CHUO KENKSTUSHO, Tokio (Japan)

Regelkreis für Starkstromnetz

Die Erfindung betrifft einen Regelkreis für ein Starkstromnetz.

In automatischen Regelkreisen sollte der Ist-Wert einer Regelgröße immer mit dem Soll-Wert übereinstimmen. Außerdem sollte der automatische Regelkreis stabil arbeiten, d.h. nur schwach auf kleinere Abweichungen, insbesondere Welligkeiten, ansprechen. Aus diesem Grund wird in automatischen Regelkreisen die Regelgröße gewöhnlich über ein Filter erfaßt.

Wenn ein Filter zur Erfassung einer Regelgröße verwendet wird, tritt jedoch eine gewisse Verzögerung im Ansprechen des Regelkreises in Abhängigkeit von der Zeitkonstanten auf. Eine derartige Verzögerung kann manchmal dazu führen, daß die Regelgröße den erlaubten Regelabweichungsbereioh verläßt.

Als Anwendungsbeispiel soll im folgenden die Starkstromübertragung betrachtet werden. Bei Gleichstromübertragungen zum Beispiel wird der übertragene Strom auf einen konstanten Wert auf der Gleichrichterseite eingeregelt. In diesem Fall

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wird der durch eine Starkstromleitung fließende Strom erfaßt und mit dem Soll-Wert verglichen, um den Gleichrichter in Abhängigkeit von der Regelabweichung zu steuern. Da jedoch der übertragene Strom gewöhnlich Welligkeitskomponenten hat, wird die Messung über ein Filter vorgenommen, um den Einfluß dieser Welligkeitskomponenten zu unterdrücken. Die Zeitkonstante eines derartigen Filters beträgt etwa 100 - 200 /usec. Wenn in diesem Fall ein Kommutierungsfehler des Starkstromwechselrichters auftritt, so daß plötzlich ein zu hoher Strom durch die Starkstromleitung fließt, dauert es etwa 100 - 200 /usee. bis der Regelkreis die Störung feststellt und entsprechend auf den zu hohen Strom anspricht. Das heißt, vor dem Ansprechen des Regelkreises kann ein Überstrom bis zu 10 und mehr Perioden lang fließen. Wenn der Gleichrichter aus einem Thyristor besteht, führt ein derartiger Überstrom während dieser Zeit zu einem Zusammenbrechen des Thyristors. Daher muß eine besondere Schutzeinrichtung vorhanden sein, um einen solchen übertragenen Überstrom abzuschalten, damit der Gleichrichter geschützt wird. Wenn der Überstrom auf einen normalen Wert während nahezu einer Schwingung geregelt werden kann, braucht die Übertragung nicht unterbrochen zu werden, und wenn der Wechselrichter in seinen normalen Betriebszustand zurückgekehrt ist, wird die normale Übertragung fortgesetzt.

Wie bereits erwähnt wurde, ist es unbedingt notwendig, daß ein automatischer Regelkreis schnell auf übermäßig große Abweichungen anspricht, aber auch gegenüber kleineren Abweichungen stabil ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Regel- und Sohutzkreis vorgesehen ist, der eine gewöhnliche Rüokkopplungsschleife und eine andere Rückkopplungsschleife mit geringer Zeitverzögerung verwendet. Der Regel- und Sohutzkreis gemäß der Erfindung ist besonders für die Gleichstrom-

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Übertragung geeignet.

Gemäß der Erfindung setzt die Regelung sofort ein, wenn die RegelgrÖle den oberen oder unteren Grenzwert des Soll-Wertes überschritten hat·

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Pig. 1 ein Blockschaltbild eines üblichen automatischen Regelkreises!

Pig· 2 ein Blockschaltbild der üblichen Konstantstromregelung eines Leistungsgleichrichters bei der Gleichstromübertragung;

Pig. 3 ein Blockschaltbild des Hauptteils eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung]

Pig. 4a und 4b die Eingangssignal-Ausgangssignal-Charakteristik des Verstärkers und des Phasenschiebers eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung; und

Pig. 5 einen Vergleich zwischen der Regelung gemäß der Erfindung und der üblichen Regelung.

Pig. 1 zeigt einen üblichen automatischen Regelkreis mit einer Regelstrecke 1, die eine Maschine, ein Verfahren oder dergleichen darstellt, und einem Regler 2, der einen Fühler, ein Filter, einen Verstärker oder dergleichen aufweist. Bezugszeichen Q- und Gp bezeichnen die Übertragungsfunktion der Regelstrecke 1 bzw. des Reglers 2. Das Ausgangssignal e des Reglers 2 wird mit dem Sollwert e. in einem Addierer 3 verglichen» um die Regelabweichung Δ _ = e, - e als Ausgangssignal in die Regelstrecke 1 einzuspeisen. Die Regelgröße e der Regelstrecke 1 wird durch den Regler 2 gewonnen und in den Meßwert e umgewandelt. Der Regelkreis ist so aufgebaut,

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daß die Regelabweichung Δ e immer auf Null gehalten wird. Da jedoch die Übertragungsfunktion G. und G_ gewöhnlich Zeitkonstanten T, bzw. Tp mit einem gewissen Wert haben, treten die oben erwähnten Schwierigkeiten insbesondere auf, wenn T„ größer als T. ist.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild zur Erläuterung der Konstantstromregelung eines Leistungsgleichrichters bei der Gleichstromübertragung. Der Regelkreis hat zwei Wechselstromnetze 4 und 5* einen Leistungsgleichrichter 6 und einen Wechselrichter 7*. die mit den Wechselstromnetzen 4 bzw. 5 verbunden sind, Übertragungsleitungen 8 und 9 zwischen dem Gleichrichter 6 und dem Wechselrichter 7* einen Wechselstromfühler 11 zur Erfassung des durch die Übertragungsleitung 9 fließenden Stromes I , ein Filter 33 zur Beseitigung von Welligkeitskomponenten aus dem Ausgangssignal des Fühlers 11, einen Soll-Wertgeber l4 zur Erzeugung eines Soll-Werts, einen Addierer 35 zum Vergleich des Ausgangssignals I ^f des Filters 13 mit dem Soll-Wert I , und eines automatischen Impulsphasenschiebers (APPS) 12 zur Regelung des Leistungsgleichrichters 6. Wenn diese Anlage in Betrieb ist, um elektrischen Strom vom Netz 4 zum Netz 5 zu übertragen, wirkt der Leistungsgleichrichter 6 als ein Umformer von Wechselstrom in Gleichstrom und der Leistungswechselrichter 7 als ein Umformer von Gleichstrom in Wechselstrom. Der automatische Impulsphasenschieber 3 2 empfängt das Ausgangssignal Al = L- I₀ ¹ des Addierers 15 und regelt die Phase der Gatterimpulse für den Gleichrichter 6, um die Regelabweichung Δΐ gleich Null zu machen.

Normalerweise entsprechen der Eingangsstrom I und der Ausgangsstrom I ' des Filters 13 einander, so daß keine Schwierigkeiten auftreten. Wenn jedoch der übertragene Strom I * einer starken, plötzlichen Änderung ausgesetzt ist, und wenn

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ferner die Zeitkonstante der Rückkopplungsleitung mit dem Fühler 11 und dem Filter 1J5 relativ groß ist, besteht die Möglichkeit, daß der Gleichrichter durch einen zu großen Strom zusammenbricht .

Fig. 5 zeigt den Hauptteil eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung als Blockschaltbild, bei dem der eben erwähnte Nachteil überwunden ist (in Fig. 1 und 2 ähnliche Bauteile weisen das gleiche Bezugszeichen auf). In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Neben-Rückkopplungsleitungen mit Addierern 16 bzw. 17* Verstärkern 19 bzw. 20 sowie Dioden 24 bzw. 25 zwischen den Fühler 11 und den automatischen Impulsphasenschieber 27 parallel zur Hauptrückkopplungsleitung geschaltet, die ein Filter 15, einen Addierer 15* einen Verstärker 18 und eine Diode 23 aufweist. Es ist ersichtlich, daß die Neben-Rückkopplungsleitungen kein Filter enthalten. In den Addierer l6 werden ein Einstell-Wert I. + ß und das Ausgangssignal des Fühlers 11 eingespeist, während in den Addierer 17 ein Einstell-Wert I. - j und das Aus gangs signal des Fühlers 11 eingespeist werden, wobei β und positiv sind. Das Vorzeichen dieser Eingangssignale ist in der Zeichnung angegeben. Die Verstärker 18-20 geben ein bestimmtes Ausgangssignal ab, wenn das Ausgangssignal der Addierer 16 - 17 einen bestimmten positiven Wert ΔΙ¹ hat, geben Jedoch kein oder nur ein schwaches Ausgangssignal ab, wenn das Ausgangssignal des Addierers kleiner als Δ Ι¹ einschließlich negativer Werte ist. Widerstände 21 und 22 sind in den Ausgangskreis der Verstärker l8 bzw. 20 geschaltet. Die Dioden 22 - 25 sind vorhanden, um selektiv das Ausgangssignal der Verstärker 18 - 20 zu verarbeiten. Die Dioden 23 und 25 sind gleich gepolt, die Diode 24 ist entgegengesetzt gepolt geschaltet. Die drei RÜGkkopplungsleitungen sind an einem Verbindungspunkt 26 miteinander verbunden und von dort an den automatischen Impulsphasenschieber 27 angeschlossen. Der Phasenschieber 27 empfängt die Spannung am Verbindungspunkt 26 und steuert den Gleichrich-

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ter mit einem Gatterimpuls an, der in Phase mit der Spannung am Verbindungspunkt 26 liegt. Eine Plusregelleitung 28, ein Widerstand 29, eine einen Rückwärtsstrom verhindernde Diode 30 und eine Spannungsquelle 31 für positive Vorspannung sind mit dem Verbindungspunkt 26 verbunden, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, um einen Hilfskreis zum Anlegen der notwendigen Spannung am Punkt 26 zu bilden.

Fig. 4a und 4b zeigen die Eingangssignal-Ausgangssignal-Charakteristik der Verstärker 18 - 20 und des automatischen Impulsphasenschiebers 27. Die gezeigten Charakteristiken stellen jedoch nur bevorzugte Ausführungsbeispiele für den Kreis gemäß Pig. 3 dar. Das Eingangssignal eines Verstärkers (das Ausgangssignal des vorhergehenden Addierers) ist mit e., und das Ausgangssignal mit e₂ bezeichnet, das das Eingangssignal des Phasenschiebers 27 wird. Der Phasenschieber 27 gibt einen Ausgangsgatterimpuls zu einem Zeitpunkt ab, in dem der Regelwinkel V> . beträgt, wie aus Fig. 4a und 4b ersichtlich ist.

Unter der Annahme, daß die Verstärker und der Phasenschieber die in Fig. 4a und 4b abgebildete Charakteristik haben, soll jetzt die Arbeitsweise des Kreises von Fig. 3 beschrieben werden.

1. I_d - r<I_o < I_d + β und I₀ = I₀' (d.h. der übertragene Strom I ist ungefähr gleich dem Soll-Wert I. für relativ lange Zeit):

Unter diesen Bedingungen erfüllen die Ausgangssignale e.,-» e,g und e.„ der Addierer 15, l6 bzw. 17 die Ungleichungen 0 < e,c <^ e und e._- <C 0. Daher erfüllen die Ausgangssignale e,gi e,Q und e₂₀ der Verstärker 18, 19 bzw. 20 die Ungleichungen ^el8 ^ ^e20 ^{und e}19 Φ ^* Daher wird in den Phasenschieber 27 das Ausgangssignal e-g des Verstärkers 18 über die Diode 23 einge-

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•speist, um den Gleichrichter so zu regeln, daß I = I. wird.

2. I > L· + fh (d.h. es ein übermäßig hoher Strom xlieQt):

Kurz nach Einstellung dieses Zustandes bleibt der Ausgangsstrom I * des Filters 13 auf dem Wert des vorangegangenen Zustandes. Daher können die Beziehungen e₁₍- <^e.g ebenso wie 0 < e./- auftreten, wenn der übertragene Strom I plötzlich groß genug wird. In diesem Fall wird das Ausgangssignal e.„ des Verstärkers 19 größer als das Ausgangssignal e.n des Verstärkers 18. Daher wird in den Phasenschieber 27 das Ausgangssignal e.g über die Diode 24 eingespeist, um den Regelwinkel c< größer zu machen, damit der übertragene Strom I abfällt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Eingangssignal e.^ des Verstärkers größer und nimmt keinen Einfluß auf die Phasenverschiebungsregelung.

3. I <^I,-ö<(d.h. der übertragene Strom ist zu klein):

Kurz nach Eintritt dieses Zustandes bleibt der Ausgangsstrom I ' des Filters Ij5 noch auf dem Wert des vorangegangenen Zustandest ähnlich dem Fall 2. Daher sind die Ungleichungen e./- 4.0 und e.^ <C 0 erfüllt, und die Ungleichungen e.g ^ ^epo ^ und e..n > e₂₀ können anschließend erfüllt sein, um die Diode 25 zu triggern. Dann wird der Phasenschieber 27 mit einem Eingangssignal e₂₀ versorgt. Wegen e_2Q 4 0 wird der Phasenschieber 27 mit einem Eingangssignal e.^ durch die Vorspannungsquelle 31 versorgt, um Regelimpulse mit konstantem Regelwinkel Oi-x-, abzugeben, so daß schnell wieder der normale Ubertragungszustand erreicht wird.

Es ist also ersichtlich, daß, wenn der übertragene Strom I sich so langsam ändert, daß die Zeitkonstante eines Filters keine Rolle spielt, ein Hauptregler mit dem Filter arbeitet,

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während bei einer schnellen und zu großen Erhöhung oder Erniedrigung des übertragenen Stromes ein Nebenregler eingeschaltet wird, um den Strom auf einen normalen Wert zurückzubringen.

Fig. 5 zeigt einen Vergleich zwischen dem Ansprechen eines üblichen Regelkreises und dem Regelkreis gemäß der Erfindung, wobei eine Kurve 51 das Ansprechen eines üblichen Regelkreises und eine Kurve 52 das Ansprechen des erfindungsgemäßen Regelkreises angibt. Pig. 5 ist deutlich zu entnehmen, daß durch die Erfindung ein zu hoher Strom in kurzer Zeit auf einen normalen Wert geregelt werden kann.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   UJ Automatischer Regelkreis, der eine Regelgröße auf einen konstanten Wert durch Gegenkopplung des Ist-Werts der Regelgröße regelt, gekennzeichnet durch mehrere zur Regelung und zum Schutz dienende Gegenkopplungsleitungen.

   2. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,.daß die Zeitkonstanten der Gegenkopplungsleitungen unterschiedlich sind.

   3· Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einst.eJLl-Werte der Gegenkopplungsleitungen unterschiedlich sind.

   4. Regelkreis nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß der eine Einstellwert gleich dem Soll-Wert ist und der andere Einstellwert von dem Soll-Wert um einen vorbestimmten Betrag abweicht.

   5J Regelkreis nach Anspruch 1 in Form einer Gleichstromüber- :ragungsanlage mit zwei getrennten Stromquellen, mit einem Gleichrichter und einem Wechselrichter, die durch die beiden Stromquellen betreibbar sind, mit den Gleichrichter und den Wechselrichter verbindenden Übertragungsleitungen, mit einem Fühler zum Erfassen des durch die Übertragungsleitungen fließenden Stroms, mit einem Filter zum Filtern von Welligkeitskomponenten aus dem Ausgangssignal des Fühlers, und mit einem Phasenschieber zur Regelung des Steuerwinkels des Gleichrichters, um die Phase entsprechend der Abweichung des Ausgangssignals des Filters von einem Einstell- oder Soll-Wert zu bestimmen,

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   - ίο -

   dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung und zum Schutz mindestens eine Gegenkopplungsleitung (l6,19,24;17,20,25) vorhanden ist, die das Ausgangssignal (I ) des Stromfühlers (11) mit einem anderen Einstellwert (I, +fh; ^-a - ΤΠ ohne Leiten über ein Filter (15) vergleicht, damit die Regelung schnell anspricht (Fig. 3).

   6c Kegelkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der linstellwert (I, + ß>} I - f) der Gegenkopplungsleitung (l6,19,24j 17,20,25) sich von dem Einstell- oder Soll-Wert (I_d) um einen vorbestimmten Betrag (|b, tf) unterscheidet (Fig. 3).

   7. Regelkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen der Gegenkopplungsleitungen (16,19*24; 17,20,25) von den Einstellwerten (I_d +fi; I_d -y) selektiv in den Phasenschieber (27) einspeisbar sind (Fig. J5)·

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