DE1957599C2 - Regler zur Stromregelung eines Stromrichters bei Kickendem und nichtlückendem Strom - Google Patents
Regler zur Stromregelung eines Stromrichters bei Kickendem und nichtlückendem StromInfo
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Description
K1 =
und der Ankerzeitkonstanten
1 Ra "
Die EMK-Schleife II enthält neben dem bereits genannten VZi-GIied 4 ein /-Glied 5 mit der
mechanischen Zeitkonstante Tm. Die Stromregelung
wird üblicherweise bei festgebremstem Anker stabilisiert, d. h, die EMK-Rückführung ist nicht vorhanden. In
diesem Fall lautet der Frequenzgang der offenen Schleife I:
G1 = K2
1 + pT2 K1
ep7>
Nach den bekannten Einstellregeln für einen derartigen Ankerstromregelkreis wählt man die Zeitkonstante
des PZ-Reglers 2 zu T2 = Ta. Man erhält dann die
Gleichung
i = K2 · K, ■ K4 ·
pTA ep7i ■
Die P-Verstärkung des Reglers wird man jetzt so wählen, daß der Regelkreis ein bestimmtes Einschwingverhalten
— z. B. einmaliges Überschwingen bei einem Führungsstoß — erhält. Die Anregelzeit des Kreises für
einen Führungsstoß ist durch die mittlere statistische Totzeit r,des Stromrichters bestimmt und liegt bei einer
Drehstrombrückenschaltung entsprechend F i g. 1 in der Größenordnung von 10 ms.
Unter diesen Voraussetzungen kann die EMK-Schlei-.
fe II für eine dynamische Betrachtung vernachlässigt werden, da sich die EMK nach einem Führungsstoß
wesentlich langsamer als der Stromistwert ändert. Für den Drehzahlregelkreis (Schleife III) erhält man dann
das vereinfachte Strukturbild nach F i g. 3. Der unterlagerte Stromregelkreis wird hierbei durch einen Block 6
mit dem Frequenzgang G/* dargestellt. Der Drehzahlregelkreis
hat, bedingt durch das /-Glied 5 mit der mechanischen Zeitkonstante Tm und dem P/-Regler 1,
zweifach integrierendes Verhalten. Der Regler wird entsprechend den für derartige Kreise vorliegenden
Einstellvorschriften — z. B. des symmetrischen Optimums — ausgelegt:.
Die bisherigen Betrachtungen gelten für den Betrieb des Stromrichters mit nichtlückendem Strom. Der
nichtlückende Betrieb wird im allgemeinen durch entsprechende Wahl der Gleichstromdrossel L oder, bei
Umkehrstromrichtern, durch entsprechende Kreisstromeinstellung gewährleistet. Die Tendenz bei Stromrichterantrieben
geht aber dahin, die Gleichstromdros-
sei wegzulassen und für Umkehrstromrichter kreisstromfreie
Schaltungen einzusetzen. Es läßt sich dann meist nicht mehr vermeiden, daß der Stromrichter
betriebsmäßig mit lockendem und nichtlückendem Strom fährt Bei lückendem Strom zeigt die Stromregelstrecke
aber ein anderes dynamisches Verhalten als bei nichtlückendem Strom. Hierfür sind zwei Punkte
maßgebend.
1. Die Verstärkung der Stromregelslrecke ist bei
lückendem Strom abhängig von der Höhe des 1()
Stromes und wird bei Strömen weit unterhalb der Lückgrenze wesentlich kleiner als bei nichtlückendem
Strom.
2. Die Ankerzeitkonstante Ta= -^- ist regelungstechnisch
nicht mehr wirksam.
Man erhält damit bei lückendem Strom und liestgebremstem Anker für die Stromregely^hleife I das
Strukturbild nach Fig.4. Die Regelstrecke enthält neben dem Totzeitglied 7 mit der Verstärkung Ki = 1 ein
P-Glied 8 mit der stromabhängigen Verstärkung Kl.
Der Frequenzgang der offenen Schleife I bei lückendem Strom lautet
G1, = K2
+ pT2
PT2
(3)
Der P/Regler 2 wird auf die Stromregelstrecke bei nichtlückendem Strom eingestellt, da das Einschwingverhalten
an der Stromgrenze für den Schutz t/es Stromrichters maßgebend ist- Mit diesem Regler erhält
man bei lückendem Strom wesentlich längere Anregelzeiten als bei nichtlückendem Strom. Sie können bei
sehr kleinen Strömen in der Größenordnung von Sekunden liegen.
Stellt man die Drehzahlregelung auf die schnelle Stromregelung bei nichtlückendem Strom ein, so wird
üie bei sehr kleinen lückenden Strömen durch die nun sehr langsame Stromregelung instabil. Stellt man die
Drehzahlregelung auf die sehr langsame Stromregelung bei lückendem Strom ein, so erhält man sehr große
Anregelzeiten sowohl bei lückendem als auch bei nichtlückendem Strom.
Aus der Druckschrift »XI. Internationales wissenschaftliches Kolloquium« der Technischen Hochschule
Ilmenau, Heft 2, S. 19 bis 27,1966, ist es bekannt, daß die
Stromregelstreclre bei lückendem Strom ein anderes dynamisches Verhalten zeigt als bei nichtlückendem
Strom. Zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens ist es aus dieser Druckschrift weiter bekannt, das
Zeitverhalten des Stromreglers und des diesem überlagerten Drehzahlreglers bei Passieren der Lückgrenze
mittels jeweils einer die Reglerrücicführung umschaltenden Einrichtung zu verändern, wobei der
Sitromregler sowohl bei lückendem als auch bei nichtlückendem Strom ein /V-Verhalten aufweist. Bei
lückenlosem Strom ist der Stromregler beiragsoptimal und der Drehzahlregler symmetrisch optimal eingestellt.
Es wird angestrebt, im Bereich kleiner Ströme ein gleich gutes dynamisches Verhalten wie im übrigen
Strombereich zu gewährleisten. Die Rückführbeschaltung sowohl des Stromreglers als auch des Drehzahlreglers
wurde bei Übergang in den Lückbetrieb so verändert, daß auch bei Lückbetrieb im Frequenzkermli- b5
riienbild möglichst die gleiche Schnittfrequenz und der gleiche Phasenrand vorhanden ist wie bei lückenlosem
Strom.
Weiterhin ist es aus der englischen Übersetzung eines Aufsatzes von V.G. Kagan in der Zeitschrift
»Avtomatika i telemekhanika«. Band 25, Nr. 11,
November 1964, S. 1597 bis 1602, bekannt, bei einem dreh'.ahlgeregelten Antrieb ohne Stromregelung zur
Verbesserung des dynamischen Verhaltens die Verstärkung des Drehzahlreglers mittels eines im Gegenkopplungszweig
angeordneten elektronischen Schalters in Abhängigkeit von einem aus dem Strom im Lückbereich
abgeleiteten Tastverhältnis Strom/Strompause zu ändern.
Davon ausgehend, bezieht sich die Erfindung auf einen Regler zur Stromregelung eines Stromrichters bei
lückendem und nichtlückendem Strom gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Regler anzugeben, der sich dem Verhalten der Stromregelstrecke besser
anpaßt
Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der folgenden Überlegung aus: Durch den Einsatz
eines P/-Reglers bei nichtlückendem Strom ergibt sich der Frequenzgang nach Gleichung (2) für den offenen
Stromregelkreis. Will man einen gleichen Frequenzgang — und damit eine gleiche Regeldynamik — bei
lückendem Strom erreichen, so muß man bei lückendem
Strom einen /-Regler mit dem Frequenzgang - =- einset-
P'1.
zen (Tl=Zeitkonstante des /-Reglers bei lückendem
Strom). Es ergibt sich
G1, =K,.-
1
ptl.
ptl.
1
e"ri
e"ri
Die Frequenzgänge nach den Gleichungen (4) und (2) sind gleich, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:
" 1
Ein idealer selbstanpassender Regler für den Stromregelkreis muß demnach folgende Bedingungen erfüllen:
1. /V-Verhalten bei nichtlückendem Strom,
2. /-Verhalten bei lückendem Strom,
3. Nachführung der Integrationskonstanten Tl derart,
daß die Gleichung (5) erfüllt ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe könnte nun durch einen — die vorgenannten Bedingungen
erfüllenden — prinzipiell möglichen Regler nach F i g. 5 gelöst werden. Der Regler enthält einen Verstärker 9,
dem über einen ersten Eingangswiderstand R\ ein Stromsollwert /s und über einen zweiten, vorzugsweise
gleich großen Eingangswiderstand R2 ein Stromistwert /
zugeführt werden. Der Verstärker 9 hat einen Gegenkopplungskreis mit zwei Kondensatoren Q und
C2, einem ohmschen Widerstand R, einem als Impedanzwandler dienenden Verstärker !0 und einem Potentiometer
Ro. In dem Gegenkopplungskreis ist ferner eine Umschalteinrichtung mit zwei Schaltern S\ und S2
vorgesehen, die beim Unter- und Überschreiten der Lückgrenze wechselseitig geöffnet bzw. geschlossen
werden. Bei nichtlückendem Strom ist der Schalter 5h
offen und der Schalter S\ geschlossen, das Potentiometer R0 steht auf Position 1. Der Regler arbeitet als
normaler P/-Regler mit der P-Verstärkung K2= „ und
der P/-Zeitkonstante T2=R ■ (Q + C2).
Bei Unterschreiten der Lückerenze. d. h. hei
K2
dem Strom, wird S2 geschlossen und Si geöffnet. Der
Regler arbeitet nunmehr als /-Regler mit der Zeitkonstanten
r;.= C, ■ R2- K.
Der Faktor K ist hierbei abhängig von der Stellung des Potentiometers Ro, z. B.: K=\ (in Stellung 1) oder
K = O (in Stellung 0). Abhängig von der Verstärkung K1
kann jetzt Tl über das Potentiometer R0 nachgeführt
werden. Bei einer technischen Realisierung dieser Schaltung wären Si und S2 durch elektronische Schalter
und Ro durch einen an sich bekannten Multiplikator zu ersetzen.
Die Schaltung setzt voraus, daß die von der Aussteuerung des Stromrichters abhängige Lückgrenze 1r.
genau erfaßt wird. Weiterhin muß die Nachführung von Tl in Abhängigkeit vom Strom und von der Aussteuerung
des Stromrichters erfolgen. Der Aufwand für die hierfür notwendigen Erfassungsglieder, Funktionsgeber
und Multiplikatoren kann beträchtlich sein.
Da ein solcher Aufwand in vielen Fällen der Praxis nicht tragbar ist, schlägt die Erfindung eine andere
vorteilhaftere Lösung vor. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die im Anspruch 1
gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist im Anspruch 2 gekennzeichnet und wird nachfolgend an Hand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig.6 die Schaltung eines Reglers nach der
Erfindung, jo
F i g. 7 den zeitlichen Stromverlauf im Lückbereich bei zwei verschiedenen Anschnittzeitpunkten ^les
Stromrichters sowie die Arbeitsweise des Reglers.
Der in Fig.6 gezeigte Regler besteht aus einem ersten Verstärker 11 mit einer von P- auf PD-Verhalten
umschaltbaren Beschattung und einem hierzu in Reihe liegenden, zweiten Verstärker 12, der als Integrator
beschaltet ist und somit /-Verhalten besitzt. Über einen ersten Eingangswiderstand /?iodes Verstärkers 11 wird
der Stromsollwert /s und über einen zweiten, Vorzugsweise
gleich großen Eingangswiderstand /?2o der
Stromistwert / zugeführt. Der Soll-Istwertvergleich
erfolgt in bekannter Weise durch Gegeneinanderschaltung beider Werte. Der Verstärker 11 hat einen ersten
Gegenkopplungskreis mit zwei ohmschen Widerständen R3, Ra und einem gegen Null geschalteten
Kondensator Co sowie einen zweiten mit einem ohmschen Widerstand Rs. Der Verstärker 12 hat einen
Eingangswiderstand Re und einen Gegenkopplungskreis
mit einem Kondensator Q1. Das Ausgangssignal des
Verstärkers 12 beeinflußt beispielsweise ein Impulsgerät, welches die Zündimpulse für den Stromrichter
liefert.
Der Verstärker 11 besitzt P-Verhalten, wenn der Gegenkopplungszweig über R3 und A4 beispielsweise
durch Kurzschluß des Kondensators Co unwirksam ist Wird der Gegenkopplungszweig über R3 und A4
freigegeben, so besitzt der Verstärker 11 PD-Verhalten
unter der Voraussetzung Rs > R3 + Ä«. Diese Voraussetzung
läßt sich z. B. bei den üblichen Ankerstromregelkreisen einhalten. Andernfalls könnte die Gegenkopplung
über Rs analog zu der über R3 und R<
unwirksam gemacht werden, wenn letztere freigegeben wird. Der aus der Reihenschaltung der Verstärker 11 und 12
bestehende Regler hat /-Verhalten, wenn Ci kurzgeschlossen ist, dagegen ^/-Verhalten, wenn der Kurzschluß
von Co aufgehoben ist.
Der Kurzschluß des Kondensators Cq wird von einem elektronischen Schalter 14 vorgenommen. Für diesen
Schalter kann beispielsweise eine Schaltung mit einem Feldeffekt-Transistor eingesetzt werden. Gesteuert
wird der Schalter 14 von dem als Komparator arbeitenden Verstärker 13. Mit einem Potentiometer Λ7
wird eine Ansprechgrenze für den Strom / eingestellt. Der am Potentiometer Ri abgegriffene Wert wird über
einen Widerstand Rs mit dem über einen Widerstand R9
zugeführten Stromistwert / durch Gegeneinanderschaltung verglichen. Überschreitet der Stromistwert / die
vorgegebene Ansprechgrenze, so kippt der Verstärker 13 von einer Aussteuergrenze auf die andere, und der
vorher geschlossene Schalter 14 wird geöffnet: der Regler wird von /- auf P/-Verhalten umgeschaltet (vgl.
auch F i g. 7). Zum stabilen Arbeiten des Verstärkers 13 kann dieser mit einer leichten Hysterese versehen
werden.
F i g. 7 verdeutlicht die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Reglers. Es ist der Stromverlauf im Lückbereich
in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. In dem gezeigten Beispiel ist angenommen, daß nach der
zweiten Halbwelle eine stoßartige Änderung des Anschnittzeitpunktes vorgenommen wurde. Überschreitet
der Strom eine geringfügig oberhalb Strom Null liegende Ansprechgrenze, so wird der Regler auf
^/-Verhalten umgeschaltet, unterschreitet der Strom diese Ansprechgrenze, so wird auf /-Verhalten zurückgeschaltet
Bei nichtlückendem Strom — dieser Bereich ist in F i g. 7 nicht gezeigt — arbeitet der Regler als
fV-Regler. Mit dem Unterschreiten der Ansprechgrenze
beginnt der Regler in den Stromlücken auf /-Regler umzuschalten. Je kleiner der Strom wird, desto langer
wird das Zeitintervall, in welchem der Regler als /-Regler arbeitet, und desto kürzer wird das Zeitintervall,
in welchem der Regler als P/-Regler arbeitet. Bei Strom Null ist er dauernd auf /-Regler geschaltet In
F i g. 7 ist unterhalb der Abszisse das jeweilige Zeitverhalten des Reglers in den einzelnen Zeitintervallen
des Lückbereiches angegeben.
Bei dieser Arbeitsweise braucht die von der Aussteuerung des Stromrichters abhängige Lückgrenze
nicht erfaßt zu werden. Durch das vom Stromistwert pulsbreitenmodulierte Umschalten des Reglers von PI-auf
/-Verhalten bei lückendem Strom erfolgt eine gewisse Anpassung an den stromabhängigen Verlauf
der P-Verstärkung Kl. so daß ein Nachführen der
Integrationskonstante TL entfallen kann. Der umschaltbare
Regler kann deshalb fest eingestellte Parameter besitzen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Regler zur Stromregelung eines Stromrichters bei lückendem und nichtlückendem Strom, dessen
Zeitverhalten bei Passieren der Lückgrenze mittels einer die Reglerrückführung umschaltenden Einrichtung
veränderbar ist, wobei der Regler bei nichtlückendem Strom ein P/-Verhalten aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung den Regler abhängig vom Stromistwert
bei Strömen oberhalb eines einstellbaren Wertes (Ansprechgrenze) auf P/-Verhalten und bei
Strömen unterhalb dieses Wertes auf /-Verhalten schaltet
2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler aus einer Reihenschaltung von
zwe> beschalteten Verstärkern (11,12) aufgebaut ist,
von denen der erste Verstärker (11) zwei, das P- bzw. PD-Verhalten des Verstärkers bestimmende Gegenkopplungszweige
umfaßt und das Umschalten von Pl- auf /-Verhalten des Reglers durch Kurzschluß
des das PD-Verhalten des ersten Verstärkers (U) bestimmenden, im Gegenkopplungszweig liegenden
Kondensators (Co) erfolgt, daß der zweite Verstärker
(12) als Integrator beschaltet ist und daß die Umschalteinrichtung aus einem Komparator oder
einem als Komparator geschalteten Verstärker (13) besteht, dem eine an einem Potentiometer (A7)
einstellbare, der vorgegebenen Stromansprechgrenze entsprechende Spannung sowie eine dem
Stromistwert entsprechende Spannung zugeführt sind, derart, daß beim Über- und Unterschreiten der
Ansprechgrenze durch den Stromistwert jeweils eine Änderung des einen elektronischen Schalter
(14) steuernden Ausgangssignals des Komparators bzw. Verstärkers (13) erfolgt.
In der Antriebstechnik hat sich die Stromrichterspeisung für geregelte Cleichstromantriebe weitgehend
durchgesetzt. Spannungs- bzw. drehzahlgeregelte Stromrichterantriebe werden im allgemeinen mit
unterlagerter Stromregelung ausgeführt.
F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer bekannten Drehzahlregelung nach dem sogenannten Stromleitverfahren
mit einem Stromrichter als Stellglied. Die unterlagerte Stromregelung hat die Aufgabe, durch
Strombegrenzung die Thyristoren und den Antrieb vor Überlastung zu schützen. In dem gezeigten Beispiel
dient als Antriebsmotor ein fremderregter Gleichstromnebenschlußmotor M. Eine Tachometermaschine T
liefert den Drehzahlistwert η, der mit dem vorgegebenen Drehzahlsollwert ns verglichen wird. Aus der
Regelabweichung bildet ein Drehzahlregler 1 einen Sollwert Ia5 für den unterlagerten Stromregelkreis. Der
Stromregelkreis umfaßt einen Stromregler 2, welchem die aus dem Sollwert Ias und einem dem Ankerstromistwert
lA entsprechenden Wert gebildete Regelabweichung
zugeführt wird. Bei e'ner Soll Ist-Abweichung beeinflußt der Stromregler 2 dann ein Impulsgerät IG,
welches die Zündimpulse für den Thyristorstromrichter 5fr liefert. L bezeichnet eine im Ankerstromkreis
liegende Gleichstrom-Glättungsdrossel. Ec ist die
Generator-EMKbzw. Stromrichterspannung, und Emist
die Motor-EMK.
F i g. 2 zeigt das regelungstechnische Strukturbild der
Anordnung nach F i g. 1. Die Größen sind normiert, d. h. auf ihren Nennwert bezogen. Der Nennwert ist durch
den Index N gekennzeichnet Drehzahlregler 1 und Stromregler 2 werden üblicherweise als P/-Regler
ausgeführt Die Stromregelschleife 1 enthält neben dem Stromregler 2 mit der P-Verstärkung K2 und der
P/-Zeitkonstante T2 ein das Verhalten des Stromrichters
näherungsweise beschreibendes Totzeitglied 3 mit der Verstärkung K, und der Totzeit T, sowie ein Verzögerungsglied
1. Ordnung 4 mit der Ankerkreisverstärkung
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