DE1957599C2 - Regler zur Stromregelung eines Stromrichters bei Kickendem und nichtlückendem Strom - Google Patents

Regler zur Stromregelung eines Stromrichters bei Kickendem und nichtlückendem Strom

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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.
1
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)

Patentansprüche:
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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