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Regeleinrichtung für Stromrichterantriebe in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung
Die Erfindung betrifft ein Regeleinrichtung für Stromrichterantriebe in kreisstronfreier
Gegenparallelschaltung mit einen mindestens ein I-Glied aufweisenden Stromregler
für die Stromrichtergruppen beider Drehmomentenrichtungen.
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In der Stromrichter-Antriebstechnik sind verschiedene Schaltungen
zur Drehmomentnumkehr bekannt (vgl. VDE-Buchreihe-Band 11, 196, 5. 247 ff.) Die
beste Regeldynamik, d.h. stufenloser Übergang des Antriebes vom motorischen auf
generatorischen Betrieb und umgekehrt, wird mit der kreisstromgeregelten Kreuz-
bzw. Gegenparallelschaltung erreicht. Hierbei erhält jede Stromrichtergruppe einen
eigenen Stromregler. Je nach Polarität der Ausgangspannung des Drehzahlreglers wird
dem einen oder dem anderen Stromregler ein entsprechender Sollwert vorgegeben. Zusätzlich
erhält jeder Stromregler einen kleinen konstanten Sollwert, so daß auch der nicht
am Ankerstrom beteiligte Stromrichter einen kleinen Strom, den Kreisstrom, führt
und damit so nachgeführt wird, daß er jederzeit zur über
nahme des
Ankerstromes bereit ist. Der Kreisstromsollwert kann in Verbindung mit entsprechend
ausgelegten Kreisstrom drosseln so hoch gewählt werden, daß die Stromregelungen
stets im nichtlückenden Bereich arbeiten.
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Eine nur unwesentlich verschlechterte Regeldynamik erreicht man mit
einer kreisstromfreien Gegenparallelschaltung mit zwei Stromreglern und zwei Impulsgeräten.
Neben der Umschaltlogik besitzt diese Schaltung eine Reglerführung, die den sicht
in Tätigkeit befindlichen Stromregler, z.B. in Abhängigkeit von der Ankerspannung,
so nachführt, daß bei einer Umschaltung der Momentenrichtung die Ausgangsspannung
des Reglers der erforderlichen Aussteuerung des Stromrichters ungefähr entspricht.
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Bei der Momentenumkehr tritt außer der Anregelzeit der Stromregelung
nur eine Totzeit von einigen Millisekunden auf.
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Die Reglerführung arbeitet bei dieser Schaltung jedoch nur einwandfrei,
wenn der Antrieb mit nichtlückendem Strom betrieben wird., Die Verstärkung der Regelstrecke,
die ti nicht lückendem Strom etwa konstant ist, ändert sich beim Übergang in den
Lückbereich sehr stark. In Fig. 1 sind die Kennlinien des Ankerstromes als Funktion
des Anschnittwinkels S = 180° - α , mit der Motor-EMK als Parameter, für eine
Drehstrombrük kenschaltung dargestellt. Die Verstärkung ergibt sich aus der Steigung
der Kennlinie. Sie nimmt nach dem Übergang auf lückenden Ankerstrom stark ab. Man
erkennt, daß unterhalb der Lückgrenze keine feste Zuordnung zwischen EMK bzw. Ankerspannung
und Anschnittwinkel besteht, sondern daß eine starke Stromabhängigkeit
auftritt.
Die Schaltung ist somit in ihrer Anwendung al antriebe mit ausreichend großer Grundlast
beschränkt, bei der slso der Antrieb immer mit nichtlückendem Strom fährt, oder
muß durch Herabsetzung der Lückgrenze über den entsprechenden r':ifwand einer großen
Gleichstrom-Glättungsdrossel angepaßt werden.
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Den geringsten Aufwand, aber auch die ungünstigsten dynamischen Eigenschaften
besitzt die kreisstromfreie Gegenparallelschaltung mit einem Stromregler, einem
Impulsgerät und Impulsumschaltung von einer Stromrichtergruppe auf die andere.
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Bei jeder Umschaltung werden die Steuerimpulse durch ein zusätzliches
Signal auf den Stromregler an die Wechselrichter-Aussteuerungsgrenze geschoben.
Nach erfolgter Umschaltung muß jetzt die Ausgangsspannung des Stromreglers den gesamten
Bereich von Wechselrichter- bis u.U. voller Gleichrichteraussteuerung durchlaufen,
ehe wieder Ankerstrom fließen kann.
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Infolge der PI-Beschaltung des Stromreglers ist hierfür eine Zeit
erforderlich, die bei kleinen Betriebsströmen die GröSenordnung ?On Sekunden erreichen
kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung anzugeben,
die die Nachteile der bekannten kreisstromfreien Gegenparallelschaltungen vermeidet.
Bei der zuerst beschriebenen Regelungsschaltung bestehen die Nachteile in dem hohen
technischen Aufwand, der durch die Verwendung von zwei Stromreglern, zwei Impuls
geräten und gegebenenfalls einer großen Glättungsdrossel für niedrigen Betriebsstrom
bedingt ist,
während die zuletzt beschriebene Schaltung eine schlechte
Regeldynamik besitzt.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist die kreisstromfreie Gegenparallelschaltung
mit Impulsumschaltung. Die ungünstigen regelungsdynamischen Eigenschaften ergeben
sich, wie bereits erwähnt, durch die Zeit, die der PI-Regler braucht, um nach der
Impulsumschaltung von seiner der Wechselrichter-Aussteuergrenze entsprechenden Spannung
auf eine u.U. der vollen Gleichrichter-Aussteuergrenze entsprechenden Spannung hochzulaufen.
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Um die dabei ablaufenden Vorgänge zu verdeutlichen, werden zunächst
einige regelungstechnische Betrachtungen durchgeführt.
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Der Frequenzgang G eines PI-Reglers lautet
Er läßt sich in die Form
umwandeln.
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In Fig. 2 sind die Strukturbilder eines Ankerstromreglers entsprechend
der beiden Gleichungen dargestellt. Das Strukturbild nach Gleichung (2) ergibt sich
aus der Parallelschaltung eines P- und eines 1-Gliedes. IA und 1A seien Stromsoll-
bzw. Strom-5 istwert, UA die Ausgangsspannung des Stromreglers. Nach dem Umschalten
von der einen Stromrichtergruppe auf die andere steht der Sollwert IAS am Eingang
des Reglers an, Ausgangsspannung UA
und Istwert IA sind zunächst
Null. Nach dem Aufheben der Reglersperre springt die Ausgangsspannung auf den durch
das P-Glied gegebenen Wert k # IA und steigt dann abhängig von der 5 am Eingang
des Reglers anstehenden Differenz IA - 1A s° lange 5 an, bis Soll- und Istwert gleich
sind. Die für den jeweiligen Arbeitspunkt des Stromrichters benötigte Spannung UA
wird im eingeschwungenen Zustand (IAS - IA = 0) durch die Ausgangsspannung des I-Gliedes
gegeben. Das I-Glied muß also in jedem Fall nach der Umschaltung auf diesen Wert
hochlaufen, wofür eine Meit benötigt-wird, die vom Arbeitspunkt, von dem Parameter
21 und von der am Eingang zur Verfügung stehenden Soll-Istdifferenz abhängig ist.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese
Zeit durch einen entsprechenden Eingriff in die Parameter des Stromreglers zu verkürzen.
Die Parameter k und T des Reglers sind durch das für die Stromregelung geforderte
dynamische Verhalten der Regelung bestimmt. Der Wert T1 = T kann bei in k Betrieb
befindlicher Regelung mit Rücksicht auf die Stabilität nicht wesentlich gegenüber
dem üblichen Einstellwert vermindert werden. Eine Verkürzung der Zeit läßt sich
aber durch Verringerung des Parameters 21 erreichen. Eine Verminderung von T1 ist
möglich, solange nach der Umschaltung noch kein bzw. nur ein minimaler Strom fließt,
weil in diesem Fall der Regelkreis noch nicht geschlossen ist bzw. eine nur sehr
kleine Verstärkung besitzt.
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Erfindungsgemäß wird deshalb für eine Regeleinrichtung der eingangs
genannten Art vorgeschlagen, daß der Regler zur Verkürzung
der
Anregelzeit nach der Umschaltung von einer Stromrichtergruppe auf die andere bei
trömen unterhalb eines einstellbare Wertes (Ansprechgrenze) eine wesentlich kürzere
Integrationszeit als bei Strömen oberhalb dieses Wertes besitzt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß dem
Regler eine Umschalteinrichtung zugeordnet ist, die die Integrationskonstante des
I-Gliedes abhängig vom Stromistwert ändert. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung
besteht die Umschalteinrichtung aus einem Komparator oder einem als Komparator geschalteten
Verstärker sowie einem elektronischen Schalter, der vom Ausgangssignal des Komparators
bzw.
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des als Komparator geschalteten Verstärkers gesteuert wird.
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Weitere ausgestaltende Merkmale bestehen darin, daß dem Komparator
bzw. dem als Komparator geschalteten Verstärker eine an einem Potentiometer einstellbare,
der vorgegebenen Strom-Ansprechgrenze entsprechende Spannung sowie eine dem Stromistwert
entsprechende Spannung zugeführt sind, derart, daß beim über und Unterschreiten
der Ansprechgrenze durch den Strom istwert jeweils eine Änderung des Ausgangssignals
des Komparators bzw Verstärkers erfolgt.
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Für die erfindungsgemäße Regeleinrichtung können grundsätzlich Regler
mit unterschiedlichem Zeitverhalten eingesetzt werden z.B. I-, PI- oder PID-Regler.
Wesentlich ist nur, daß der Regler mindestens ein I-Glied enthält.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß der Regler aus der
Parallelschaltung eines P-Gliedes und eines I-Gliedes aufgebaut ist, deren Ausgangssignale
in einem nachgeschalteten Verstärker-summiert werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausführungsform ist der Regler aus einem I-Glied gebildet, dessen Eingangswiderständen
ein Sondensator parallelgeschaltet ist. Schließlich kann der Regler aus einer Reihenschaltung
von zwei beschalteten Verstärkern aufgebaut sein, von denen der eine von P- auf
PD-Verhalten umschaltbar ist, während der andere als Integrator beschaltet ist.
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Im folgenden soll die Erfindung an Rand von Ausführungsbei spielen
näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in Fig. 3 die Schaltung einer Regeleinrichtung
nach der Erfindung mit einem Regler, der aus der Parallelschaitung eines P-Gliedes
und eines 1-Gliedes aufgebaut ist, Fig. 4 die Schaltung einer Regeleinrichtung nach
der Erfindung mit einem Regler, der aus einem I-Glied gebildet ist, dessen Eingangswiderständen
ein Kondensator parallelgeschaltet ist, Fig. 5 die Schaltung einer Regeleinrichtung
nach der Erfindung mit einem Regler, der aus einer Reihenschaltung von zwei beschalteten
Verstärkern aufgebaut ist.
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Die in Fig. 5 gezeigte Regel einrichtung umfaßt einen Verstärker 1
mit einem im Gegenkopplungskreis liegenden Widerstand R3.
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Über einen ersten Eingangswiderstand Rfl des Verstärkers 1 wird der
Stromsollwert 1 und über einen zweiten vorzugsweise gleich
großen
Eingangswiderstand R2 der Stromistwert I zugeführt. Der Soll-Istwertvergleich erfolgt
in bekannter Weise durch Gegeneinanderschaltung beider Werte. Der eigentliche Stromregler
ist aus der Parallelschaltung eines P-Gliedes, bestehend aus einem Verstärker 2
mit einem im Gegenkopplungskreis liegenden ohmschen Widerstand R4, und eines I-Gliedes,
bes-tehend aus einem Verstärker 3 mit einem im Gegenkopplungskreis liegenden Wondensator
C1, aufgebaut. Die vom Verstärker 1 gebildete Soll-Istwertdifferenz (Regelabweichung)
wird dem P-Glied 2 über einen Eingangswiderstand R5 sowie den I-Glied 3 über Eingangswiderstände
R6, R7 zugeführt. In einem nachgeschalteten Verstärker 4 mit einem im Gegenkopplungskreis
liegenden Widerstand. R8 wird die Summierung des über einen. ersten Eingangswiderstand
R9- zugeführten P-Anteils und des über einen zweiten Eingangswiderstand R10 zugeführten
1-Anteils durchgeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 4 beeinflußt dann beispielsweise
ein Impulsgerät, welches die Zündimpulse fvr den Stromrichter liefert.
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Die Änderung der Integrationskonstante des I-Gliedes 3 wird durch
Kurzschluß bzw. Freigabe des im Eingangskreis des t-Gliedes liegenden ohmschen Widerstandes
R6 bewirkt. Ist der Widerstand R6 kurzgeschlossen, ergibt sich eine kürzere Integrationszeit
als bei zugeschaltetem Widerstand : R7#C1 # (R6+R7) # C1.
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Der Kurzschluß des Widerstandes R6 wird von einem elektronischen Schalter.
6 vorgenommen. Für diesen Schalter kann beispielsweise eine Schaltung mit einem
Feldeffekt-Transistor eingesetzt werden.
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Gesteuert wird der Schalter 6 von dem als Komparator arbeitenden Verstärker
5. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß bei Stromistwert
Null der
Schalter 6 geschlossen ist. Mit dem Potentiometer R11 wird eine geringfügig oberhalb
Strom Null liegende Ansprechgrenze für den Strom I eingestellt. Der am Potentiometer
R11 abgegriffene Wert wird über einen Widerstand R12 mit dem über einen Widerstand
R13 zugeführten Stromistwert I durch Gegeneinanderschaltung verglichen. Überschreitet
der Stromistwert 1 die vorgegebene Ansprechgrenze, so kippt der Verstärker 5 von
einer Aussteuergrenze auf die andere und der vorher geschlossene Schalter 6 wird
geöffnet.
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Nach der Umschaltung von einer auf die andere Stromrichtergruppe läuft
der Regler infolge der kurzen Integrationszeit sehr schnell soweit hoch, bis der
Antrieb anfängt, Strom zu führen. Das Hochintegrieren wird ietztFverlangsamt, da
während der Stromführung bei lückendem Strom auf die längere Integrationszeit umgeschaltet
wird. Nach Durchlaufen des Bückbereiches ist bei nichtlückendem Strom dauernd äuf
die hier regelungstechnisch notwendige langere Integrationszeit umgeschaltet.
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Die Anregelzeit nach der Umschaltung wird gegenüber einem normalen
Regler stark verkürzt.
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Durch Änderungen in der Anordnung der Verstärker läBt sich die Schaltung
der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung unter Beibehaltung des der Erfindung zugrunde
liegenden Lösungsprinzips in vorteilhafter Weise abwandeln.
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Fig. 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel solch eine abgewandelte
Schaltung, die gegenüber dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel
einen
geringeren Verstärkeraufwand erfordert. Mit Fig, 3 übereinstimmende Schaltungsteile
sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Der Regler ist hier aus dem I-Glled,
bestehend aus dem Verstärker 3 mit dem im Gegenkopplungskreis liegenden Xondensator
C1, und einem parallel zu den Eingangswiderständen 26 R7 des I-Gliedes angeordneten
Kondensator C2 gebildet. Der Regler besitzt wie im ersten Ausführungsbeispiel ein
PI-Verhalten. Die P-Verstarkung ergibt sich hierbei aus dem Quot-ienten der Kapazitäten
C2 zu C1. Die Änderung der Integrationskonstante des I-Gliedes 3 erfolgt in gleicher
Weise wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben.
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Fig. 5 erläutert ein drittes Ausführun.-gsbeispiel der Regeleinrichtung
nach der Erfindung. Diese Schaltung erfordert ebenfalls nur einen geringen Verstärkeraufwand.
Mit Fig. 3 und 4 übereinstimmende Schaltungsteile sind auch hier mit den gleichen
Bezugsziffern versehen. Der in diesem Beispiel gezeigte Regler besteht aus einem
ersten Verstärker 7 mit einer von P- auf PD-Verhalten umschaltbaren Beschaltung
und einem hierzu in Reihe liegenden zweiten Verstärker 8, der als Integrator beschaltet
ist und somit 1-Verhalten besitzt. Die Zuführung des Stromsollwertes IS und des
Stromistwertes I sowie der Soll-Istwertvergleich erfolgen analog zu Fig. 3 und 4.
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Der Verstärker 7 hat einen ersten Gegenkopplungskreis mit den ohmschen
Widerständen R14, R15 und einem gegen Null geschalteten Kondensator C, sowie einen
zweiten mit dem ohinschen Widerstand R16. Der Verstärker 8 hat einen Eingangswiderstand
R17 und einen £-egenkopplungskreis mit einem Kondensator C3.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers 8 beeinflußt auch hier beispielsweise
ein Impulsgerät, welches die Zündimpulse für den Stromrichter liefert.
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Die Änderung der Integrationszeit des Reglers wird in diesem Fall
durch Kurzschluß bzw. Freigabe des Eondensators C0 bewirkt. Ist der Kondensator
Cg kurzgeschlossen, so ergibt sich unter der Yoraussetzung R16#R14 + R15 eine kürzere
Integrationszeit als bei freigegebenem Kondensator. Bei kurzgeschlossenem Kondensator
C0 ist nur die Gegenkopplung über den hochohmigen Widerstand R16 wirksam. Eine hochohmige
Gegenkopplung ergibt eine hohe Verstärkung und damit eine kurze Integrationszeit.
Wird andererseits durch Aufhebung des Eurzschlusses von C0 die niederohmige Gegenkopplung
über R14 und R15 freigegeben, so ergibt sich durch die niedrige Verstärkung eine
längere Integrationszeit. Die Voraussetzung R16#R14 + R15 läßt sich z.B. bei den
üblichen Ankerstromregelkreisen einhalten. Andernfalls könnte die Gegenkopplung
über R16 analog zu der über R14 und R15 unwirksam gemacht werden, wenn letztere
freigegeben wird. Der aus der Reihenschaltung der Verstärker 7 und 8 bestehende
Regler hat I-Verhalten, wenn 0o kurzgeschlossen ist, dagegen Pl-Verhalten, wenn
der Kurzschluß von CO,aufgehoben ist. Der Kurzschluß des Kondensators CO wird von
dem elektronischen Schalter 6 vorgenommen, der in der gleichen Weise gesteuert wird
wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3 und 4.
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Durch die Erfindung wird mit einer kreisstromfreien Gegenparallelschaltung
eine,
bis auf die Totzeit von einigen Millisekunden, der kreisstromgeregelten Gegenparallelsehaltung
entsprechende gute Regeldynamik im gesamten Betriebsbereich des Stromrichterantriebes
erreicht.
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12 Seiten Beschreibung, 7 Patent ansprüche und 1 Blatt Zeichnungen
mit 5 Figuren