DE2017791B2

DE2017791B2 - Regeleinrichtung fuer einen stromrichterantrieb in kreisstromfreier gegenparallelschaltung

Info

Publication number: DE2017791B2
Application number: DE19702017791
Authority: DE
Inventors: Arne Dipl Ing 1000 Berlin Buxbaum
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH, 6000 Frankfurt
Priority date: 1970-04-08
Filing date: 1970-04-08
Publication date: 1972-06-22
Also published as: DE2017791C3; FI57030B; FI57030C; DE2017791A1; SE370476B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen Stromrichterantrieb in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung mit einem mindestens ein !•Glied aufweisenden Stromregler für die Stromrichtergruppen beider Drehmomenletirichtungen.

In der Stromrichter-Antriebstechnik sind verschiedene Schaltungen zur Drehmomentenumkehr bekannt (vgl. VDE-Buchreihe Bd. 11,1966, S. 247 bis 251). Die beste Regeldynamik, d, h. ein smfenloser 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 Ausgangsspannung 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 dadurch so nachgeführt wird, daß er jederzeit zur Übernahme des Ankerstromes bereit ist. Der Kreisstromsollwert kann in Verbindung mit entsprechend ausgelegten Kreisstromdrosseln so hoch gewählt werden, daß die Stromrichter stets im nichtlückenden Bereich arbeiten.

Eine nur unwesentlich schlechtere Regeldynamik erreicht man mit einer kreisstromfreien Gegenparallelschaltung mit zwei Stromreglern und zwei Impulsgeräten. Neben der Umschaltlogik besitzt diese Schaltung eine Reglerführung, die den nicht in Tätigkeit befindlichen Stromregler, z. B. in Abhängigkeit von der Ankerspannung, so nachführt, daß bei einer Umschaltung der Momentenrichtung die Ausgangsspannung dieses Stromreglers der erforderlichen Aussteuerung des Stromrichters ungefähr entspricht. Bei der Momentenumkehr tritt außer der Anregelzeit der Stromregelung nur eine Totzeit von einigen Millisekunden auf.

Die Reglerführung arbeitet bei dieser Schaltung jedoch nur einwandfrei, wenn der Antrieb mit nichtlückendem Strom betrieben wird. Die Verstärkung der Regelstrecke, die bei nichtlückendem Strom etwa konstant ist, ändert sich beim Übergang in den Lückbereich sehr stark. In F i g. 1 sind die Kennlinien des Ankerstromes als Funktion des Anschnittwinkels β = 180 - \, mit der Motor-EMK als Parameter, für eine Drehstrombrückenschaltung dargestellt. Die Verstärkung ergibt sich aus der Steigung der Kenn-

linie. 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 auf Antriebe mit ausreichend großer Grundlast beschränkt, bei der also der Stromrichter immer mit nichtlückendem Strom arbeitet, oder muß durch Herabsetzung der Lückgrenze mit entsprechendem Aufwand einer großen Gieichstrom-Glättungsdrossel angepaßt werden.

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. Bei jeder Umschaltung werden die Steuerimpulse durch ein zusätzliches Signal auf den Stromregler an die Wechselrichter-Aussteuerungsgrenze geschoben. Nach erfolgter Umschaltung muß dann die Ausgangsspannung des

⁶<> Stromreglers den gesamten Bereich von Wechselrichter- bis unter Umständen voller Oleichrichteraussteuerung durchlaufen, ehe wieder ein Ankerstrom fließen kann. Infolge der PI-Beschaltung des Stromreglers ist hierfür eine Zeit erforderlich, die bei kleinen

^S Betriebsströmen die Größenordnung von Sekunden erreichen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung anzugeben, die die nachstehend ge-

nannten Nachteile der bekannten kreisstronifreien Ciegenpurullelschaltungen vermeidet, Bei der zuerst beschriebenen Regelungsschaltung bestehen die Nachteile in dem hohen technischen Aufwand, der durch die

ueführt.
Der Frequenzgang G eines PI-Reglers lautet

G = k

Er läßt sich in die Form

G^k+¹ PT₁

nur ein minimnler Strom Hießt, weil in diesem NII der Regelkreis noch nicht geschlossen ist bzw, eine nur sehr kleine Verstärkung besitzt. , .

^ „„. _M ,„,„„„„, _, _{fcll H(}. Erlindungsgemäß ist deshalb Tür eine Regeleinnch-

Verwendung von zwei Stromreglern, zwei Impuls- ä tung der eingangs genannten Art vorgesehen, daU uer geräten und gegebenenfalls einer großen Glättungs- Stromregler zur Verkürzung der Anregelzeit nucrt «er drossel für niedrigen Betriebsstrom bedingt ist, wall- Umschaltung von einer Slromrichtergruppe aiii uurend die zuletzt beschriebene Schaltung eine schlechte andere derart beeinflußt ist, daß er bei einem M.on.-Regeldynamik besitzt. istwert unterhalb eines einstellbaren Wertes (Mrom-

Ausgangspunkt der Erfindung ist eine kreisstrom- io ansprechgrenze) eine wesentlich kürzere nlegraiionsfreie Gegenparallelschaltung mit Impulsumschaltung. zeit als bei einem Stromistwert oberhalb dieses wertes Die ungünstigen regelungsdynamischen Eigenschaften besitzt.

ergeben sich, wie bereits erwähnt, durch die Zeit, die In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorder PI-Regler braucht, um nach der Impulsschaltung gesehen, daß dem Stromregler eine Umschalteinncnvon seiner der Wechselrichter-Aussteuerungsgrenze 15 tung zugeordnet ist, die die Integrationskonstante aes entsprechenden Spannung auf eine unter Umständen I-Gliedes abhängig vom Über- oder Unterschreiten der der vollen Gleichrichter-Aussteuerungsgrenze ent- Stromansprechgrenze durch den Stromistwert ändert, sprechenden Spannung hochzulaufen. Um die dabei Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der brnndung ablaufenden Vorgänge zu verdeutlichen, werden zu- besteht die Umschalteinrichtung aus einem Komparanächst einige regelungstechnische Betrachtungendurch- 20 tor oder einem als Kompara r geschalteten Verstarker

sowie einem elektronischen Schalter, der vom Ausgangssignal des Komparators bzw. des als Komparator geschalteten Verstärkers gesteuert wird Weitere Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß dem komparator bzw. dem als Komparator geschalteten Verstärker eine an einem Potentiometer einstellbare, der einstellbaren Stromansprechgrenze entsprechende Spannung sowie eine dem Stromistwert entsprechende Spannung zugeführt sind, derart, daß beim Über- und Unterschreiten der Stromansprechgrenze durch den Stromistvvert jeweils eine Änderung des Ausgangssignals des Komparators erfolgt.

Für die erfindungsgemäße Regeleinrichtung können

,V₆...., ~..~_K —.. ₆~.. _e- grundsätzlich Regler mit unterschiedlichem Zeit-

stellt. Das Strukturbild nach Gleichung (2) ergibt sich 35 verhalten eingesetzt werden, z. B. I-, PI- oder PlD-aus der Parallelschaltung eines P- und eines I-Gliedes. Regler. Wesentlich ist nur, daß der Stromregler min-/ i_s und Ia seien Stromsoll- bzw. Stromistwert, U_A die destens ein I-Glied enthält.

Ausganpspannung des Stromreglers. Nach dem Um- Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dall

schalten von der einen Stromrichtergruppe auf die der Stromregler au» der Parallelschaltung eines P-Glieandere steht der Stromsollwert I_As am Eingang des 40 des und eines I-Gliedes aufgebaut ist, deren Ausgangs-Reglers an, Ausgangsspannung U_A und Istwert I_A sind signale in einem nachgeschalteten Verstärker summiert zunächst Null. Nach dem Aufheben der Reglersperre werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausfunspringt die Ausgangsspannung auf den durch das rungsform ist der Stromregler aus einem I-Glied ge-P-Glied gegebenen Wert k ■ I_As und steigt dann ab- bildet, dessen ohmschen Eingangswiderständen ein hängig von der am Eingang des Reglers anstehenden 45 Kondensator parallel geschaltet ist. Schließlich kann Differenz /^₅ - Ia so lange an, bis Soll- und Istwert der Stromregler aus einer Reihenschaltung von zwei gleich sind. Die für den jeweiligen Arbeitspunkt des
Stromrichters benötigte Spannung Ua wird im eingeschwungenen Zustand (l_As — Ia — 0) durch die Ausgangsspannung des I-Gliedes gegeben. Das I-Glied 5°
muß also in jedem Fall nach der Umschaltung au^f

PT PT

mit T₁ =

(D

(2)

umwandeln.

In F i g. 2 sind die Strukturbilder eines Ankerstromreglers entsprechend den beiden Gleichungen dargeid i

diesen Wert hochlaufen, wofür eine Zeit benötigt wird, die vom Arbeitspunkt, vom Parameter T₁ und von der am Eingang zur Verfügung stehenden Soll-Istwertdifferenz abhängig ist.

Der Grundgedanke der 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

Verstärkern aufgebaut sein, von denen der eine von P-auf PD-Verhalten umschaltbar ist, während der andere als Integrator beschaltet ist.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in

F i g. 3 die Schaltung einer Regeleinrichtung nach der Erfindung mit einem Stromregler, der aus der Parallelschaltung eines P-Gliedes und eines I-Gliedes aufgebaut ist,

F i g. 4 die Schaltung einer Regeleinrichtung nach der Erfindung mit einem Stromregler, der aus einem !•Glied gebildet ist, dessen ohmschen Eingangswider-

meter k und T des Reglers sind durch das für die IGlied gebil , g

Stromregelung geforderte dynamische Verhalten der 60 ständen ein Kondensator parallel geschaltet ist,

Betrieb befindlicher Regelung mit Rücksicht auf die Stabilität nicht wrsentlich gegenüber dem üblichen Einstellwert vermindert werden. Eine Verkürzung der Zeit läßt sich aber durch Verringerung des Parameters T₁ erreichen. Eine Verminderung von T₁ ist möglich, solange nach der Umschaltung noch kein bzw.

Reihenschaltung von zwei Verstärkern aufgebaut ist. Die in F i g. 3 gezeigte Regeleinrichtung umfaßt einen Verstärker 1 mit einem im Gegenkopplungskreis liegenden ohmschen Widerstand R₃. Über einen ersten ohmschen Eingangswiderstand R₁ des Verstärkers 1 wird der Stromsollwert Is und über einen zweiten,

5 6

Vorzugsweise gleich großen, ohmschen Eingangswider- F i g. 3 gezeigten Beispiel einen geringeren Verstärker-

stand R₂ der Stromistwert / zugeführt, Der Soll-Ist- aufwand erfordert. Der Stromregler ist dabei aus dem

wertvergleich erfolgt in bekannter Weise durch Gegen- I-Olied 3, bestehend aus dem Verstärker mit dem im

einanderschaltung beider Werte. Der eigentliche Gegenkopplungskreis liegenden Kondensator C₁, und

Stromregler ist aus der Parallelschaltung beider Werte. S einem parallel zu den ohmschen Eingangswiderständen

Der eigentliche Stromreglef ist aus der Parallelschal- /?„, R₁ des I-Gliedes ? angeordneten Kondensator C₂

tung eines P-Gliedes 2, bestehend aus einem Verstärker gebildet. Der Stromregler besitzt wie im ersten Aus-

mit einem im Gegenkopplungskreis liegenden ohm- führungsbeispiel ein Pl-Verhalten. Die P-Verstärkung

sehen Widerstand R₁. und eines I-Gliedes 3, bestehend ergibt sich hierbei aus dem Quotienten der Kapazitäten

aus einem Verstärker mit einem im Gegenkopplungs- io C_t zu C₁. Die Änderung der Integrationskonstante des

kreis liegenden Kondensator C₁, aufgebaut. Die vom I-Gliedes 3 erfolgt in gleicher Weise, wie bereits im

Verstärker 1 gebildete Soll-Istwertdifferenz (Regelab- Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben,

weichung) wird dem P-Glied 2 über einen ohmschen F i g. 5 erläutert ein drittes Ausführungsbeispiel der

Eingangswiderstand R₅ sowie dem I-Glied 3 über zwei Regeleinrichtung nach der Erfindung. Diese Schaltung

ohmsche Eingangswiderstände R„ R-, zugeführt. In 15 erfordert ebenfalls nur einen geringen Verstärkerauf-

einem nachgeschalteten Verstärker 4 mit einem im wand. Der in diesem Beispiel gezeigte Regler besteht

Gegenkopplungskreis liegenden ohmschen Wider- aus einem ersten Verstärker 7 mit einer von P- auf

stand R» wird die Summierung des über einen ersten PD-Verhalten umschaltbaren Beschattung und einem

ohmschen Eingangswiderstand R_t zugeführten P-An- hierzu in Reihe liegenden zweiten Verstärker 8, der als

teils und des über einen zweiten ohmschen Eingangs- *o Integrator beschaltet ist und somit I-Verhalten besitzt,

widerstand R₁₀ zugeführten !-Anteils durchgeführt. Die Zuführung des Stromsollwertes /.« und des Strom-

Das Ausgangssignal des Verstärkers 4 beeinflußt dann istwertes / sowie der Soll-Istwertvergleich erfolgen

beispielsweise ein Impulsgerät, welches die Zünd- analog zu F i g. 3 und <*. Der Verstärker 7 hat einen

impulse für den Stromrichter liefert. ersten Gegenkopplungskreis mit zwei ohmschen

Die Änderung der Integrationskonstante des I-Glie- »5 Widers» .irden R₁₄. A₁₅ und einem gegen Null geschaldes 3 wird durch Kurzschluß bzw. Freigabe des im teten Kondensator C_n sowie einen zweiten mit einem Eingangskreis des I-Gliedes liegenden ohmschen ohmschen Widerstand R,,. Der Verstärker 8 hat einen Eingangswiderstandes R, bewirkt. Ist der Eingangs- ohmschen Eingangswiderstand R_n und einen Gegenwiderstand R, kurzgeschlossen, ergibt sich eine kürzere kopplungskreis mit einem Kondensator C,. Das Aus-Integrationszeit als bei wirksamem Widerstand: 3" gangssignal des Verstärkers 8 beeinflußt auch hier bei- ^t-C₁ (R_s Λ,) · C₁ . Der Kurzschluß des Ein- spielsweise ein Impulsgerät, welches die /ündimpulse gangswiderstandes R, wird von einem elektronischen für den Stromrichter liefert.

Schalter 6 vorgenommen. Für diesen Schalter kann Die Änderung der Integrationszeit des Stromreglers beispielsweise eine Schaltung mit einem Feldeffekt- wird in diesem Fall durch Kurzschluß bzw. Freigabe Transistor eingesetzt werden. Gesteuert wird der 35 des Kondensators C_n bewirkt. Ist der Kondensator C_n Schalter 6 von einem als Komparator 5 arbeitenden kurzgeschlossen, so ergibt sich unter der Vorausset- \ erstärker. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß bei zung R₁, $> R₁₁ - R_n eine kürzere Integrationszeit als Stromistwert Null der Schalter 6 geschlossen ist. Mit bei freigegebenem Kondensator. Bei kurzgeschlosseeinem Poteniiometer R_n wird eine geringfügig ober- nem Kondensator C_n ist nur die Gegenkopplung über halb Strom Null liegende Stromansprechgrenze für den 40 den hochohmigen Widerstand R₁, wirksam. Eine hoch-Stromistwert / eingestellt. Der am Potentiometer R_n ohmige Gegenkopplung ergibt eine hohe Verstärkung abgegriffene Wert wird über einen ohmschen Wider- und damit eine kurze Integrationszeit. Wird andererstand R₁₁ mit dem über einen ohmschen Widerstand setts durch Aufhebung des Kurzschlusses von Konden- R₁₃ zugeführten Stromistwert / durch Gegeneinander- sator C₀ die niederohmige Gegenkopplung über die schaltung verglichen, überschreitet der Stromistwert / 45 ohmschen Widerstände R₁, und R₁₅ freigegeben, so er· die vorgegebene Stromansprechgrenze, so kippt der gibt sich durch die niedrige Verstärkung eine längere Komparator 5 von einer Aussteuer grenze auf die Integrationszeit. Die Voraussetzung R₁, f> R₁₄ - R₁, andere, und der vorher geschlossene Schalter 6 wird läßt sich z. B. bei den üblichen Ankerstromregelkreiser geöffnet. einhalten. Andernfalls könnte die Gegenkopplung

Die Anregelzeit nach jeder Umschaltung wird gegen- 50 über den ohmschen Widerstand R₁₆ analog zu der übei

über einem normalen Regler stark verkürzt. Nach der die ohmschen Widerstände R₁₁ und R₁₃ unwirksarr

Umschaltung von einer auf die andere Stromrichter- gemacht werden, wenn letztere freigegeben wird. Dei

gruppe läuft der Stromregler infolge der kurzen Inte- aus der Reihenschaltung der Verstärker 7 und 8 be

grationszeit sehr schnell so weit hoch, bis der Strom- stehende Regler hat I-Verhalten. wenn der Konden

richter anfängt, Strom zu führen. Das Integrieren wird 55 sator C₀ kurzgeschlossen ist. dagegen Pl-Verhalten

dann verlangsamt. Nach Durchlaufen des Lückberei- wenn der Kurzschluß von Kondensator C₀ aufgehober

ches wird bei nichtlückendem Strom dauernd auf die ist. Der Kurzschluß des Kondensators C₉ wird vor

dabei regelungstechnisch notwendige längere Integra- dem elektronischen Schalter 6 vorgenommen, der ir

tionszeit umgeschaltet. der gleichen Weise gesteuert wird wie bei den Ausfüh

Durch Änderungen in der Anordnung der Verstärker 60 rungsbeispielen gpmäß F i g. 3 und 4.

läßt sich die Schaltung der erfindungsgemäßen Regel- Durch die Erfindung wird mit einer kreisstromfreiei

einrichtung unter Beibehaltung des der Erfindung zu- Gegenparallelschaltung eine, bis auf die Totzeit voi

erunde liegenden Lösungsprinzips in vorteilhafter einigen Millisekunden, der kreissttomgeregeltei

Weise abwandeln. Gegenparallelschaltung entsprechende gute Regel

F i g. 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel solch 65 dynamik im gesamten Betriebsbereich &^s Strom

eine abgewandelte Schaltung, die gegenüber dem in richterantriebs erreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

2387

Claims

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung für einen Stromrichteranirieb in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung mit einem mindestens ein I-Glied aufweisenden Stromregler für die Stromricluergruppen beider Drehmomentenrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler zur Verkürzung der Anregelzeit nach der Umschaltung von einer Stromrichtergruppe auf die andere derart beeinflußt ist, daß er bei einem Stromistwert unterhalb eines einstellbaren Wertes (Stromansprechgrenze) eine wesentlich kürzere Integrationszeit als bei einem Stromistwert oberhalb dieses Wertes besitzt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromregler eine Umschalteinrichtur.g zugeordnet ist, die die Integrationskonstante des I-Gliedes abhängig vom Überoder Unterschreiten der Stromansprechgrenze durch den Stromistwert ändert.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung aus einem Komparator (5) oder einem als Komparator (5) geschalteten Verstärker sowie einem elektronischen Schalter (6) besteht, der vom Ausgangssignal des Komparators (5) bzw. des als Komparator (5) geschalteten Verstärkers gesteuert ist.

4. Regeleinricntung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kcnparator (5) bzw. dem als Komparator (5) geschalteten Verstärker eine an einem Potentiometer (A_n. einstellbare, der einstellbaren Stromansprechgrenze entsprechende Spannung sowie eine dem Stromistwert entsprechende Spannung zugeführt sind, derart, daß beim Über- und Unterschreiten der Stromansprechgrenze durch den Stromistwert jeweils eine Änderung des Ausgangssignals des Komparators (5) erfolgt.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler aus der Parallelschaltung eines P-Gliedes (2) und eines I-Gliedes (3) aufgebaut ist, deren Ausgangssignale in einem nachgeschalteten Verstärker (4) summiert werden (Fig. 3).

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler aus einem I-Glied (3) gebildet ist, dessen ohmschen Eingangswiderständen (/?„, Λ,) ein Kondensator (C₂) parallel geschaltet ist ( F i g. 4).

7. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekinnzeichnet, daß der Stromregler aus einer Reihenschaltung von zwei Verstärkern (7, 8) aufgebaut ist, von denen der eine (7) von P- auf PD-Verhalten umschaltbar ist, während der andere (8) als Integrator beschaltet ist (F i g. 5).