DE2017791C3

DE2017791C3 - Regeleinrichtung für einen Stromrichterantrieb mit Drehmomentumkehr in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung

Info

Publication number: DE2017791C3
Application number: DE2017791A
Authority: DE
Inventors: Arne Dipl.-Ing. 1000 Berlin Buxbaum
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1970-04-08
Filing date: 1970-04-08
Publication date: 1981-10-08
Also published as: SE370476B; DE2017791A1; FI57030C; DE2017791B2; FI57030B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen Stromrichterantrieb mit Drehmomentumkehr in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung gemäß dem Oberbegriff- des Patentanspruchs (VDE-Buchrcihe Bd. 11,1966, S. 249. Bild 11).

In der S.iomrichter-Antriebstechnik sind verschiedene nachstehend abgehandelte Schaltungen zur Drehmomentenumkehr bekannt (vgl. VDE-Buchreihe Bd. II, 1966,S.247bis251).

Die beste Rcgeldynamik, d h. ein stufenloser Übergang des Antriebes vom motorischen auf generatorischen Betrieb, and umgekehrt, w.rd mit der kreisstromgeregelten Kreuz- bzw. Oegenparallelschaltung erreicht. Hierbei erhält jede Stron.. ichtergruppe 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 nichtlUckenden Bereich arbeiten.

Eine nur unwesentlich schlechtere Regeldynamik erreicht man mit einer kreisstromfreien Gegenparallelschaltung mit zwei Stromreglern und zwei Steuersätzen. 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 Anre,gelzeit der Stromregelung nur eine Totzeit von einigen Millisekunden auf.

Die Reglerführung arbeilet bei dieser Schaltung jedoch nur einwandfrei, wenn der Antrieb mit nichtlückendem Strom betrieben wird. Die Verstärkung der Regelstrecke, die bei nichiliickendem Strom etwa konstant ist, ändert sich beim Übergang in den Liickbereich sehr stark. In F i g. 1 sind die Kennlinien des Ankerstromes als Funktion des Anschnittwinkels ß=\80°-<x. mit der Motor-EMK als Parameter, für eine Drehstrombrflckenschaltung dargestellt. Die Verstärkung ergibt sich aus der Steigung der Kennlinie, Sie nimmt nach dem Übergang auf lockenden Ankerstrom stark ab. Man erkennt, daß unterhalb der Lüekgrenze 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 da· also der

ι ο Stromrichter immer mit nichtlückendem Strom arbeitet, oder die Lückgrenze muß mit entsprechendem Aufwand durch eine große Gleichstrom-Glättungsdrossel herabgesetzt werden.
Den geringsten Aufwand, aber auch die ungünstigsten

is dynamischen Eigenschaften besitzt die kreisstromfreie Gegenparallelschaltung mit nur einem Stromregler, einem Steuersatz und Impulsumschaltung von einer Stromricluergruppe 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 Stromreglers den gesamten Bereich von Wechselrichter- bis unter Umständen volle Gleichrichteraussteuerung durchlaufen, ehe wieder ein Ankerstrom fließen kann. Infolge der PI-Beschaltung des Stromreglers ist hierfür eine Zeit erforderlich, die bei kleinen Betriebsströmen die Größenordnung vor;Sekunden erreichen kann.

Aus der DE-PS 9 02 638 ist eine Anordnung bei automatischen elektrischen Reglern bekannt, um die Stärke oder die Zeitkonstante der vorübergehenden Rückführung davon abhängig zu machen, in welchem Teil eines möglichen Regelbereiches einer zu regelnden Größe die Regelung stattfindet, wobei eine der zu regelnden Größe folgende Spannung einem Impulsglied für die Rückführung des Reglers über ein Glied zugeführt wird, welches die Wirkung der Rückführimpulse in Abhängigkeit-von der Größe oder der Richtung der genannten Spannung verändert.

Aus der DE-AS 11 06 336 ist es bfkannt, zur Regelung der Frischdampftemperatur von Dampferzeugern mit stark schwankender Belastung, den I-Anteil eines Pl-Reglers in Abhängigkeit von der Störgröße (Dampfmenge oder -druck) zu verstellen und hierbei für die Eingangsgröße des I-Anteils eine veränderliche Spannungsteileranordiiung vorzusehen.

Aus der Druckschrift »XI. Internationales wissenschaftliches Kolloquium« der Technischen Hochschule Ilmenau, Heft 2. S. 19 bis 27. 1966. ist es bekannt, daß die

so Stromregelstrecke bei lückcndem 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 Reglerrückführung umschallenden Einrichtung zu verändern, wobei der Stromreglcr sowohl bei lückendem als auch bei nichtlückendem Strom ein Pl-Verhalten aufweist. Bei lückenlosem Strom ist der Stromregler betragsoptimal und der Drehzahlregler symmetrisch optimal eingestellt. Es wird angestrebt, im Bereich kleiner Ströme ein gleich gutes dynamisches Verhalten wie im übrigen Slrombcreich zu gewährleisten. Die Riickfiihrbeschaltung sowohl des .Stromreglers als auch des Drehzahlreglers wurde bei Übergang in den Lückbetrieb so verändert, daß auch bei l.ückbetrieb im Frequcnzkennlinicnbild möglichst die gleiche Schnittfreqiicn/ und der

gleiche Phasenrand vorhanden ist wie bei lückenlosem Strom.

Ausgehend von der aus der VDE-Buehreihe, Band 11 aaO, insbesondere Bild Il und zugehörigem Text, bekannten Regeleinrichtung gemäß dem Oberbegriff s des Anspruchs liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anregelzeit nach der Umschaltung von einer Stromrichtergruppe auf die andere zu verkürzen.

Um die dabei ablaufenden Vorgänge zu verdeutlichen, werden zunächst einige regelungstechnische Betrachtungen durchgeführt.

Der Frequenzgang G eines PI-Reglers lautet

(D

Er läßt sich in die Form

k +

PT,

mit T₁ = —

(2)

umwandeln.

In Fig.2 sind die bekannten StrukturbVder eines Ankerstromreglers entsprechend den beiden Gleichungen dargestellt (»Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge« von W. Oppelt, 3. Auflage I960, S. 260 und S. 608). Das Strukturbild nach Gleichung (2) ergibt sich aus der Parallelschaltung eines P- und eines I-Gliedes. /as und Ia seien Stromsoll- bzw. Stromistwert, Ua die Ausgangsspannung des Stromreglers. Nach dem Um- jo schalten von der einen Stromrichtergruppe auf die andere steht der Stromsoll'vert /^₅ am Eingang des Reglers an, Ausgangsspannung Ua und Istwert U sind zunächst Null. Nach dem Aufheben der Reglersperre springt die" Ausgangsspannung auf den durch das J5 P-Glied gegebenen Wert k ■ Ia_s und steigt dann abhängig von der am Eingang des Reglers anstehenden Differenz Ia_s— Ia so lange an, bis Soll- und Istwert gleich sind. Die für den jeweiligen Arbeitspunkt des Stromrichters benötigte Spannung Ua wird im eingeschwungenen Zustand (1,J-Ia = O) durch die Ausgangsspannung des I-Gliedes gegeben. Das I-Glied muß also in jedem Fall nach der Umschaltung auf diesen Wert hochlaufen, wofür eine Zeit benötigt wird, die vom Arbeitspunkl. vom Parameter Ti 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. Eine Verkürzung der Zeit läßt sich durch Verringerung des Parameters 7Ί erreichen. Die Parameter k und T des Reglers sind durch das für die Stromregelung geforderte dynamisch? Verhalten der Regelung bestimmt. Der

Wert T\ = — kann bei in Betrieb befindlicher Regelung mit Rücksicht auf die Stabilität nicht wesentlich gegenüber dem üblichen Einstellwert vermindert werden. Eine Verminderung von Ti ist jedoch 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.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die im Anspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst. fei

Für die erfindungsgcmäßc Regeleinrichtung können grundsätzlich Regler mit unterschiedlichem Zeitverhallen eingesetzt werden /. B. 1-, Pl- oder PID-Regler.

Wesentlich ist nur, daß der Stromregler mindestens ein I-Glied enthält.

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

F i g. 3 die Schallung 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 Schallung einer Regeleinrichtung nach der Erfindung mit einem Stromregler, der aus einem I-Glied gebildet ist, dessen ohmschen Eingangswiderständen ein Kondensator parallel geschaltet ist.

Die in F i g. 3 gezeigte Regeleinrichtung umfaßt einen Verstärker 1 mit einem im Gegenkopplungskreis liegenden ohmschen Widerstand R₃. Ober einen ersten ohmschen Eingangswiderstand Ri des Verstärkers 1 wird der Stromsollwert Is und über einen zweiten, vorzugsweise gleich großen, ohmschen Eingangswiderstand R₁ der Stromistwert I zugeführt. Der Soll-Istwertvergleich erfolgt in bekannter Weir· 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 Ra, und eines I-Gliedes, bestehend aus einem Verstärker 3 mit einem im Gegenkopplungskreis liegenden Kondensator Ci, aufgebaut. Die vom Verstärker t gebildete Soll-Istwertdifferenz (Regelabweichung) wird dem P-Glied über einen ohmschen Eingangswiderstand Rs sowie dem I-Glied über zwei ohmsche Eingangswiderstände Rb, Ri zugeführt. In einem nachgeschalteten Verstärker 4 mit einem im Gegenkopplungskreis liegenden ohmschen Widerstand Rg wird die Summierung des über einen ersten ohmschen Eingangswiderstand R₉ zugeführten P-Anteils und des über einen zweiten ohmschan Eingangswiderstands Rio zugeführten I-Anteils durchgeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 4 beeinflußt dann beispielsweise, einen Steuersatz, der die Zündimpulse für den Stromrichter liefert.

Die Änderung der Integrationskonstante des I-Gliedes wird durch Kurzschluß bzw. Freigabe des im Eingangskreis des I-Gliedes liegenden ohmschen Eingangswiderstandes Re bewirkt. Ist der Eingangswiderstand Re kurzgeschlossen, ergibt :ich eine kürzere Integrationszeit als bei wirksamem Widerstand:

R₇ · C, <(R_b+Ri) ■ C₁.

Der Kurzschluß des Eingangswiderstandes Rt, wird von einem elektronischen Schalter 6 .vorgenommen. Für diesen Schalter kann beispielsweise eine Schaltung r.iit einem Feldeffekt-Transistor eingesetzt werden. Gesteuert wird der Schalter 6 von einem als Komparator 5 arbeitenden Verstärker. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß bei Stromistwert Null der Schalter 6 geschlossen ist. Mit einem Potentiometer Rt\ wird eine geringfügig oberhalb Strom Null liegende Stromansprechgrenze für den Stromistwer· / eingestellt. Der am Potentiometer Rn abgegriffene Wert wird über einen ohmschen Widerstand R\₂ mit dem über einen öhffiSchen Widerstand Rd zugeführten Stromistwert / durch Gegeneinanderschaltung verglichen. Überschreitet der Stromistwert /die vorgegebene Stromansprechgrenze, so kippt der Komparator 5 von einer Aussteuergrenze auf die andere, und der vorher geschlossene Schalter 6 wird geöffnet.

Die Anregcl/.cit nach jeder Umschaltung wird gegenüber einem normalen Regler stark verkürzt. Nach der Umschaltung von einer auf die andere Stromrichtergruppe läuft der .Stromregler infolge der kurzen Inlegrationszeit sehr schnell so weit hoch, bis der Stromrichter anfängt. Strom zu führen. Das Integrieren wird dann verlangsamt.

Durch Änderungen in der Anordnung der Verstärker läßt sich die Schallung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung unter Beibehaltung des der Erfindung zugrunde liegenden Lösungsprinzips in vorteilhafter Weise abwandeln.

I'ig. 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel solch eine abgewandelte Schaltung, die gegenüber dem in F- i g. 3 gezeigten Beispiel einen geringeren Verstärkcraufwand erfordert. Der Siromrcglcr ist dabei aus dem !•Glied, bestehend aus dem Verstärker 3 mit dem im Gegenkopplungskrcis liegenden Kondensator CV und einem parallel zu den ohmschcn Eingangswiderständen Rt,. Rj des I-Gliedes angeordneten Kondensator Ci

^r> gebildet. Der .Stromregler besitzt wie im ersten Ausführungsbeispiel ein Pl-Verhalten. Die P-Vcrstärkung ergibt sich hierbei aus dem Quotienten der Kapazitäten G zu CV Die Änderung der Integrationskonstante des I-Gliedes erfolgt in gleicher Weise, wie

ίο bereits im Zusammenhang mit F-* i g. 3 beschrieben.

Durch die Erfindung wird mit einer kreisstromfreien Gegenparallelschaltiing eine, bis auf die Totzeit von einigen Millisekunden, der kreisstromgercgcltcn Gegcnpariillelsehaltung entsprechende gute Rcgcldyiiamik

ι "> im gesamten Hctriebsbereieh lies Stromrichterantriebs erreicht.

Hierzu I Blatt /.eichnunUl-η

Claims

Patentanspruch:

Regeleinrichtung für einen Stromrichterantrieb mit Drehmomentumkehr in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung mit einem mindestens ein !-Glied aufweisenden Stromregler, einem Steuersatz und Impulsumschaltung zwischen den Stromrichtergruppen beider Drehmomentenrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß das I-GIied bei einem Stromistwert unterhalb eines einstellbaren Wertes bei einer Stromansprechgrenze geringfügig oberhalb von Null eine wesentlich kürzere Integrationskonstante als bei einem Stromistwert oberhalb dieses Wertes besitzt.