DE2316264C3 - Regler für einen stromrichtergespeisten Gleichstromantrieb mit Momentenumkehr - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Regler der im Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruches 1 gekennzeichneten Gattung. Sie findet Anwendung bei der Regelung eines stromrichtergespeisten, drehzahlgeregelten Gleichstromantriebes mit Momentenumkshr durch mechanische Umschaltung im Ankerstromkreis oder durch Feldumkehr.

Ein solcher Regler ist in der US-PS 36 94 720 beschrieben. Im bekannten Fall wird jedoch von einer völlig unterschiedlichen grundsätzlichen Problematik ausgegangen, als sie dem Gegenstand der Erfindung zugrundeliegt Im bekannten Antriebssystem ist ein hochdynamischer Vierquadrantensteller als Gleichstromsteller eingesetzt Dabei entstehen Probleme mit der Umpolung der Stromrichtung nicht wie sie bei kreisstromfreien netzgeführten Umkehrstromrichtern

so auftreten. Der bekannte Regler soll nur beim Starten und Stoppen des Antriebes als P-Verstärker, sonst aber als PI-Verstärker arbeiten. Hierzu schließt ein Analogsch?lter den Rückführkondensator kurz, so daß aus der nachgebenden eine starre Rückführung wird. Der Analogschalter besteht aus vier Dioden, die über Transistoren von einem Schwellwertschalter mit Transistoren gesteuert werden. Die erstgenannten Transistoren arbeiten mit Dioden zusammen als Betragsbildner. Sie bilden den Betrag einer Drehzahlregler-Ausgangsspannung, die den Stromsollwert darstellt Es soll also nicht zwischen positiver und negativer Stromrichtung im Betrieb zwischen Starten und Stoppen unterschieden werden. Hingegen soll der Drehzahlregler als PI-Regler arbeiten, wenn der Stromsollwert kleiner ist als der Beschleunigungsstrom, sonst aber als P-Verstärker mit Sättigung. Der Vorteil dieser Strukturumschaltung besteht darin, daß beim Anfahren eines bestimmten Drehzahlsollwertes mit maximalem Strom bzw. Strom-

Sollwert (Drehzahlregler gesättigt) kein Überschwingen entsteht, wie es sich unter gleichen Umständen mit einem üblichen PI-Regler wegen der im Kondensator gespeicherten Ladung ergeben würde. Der bekannte Regler besitzt weiterhin jeweils in Reihe mit einem s Teilwiderstand eines Potentiometers zwischen Ausgang und Eingang des Operationsverstärkers geschaltete Dioden, wobei die Dioden in die parallelen Diodenzweige, mit entgegengesetzter Polarität eingeschaltet sind. Äquivalent dazu können antiseriell geschaltete Zener- to dioden gemeinsam mit einem Potentiometer zwischen Aus- und Eingang des Verstärkers geschaltet sein. In beiden Fällen wird eine Ausgangsspannungsbegrenzung bzw. eine Einstellung des Sättigungsbereiches vorgenommen. Es handelt sich somit um eine nichtlineare is Rückführung.

Ein Regler der eingangs genannten Gattung ist auch ohne Bezugnahme auf ein spezielles Anwendungsgebiet in der DE-AS12 92 900 beschrieben.

Mit kreisstromfreien netzgeführten Umkehrstromrichtern ausgerüstete Gleichstromantriebe mit Momentenumkehr bzw. Reversierantriebe arbeiten mit Feld Stromumkehr oder mit Ankerstromumkehr. Se;/t man zur Speisung aus dem Wechsel- oder Drehstromnetz einen gesteuerten Gleichrichter ein, so polt man für eine Drehmomentenumkehr den Anker oder das Feld z. B. mittels Wendeschütze um. Wendeschütze im Ankerkreis der Gleichstrommaschine können stromlos schalten, so daß der Kontaktverschleiß an sich gering ist Wegen der allgemeinen mechanischen Beanspruchung sollen jedoch die Wendeschütze möglichst wenig schalten. Die Steuer- und Regeleinrichtung des Gleichrichters, die auch die Schütze steuert muß entsprechend konstruiert sein.

Ein weiteres Problem bei der Drehzahlregelung ist die Stabilisierung der Arbeitsbereiche für positive und negative Drehrichtung, sowie für die Betriebsfälle Treiben und Bremsen. Es ist ferner ein drehzahlgeregelter Gleichstromantrieb mit überlagerter Ankerstromregelung bekannt, bei dem der Drehzahl- und der Ankerstromrejer aus dynamischen und statischen Gründen PI-Verhalten haben und ausgangsseitig einer Begrenzungsregelung unterworfen sind (Energieelektronik und geregelte elektrische Antriebe, VDE-Buchreihe, Bd. 11, 1966, S. 472 ff; DE-AS 15 63 706). Die bekannten Schaltungen weisen jeweils einen mit Eingangspotentiometern bestückten Operationsverstärker auf, der aufgrund seiner nachgebenden Rückführung PI-Verhalten hat Sie besitzen jedoch keine Schaltlogik für die Momentenumkehr. Soll eine Momentenumkehr stattfinden, so sind dem PI-Regler in üblicher Weise andere nichtlineare Glieder nachzuschalten.

In F i g. 1 ist ein solcher allgemein bekannter Regelkreis mit Drehzahl- und Ankerstromregler sowie Polaritätsmelder, jedoch ohne zusätzliche Begrenzungsregelung dargestellt Ein Drehzahlsollwert 1 wird mit einem Drehzahlistwert 2 von einem Drehzahlregler 3 verglichen. Das Ausgangssignal dieses Reglers stellt einen Stromsollwert 4 für einen Ankerstromregler 6 dar. Die Polarität des Stromsollwertes 4 gibt Auskunft über die gewünschte Momenten- bzw. Ankerstromrichtung. Deshalb wird eine dem Stromsollwert 4 proportionale Spannung zu einem Polaritätsmelder 7 geleitet Das Ausgangssignal des Polaritätsmelders 7 kann in Abhängigkeit vom Eingangssignal nur zwei festgelegte Werte annehmen. Dabei ist die Umschaltung von einem Wert zum anderen mit eint·' einstellbaren Umschalthysterese der Breite 2a bezüglich des Eingangssignals behaftet Das Schaltverhalten ist in Fig,2 dargestellt. Der Polaritätsmelder 7 steuert eine Umkehriogik 8. Diese Logik erzeugt ein Umschaltsignal 9. Damit eine Umschaltung stets nur dann eingeleitet werden kann, wenn der Ankerstrom auf den Wert Null abgesunken ist, wird die Erzeugung des Umschaltsignals 9 von einem Eingangssignal 10 abhängig gemacht, das anzeigt, ob ein Ankerstrom existiert oder nicht

Das Umschaltsignal 9 steuert einen bekannten Polaritätswender oder Kennlinienumschalter 11. In Abhängigkeit vom Umschaltsignal 9 arbeitet der Kennlinienumschalter 11 mit der Verstärkung V= +1 oder V= — 1. Dadurch wird erreicht, daß der mit beiden möglichen Vorzeichen versehene, auf den Eingang des Kennlinienumschalters gegebene Stromsollwert 4 in einen z. B. nur negativen Sollwert 12 umgeformt wird. Der so aufbereitete Stromsollwert 12 kann vom Ankerstromregler 6 mit dem z. B. nur positiven Stromistwert 13 verglichen werden. Der Ankerstromregler 6 steuert die Ausgangsspar ang 14 eines Leistungsstellgliedes !S, das aus einem Steuersatz zur Erzeugung der Zündimpulse für Thyristoren einer gesteuerten Gleichrichterbrücke und aus Ankerwendeschützen besteht Der Zustand der Ankerwendeschutze wird vom' Jmschaltsignal 9 bestimmt

Zur Funktionsbeschreibung werde angenommen, daß sich der Antrieb in einem stationären Zustand berindet: Drehrichtung A, Treiben mit Stromrichtung A. Am Eingang des Drehzahlreglers 3 mit einem Regelverstärker mit PI-Verhalten sind Drehzahlsollwert 1 und -istwert 2 entgegengesetzt gleich groß. Wird der Drehrichtung A ein positiver Drehzahlsollwert 1 zugeordnet so ist bei einem invertierenden Regelverstärker der Stromsollwert 4 negativ. Der Polaritätsmelder 7 meldet Stromrichtung A Bei einer Verringerung des positiven Drehzahlsollwertes 1 wird sich der negative Stromsollwert 4 verringern und in Richtung positiver Werte laufen, solange der DrehzaMistwcrt 2 zu groß ist Ist die durch die Sollwertsänderung hervorgerufene Regelabweichung groß, so wird der Strop jollwert soweit positiv, daß die Umschaltschwelle + a (s. Fig.2) des Polaritätsmelders 7 überschritten wird. Es Findet eine Umkehr in der Ankerstronirichtung statt so daß der Antrieb elektrisch gebremst %'ird.

Zur Verringerung der Umschalthäufigkeit wirci die Schalthysterese des Polaritätsmelders 7 möglichst groß gewählt Wegen der integrierenden Wirkung des PI-Drehzahlreglers 3 ist es jedoch möglich, daß auch bei kleinen Sollwertänderungen jede beliebige Schaltschwelle des Polaritätsmelders 7 erreicht wird. Deshalb ist die Schaltanordnung nach F i g. 1 für Stromrichtergeräte mit mechanischer Umschaltung des Motorankers bezüglich der Schalthäufigkett nicht optimal. Dieser Nachteil besteht auch, wenn statt im Ankerstromkreis eine mechanische oder elektronische Umschaltung im Feldstromkreis vorgesehen ist. Zur Verringerung der Schalthäufigkeit ist es daher üblich, den Pl-Drehzahlregler 3 in einen P- und in einen PI-Verstärker 3' und 3 aufzuspalten (Fig.Z) und die Entscheidung über die Stromrichtung nicht vom Stroinsollwert 4. sondern von der hinter dem P-Verstärker 3" abgegriffenen Regelabweichung 5 abzuleiten. Die Kegelabweichung 5 wird wiederum auf den Polaritätsmelder 7 gegeben. Die Schalthysterese des Polaritätsmelders 7 läßt sich je nach Bedarf so einstellen, dw» nur solche Regelabweichungen 5 eine Umschaltung verursachen können, die am Ausgang des P-Verstärkers 3¹ eine Spannung verursa-

chen, die die Schaltschwelle +a oder — a des Polaritätsmelders 7 Ober- bzw. unterschreitet. Eine solche Schaltungsanordnung, die in F i g. 3 dargestellt ist und deren Elemente analog zu denen der Ausführung in F i g. 1 bezeichnet sind, hat den Vorteil, daß bei kleinen Sollwertänderungen im Sinne einer Drehzahlverminderung kein Bremsvorgang in Verbindung mit dem Umschalten von Schützen stattfindet Die Verringerung der Drehzahl des Antriebes kommt daher nur durch ein Reib- oder Lastmoment zustande. Wahrend dieser Zeit läuft der Stromsoüwert 4 in die Richtung, die einem Bremsstrom entspricht. Daraus ergibt sich folgender Nachteil: 1st der Drehzahlistwert 2 so weit abgesunken, daß die Regelabweichung 5 verschwunden ist, so wird zur Aufrechterhaltung der Drehzahl wieder Ankerstrom benötigt Da der Stromsollwert 4 jedoch bei einem Wert steht der nicht Treiben, sondern Bremsen entspricht muß der Drehzahlistwert 2 so lange • !«Ιηίηη ki«, J« Clpnmonlliuorl Λ tuioAor einen Wert nachgebende Rückführung in eine starre Rückführung übergeführt werden kann (Kurzschließen des Rückführungskondensators); aber keine parallelgeschaltete starre Rückführung existiert

Bei Einsatz des Reglers als Drehzahl- oder Ankerspannungsregler eines stromrichtergespeisten Gleichstromantriebes mit Momentenumkehr durch mechanische Umschaltung im Ankerstromkreis oder durch Feldumkehr kann nämlich die Schalthäufigkeit der

to Wendeschütze verringert werden, indem die Entscheidung über die Durchführung einer Momentenumkehr von der Ausgangsspannung des Regelverstärkers abgeleitet wird. Die Schaltschwellen eines Polaritätsmelders, der die Entscheidung über die Durchführung

t5 der Momentenumkehr anhand einer Spannung fällt, die der Regelabweichung proportional ist wird zweckmäßig in Abhängigkeit von der Drehrichtung so gesteuert, daß zum Erreichen der Schaltschwelle für eine Unischäliun¹* vom Betriebszustand Tr?ib?n zürn B?-

annimmt, der dem Betriebszustand Treiben oder Beschleunigen entspricht Es entsteht also ein kräftiges Unterschwingen.

Der Erfindung liegt ausgehend vom eingangs beschriebenen bekannten Regler, die Aufgabe zugrunde, einen Regler zu schaffen, bei dessen Einsatz in Verbindung mit umschaltbaren, netzgeführten Stromrichtern das Regelverhalten verbessert wird, d. h. das vorbeschriebene Unterschwingen und die Schalthäufigkeit vermindert wird, die die Funktion des Ausgangssignals eines am Ausgang des Reglers anschließbaren Polaritätsmelders ist

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhaft läßt sich der Umschalter so steuern, daß der Operationsverstärker bei Ausgangsspannungen der ungewünschten Polarität über den einstellbaren ohmschen Widerstand proportional geschaltet wird (starre Rückführung). Die Umschaltung erfolgt in Abhängigkeit von der Polarität eines Eingangs- oder Ausgangssignals des Reglers. Dabei kann die nichtgewünschte Polarität des Ausgangssignals durch Umschaltung zwischen zwei entgegengesetzt gepolten und in der starren Rückführung liegenden Dioden unterdrückt werden.

In Gegensatz zu den als Begrenzungseinrichtungen wirkenden Dioden in der Rückführung des bekannten Reglers (US-PS 36 94 720), die eine nichtlineare Rückführung darstellen, arbeiten die erfindungsgemäß eingesetzten Dioden als polaritätsabhängige Schalter. Die Polarität der Ausgangsspannung des Verstärkers 116 einerseits und die Polung der Dioden andererseits bestimmen, ob die hier als linear anzusehende starre Rückführung wirksam wird oder nicht Der polaritätsabhängig gesteuerte Umschalter in Verbindung mit den Dioden verbessert wesentlich das Regelungsverhalten von, wie eingangs beschrieben, üblicherweise für Gleichstromantriebe eingesetzten umschaltbaren, netzgeführten Stromrichtern; denn diese können natürlich, solange sie nicht umgeschaltet werden, nur einen Strom gleichbleibender Richtung abgeben. Diesem ist eine bestimmte Polarität der Drehzahlregler-Ausgangsspannung zugeordnet Bei dieser ist der Regler PI-beschaltet Bei der entgegengesetzten Polarität ist die starre Rückführung wirksam und wird nur unter der Voraussetzung durch den Umschalter abgeschaltet daß auch der Stromrichter umgepolt wird bzw. umgepolt worden ist Die Steuerung dieser Strukturumschaltung stellt den wesentlichen regelungstechnischen Vorteil gegenüber dem bekannten Regler dar, bei dem zwar die triebszustand Bremsen eine große und umgekehrt eine kleine Regelabweichung nötig ist

Zur Verringerung des Unterschwingens des Drehzahl- oder Ankerspannungsistwertes eines stromrichtergespeisten Gleichstromantriebes mit Momenten- umkehr kann die umschaltbare, polaritätsabhängige Proportionalbeschaltung so in Abhängigkeit von der Drehrichiung gesteuert werden, daß die Proportional· beschaltur g bzw. starre Rückführung für den Regelverstärker nur bei denjenigen Betriebszuständen wirksam wird, die einer Umschaltung vom Betriebszustand Treiben zum Betriebszustand Bremsen unmittelbar vorausgehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen nähet erläutert.

F i g. 1 bis 3 beziehen sich auf eingangs erläuterte bekannte Schaltungsanordnungen. Die weiteren Figuren zeigen: F i g. 4 einen erfindungsgemäßen Regier mit polari tätsabhängiger Umschaltung im starren Rückführkanal, F i g. 5 Übergangsfunktionen des bekannten und des erfindungsgemäßen Reglers,

F i g. 6 einen Regler nach F i g. 4 mit elektronischem Umschalter,

F i g. 7 u. 8 das Schaltverhalten eines Polaritätsmelders,

Fig.9 einen Regler nach Fig.6, der nur vot Erreichen der Umschaltschwelle mit einer starren Rückführung beschaltet ist

Die dem bekannten Gegenstand nach F i g. 3 analogen Elemente in Fig.4 sind analog bezeichnet .V-et Regler nach F i g. 4 besitzt einen PI-Regler 103, einer Polaritätsmelder 107, die Regelabweichung, z. B. die Drehzahlabweichung steht am Eingang 105 des Regler:

an, an seinem Ausgang 104 wird eine einem Stromsollwert proportionale Spannung erhalten. Der PI-Reglet 103 besteht aus einem Operationsverstärker 116, sowie einem Widerstand 117 und einem Kondensator 118 in der nachgebenden Rückführung. Am Eingang 105 wird die Regelabweichung über einen einstellbaren Eingangswiderstand 119 zugeführt Der unmittelbare Eingang des Operationsverstärkers 116 ist mit 105¹ bezeichnet Der PI-Regler 103 ist mit einer starrer Rückführung besen altbar. Im Rückführkanal liegen im Wirkungssinn der Rückführung ein Umschalter 120 antiparaüei geschaltete Dioden 121, 122, sowie ein veränderbarer ohmscher Widerstand 123. Der Umschalter 120 (gemäß Fig.4 handelt es sich um einen

Wechselschalter mit einem Eingang und zwei Ausgängen) ist gesteuert durch den Polaritätsmelder 107, an dessen Eingang die Regelabweichung am Eingang 105 liegt Der Umschalter 120 wird stets so gesteuert, daß der Operationsverstärker 116 bei Ausgangsspannungen der ungewUnschten Polarität über den Widerstand 123 proportional beschaltet wird.

Die Wirkungsweise des in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispieles wird nachfolgend unter Bezug auf die Regelung eines Gleichstrommotors beschrieben.

In der in F i g. 4 gekennzeichneten S et llung des Umschalters 120 ist bedingt durch die Polung der Diode 121 der Verstärker 116 nur bei positiven Ausgangsspannungen proportional beschaltet Dagegen arbeitet der Verstärker 116 normal als PI-Regel verstärker, wenn die Ausgangsspannung bzw. der Stromsollwert am Ausgang 104 negativ ist Entspricht eine solche Stromsollwertspannung dem Antriebszustand Treiben in Drehrichiung A, so wird bei einer Soiiwertverminderung für di.~ Drehzahl die dem Stromsollwert am Ausgang 104 analoge Sollwertspannung in Richtung positiver Werte laufen. Positive Werte bedeuten in diesem Fall Bremsstrom. Eine Bremsung findet jedoch nicht statt, wenn die Regelabweichung am Eingang 105, repräsentiert durch eine Spannung, die Umschaltschwelle des Polaritätsmelders 107 nicht erreicht Wegen der proportionalen Beschattung des Verstärkers 116 für diesen Betriebszustand ist die integrierende Wirkung des Kondensators 118 unterbunden bzw. wegen starrer Rückführung die Stromsollwertspannung der Regelabweichung am Eingang 105 proportional. Hat der Drehzahlistwert infolge Reib- oder Lastmoment nach einer Sollwertverminderung den Drehzahlsollwert erreicht, ist also die Regelabweichung am Eingang 105 verschwunden, so ist die dem Stromsollwert am Ausgang 104 proportionale Spannung nur noch um den kleinen Betrag der Schwellenspannung der Diode 121 positiv. Sinkt die Drehzahl weiter ab, wird also die der Regelabweichung am Eingang 105 proportionale Spannung positiv, so kann die Stromsollwertspannung am Ausgang 104 ohne große Zeitverzögerung negative Werte annehmen. Der Motor erhält unverzüglich wieder Strom.

Der zeitliche Ablauf ist in F i g. 5 dargestellt; dabei beziehen sich die strichlinierten Kurvenzüge auf den bekannten Regler nach Fig.3, die durchgezogenen Kurvenzüge auf den erfindungsgemäßen Regler:

t<tt: Stationärer Zustand,

Regelabweichung 5 bzw. am Eingang 105 — 0. Der Stromsollwert 4 bzw. am Ausgang 104 ist gerade so hoch, daß das Lastmoment am Motor kompensiert wird.

f—fi: Der Drehzahlsollwert 1 bzw. 101 wird plötzlich verringert Eine Regelabweichung 5 bzw. am Eingang 105 tritt auf. Der Stromsollwert 4 bzw. am Ausgang 104 wird sofort abgebaut Der Motorstrom verschwindet sehr schnell.

f<f₂: Die Drehzahl verringert sich infolge Lastmoment Die Stromsollwertspannung 4 (keine umschaltbare P-Beschaltung) läuft an die positive Stellgrenze. Die Stromsollwertspannung am Ausgang 104 (mit umschaltbarer P-Beschaltung) nimmt einen der Regelabweichung am Eingang 105 proportionalen Wert an. Für den Sonderfall, daß der Widerstand 123 nur sehr klein ist (z. R kurzgeschlossen), ergibt sich ein Spannungsverlauf gemäß Teilstück 104'.

f=f₂: Die Polarität der Regelabweichung 5 bzw. am Eingang 105 kehrt sich um. Die Stromsollwertspannungen 4 bzw. am Ausgang 104 beginnen in Richtung negativer Werte zu laufen.

s f > tr- Mit umschaltbarer P-Beschaltung wird die Sollwertspannung am Ausgang 104 schnell negativ. Ein Motorstrom entsteht und verhindert einen weiteren Drehzahlabfall bzw. eine weitere Vergrößerung der Regelabweichung am Eingang

ίο 105. Die Stromsollwertspannung 4 jedoch wird

erst zum Zeitpunkt f — h negativ. Der Stromeinsatz beginnt also viel später. Infolgedessen entsteht kurzzeitig eine größere Regelabweichung 5.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung entsteht durch die starre Rückführung, insbesondere den veränderbaren Widerstand 123. Der Widerstand 123 sorgt dafür, daß die Siromsoiiwerispannung am Ausgang 104 proportional ist zur Regelabweichung am Eingang 105 bei denjenigen Betriebszuständen, die einem Schaltvorgang zur Umkehr der Momentenrichtung vorausgehen. Dadurch ist es möglich, die Entscheidung über die Umschaltung von der Stromsollwertspannung abzulei ten. Ein besonderer Verstärker zur Erzeugung einer der Regelabweichung 5 proportionalen Spannung (vergl. F i g. 3) ist damit überflüssig.

Unter Einsatz des Reglers nach Fig.4 für die Regelung eines Gleichstromantriebes ergibt sich eine Schaltung, die bezüglich der Schalthäufigkeit der Schütze einer Schaltung nach Fig.3 gleichwertig, bezüglich der Regeleigenschaften und der Preiswürdigkeit aber überlegen ist In F i g. 6 ist ein Ausführungsbeispiel des vorstehend beschriebenen Reglers mit elektronischem Umschalter dargestellt Gleiche Elemente des Reglers sind wie in Fig.4 bezeichnet Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 ändert sich die Einführung des Drehzahlsollwertes 101 und des Drehzahlistwertes 102 über getrennte einstell bare Eingangswiderstände 119' bzw. 119² in den invertierenden Eingang 105' des Operationsverstärkers 116. Ein positiver Eingang des Operationsverstärkers 116 ist mit Bezugspotential 124 verbunden. Der elektronische Umschalter besteht aus zwei Schalttransi stören 120' bzw. 12O², deren Emitter ebenfalls am Bezugspotential 124 liegen. Der Ausgang des Polaritätsmelders 107 ist über einen Basiswiderstand 125 mit den Basen der Schalttransistoren 120' und 12O² verbunden. Das Signal am Ausgang des Polaritätsmelders 107 ist als

so Umschaltspannung 126 bezeichnet

Die Wirkungsweise des Reglers nach Fig.6 wird nachfolgend unter Bezug auf die Anwendung zur Regelung eines Gleichstromantriebes erläutert Der Gleichstromantrieb dreht sich mit Mosnentenrichtung

A. Die Umschaltspannung 126 des Polaritätsmelders 107 und die Stromsollwertspannung am Ausgang 104 sind negativ. Der pnp-Schalttransistor 12O² erhält über den Basiswiderstand 125 Basisstrom. Er unterbricht die proportionale Rückrührung für negative Stromscllwert spannungen, indem er den über einen Widerstand 123² fließenden negativen Strom zum Bezugspotential 124 ableitet Die Diode 120 bleibt stromlos. Die Diode 121 bleibt wegen ihrer entgegengesetzten Polung ebenfalls stromlos. Folglich arbeitet der Operationsverstärker 116 als PI-Regler.

Wird die Stromsollwertspannung am Ausgang 104 positiv, so wird die Diode 121 leitend. Der Widerstand 123¹ wirkt jetzt als proportionale Rückführung. Ober-

i ι il

schreitet die positive Stromsollwertspannung infolge einer genügend großen Regelabweichung der Drehzahl die Schaltschwelle des Polaritätsmelders 107, so wird dessen Ausgangsspannung 126 schlagartig positiv. Jetzt erhält der npn-Schalttransistor 120' Basisstrom über den Widerstand 125. Der Schalttransistor 120' leitet den positiven Rückführstrom, der über den Widerstand 123' zum Bezugspotential 124 abfließt, so daß der Operationsverstärker Ii 5 wieder als PI-Regler arbeiten kann.

Der Regler mit proportional beschattetem Regelverstärker nach Fig.4 oder der mit umschaltbarer Proportionalbeschaltung versehene Drehzahlregler mit nachgeschaltetem Polaritätsmelder 107 gemäß Fig.6 sind noch in nachfolgend dargelegter Beziehung vorteilhaft weiterzubilden:

Ist durch eine größere Drehzahlsollwertabsenkung eine so große Regelabweichung entstanden, daß eine Umschaltung auf den Betriebszustand Bremsen stattfindet, so muß mit einem Polaritätsmelder mit einer symmetrischen Kennlinie nach dem Erreichen der niedrigeren Solldrehzahl eine große Regelabweichung ■uftreten, damit der Polaritätsmelder ansprechen kann. Es ist also immer noch ein relativ großes Unterschwinf en nötig, bevor eine Umschaltung zum Betriebszustand Treiben möglich wird. Das Unterschwingen läßt sich durch vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung abschwächen:

a) Die Schaltschwellen des Polaritätsmelders 107 werden in Abhängigkeit von der Drehrichtung so verändert, daß für den Übergang vom Betriebszustand Treiben auf Bremsen eine große Regelabweichung (siehe Schaltschwelle a 1 in F i g. 7) nötig ist, für den Übergang in entgegengesetzter Richtung jedoch nur eine sehr kleine (siehe Schaltschwelle b 1 in F i g. 7). Die Umsteuerung der Schaltschwellen in Abhängigkeit von der Drehrichtung ist deshalb nötig, weil die Zuordnung Momentenrichtung A für Beschleunigung, Momentenrichtung B für Bremsung nur für eine Drehrichtung gilt. Für die andere Drehrichtung ist die Zuordnung entgegengesetzt Anstelle einer unsymmetrischen Kennlinie des Polaritätsmelders 107 nach F i g. 7 ist dafür eine solche nach F i g. 8 nötig

b) Bei einem Drehzahlregler mit umschaltbarer P-Beschaltung und mit nachgeschaltetem Polaritätsmelder ist dafür Sorge zu tragen, daß in dem Betriebszustand vor dem Erreichen der Umschaltschwelle für den Übergang von Treiben auf Bremsen der Drehzahlregler proportional beschaltet ist, wie oben beschrieben, vor dem Zurückschalten von Bremsen auf Treiben die Proportionalbeschaltung aber unterdrückt wird. Hierbei wird der beim Betriebszustand Treiben unerwünschte Effekt ausgenutzt, daß bei einer großen proportionalen und integrierenden Verstärkung des Drehzahlreglers die Ausgangsspannung bereits bei einer kleinen Regelabweichung die Schalischwelle eines nachgeschalteten Polaritätsmelders erreicht Entsprechend der unter a) geschilderten Maßnahme ist eine drehrichtungsabhängige Steuerung nötig.
Der in Fig.9 dargestellte Regler realisiert die unter a) und b) genannten Weiterbildungen der Erfindung und erlaubt eine automatische, von der Drehrichtung abhängige Steuerung der genannten Schaltfunktionen.

Der Operationsverstärker 116, der mit den proportional und integrierend wirkenden Bauelementen 117 bzw. zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang beschaltet ist, vergleicht als PI-Regelverstärker über den einstellbaren Eingangswiderstand 119¹ den Drehzahlistwen 101 mit dem über den einstellbaren Eingangswiderstand 119² zugeführten Drehzahlsollwert s 102. Die Bauelemente bzw. Positionen 120', 120³, 121, 122, 123', 1232 ₁₂4 und 125 gehören zu der umschaltbaren P-Beschaltung, wie sie auch in Fig.6 dargestellt ist

Abweichend ist, daß die Transistoren 120' und 12O³ nicht nur von einem als Polaritätsmelder 107² arbeitenden Verstärker 127 über einen Basiswiderstand 125 angesteuert werden, sondern über einen Widerstand 128 und weitere Dioden 130 bis 133 auch von einem weiteren als Polaritätsmelder 107' arbeitenden Verstärker 129.

Die Wirkungsweise der Bauelemente und des erfindungsgemäßen Reglers werden nachfolgend erläutert.

Der Polaritätsmelder 107² mit dem Verstärker 127 erhält in hplcanntpr Wpisp. pine KrhalthvctprPSP dadurch, daß sein Ausgang (Umschaltspannung 126) über einen Widerstand 134 mit seinem nichtinvertierenden Eingang verbunden ist. Die Hysteresebreite ergibt sich aus dem Verhältnis des Widerstandes 134 zum Eingangswiderstand 135, der die Stromsollwertspannung am Ausgang 104 dem Polaritätsmelder 107² zuführt. Über einen Widerstand 136 kann mit Hilfe einer Steuerspannung 137 die Lage der Schaltschwellen bezüglich des Bezugspotentials 124 gesteuert werden. Diese Steuerspannung 137 liefert der Verstärker 129, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 138 den Drehzahlsollwert zugeführt bekommt. Für die Drehrichtung A sei der Drehzahlsollwert 101 positiv. Wegen der großen, invertierenden Verstärkung des ohne Rückführung betriebenen Verstärkers 129 befindet sich die Ausgangsspannung 137 bereits bei sehr kleinen Sollwerten der Drehrichtung A an der negativen Stellgrenze. Somit werden über den Widerstand 136 die Schaltschwellen des Polaritätsmelders 107² in Richtung positiver Werte verschoben (siehe F i g. 7). Außerdem erhält der pnp-Schalttransistor 12O² über den Basiswiderstand 128 und die Diode 133 Basisstrom. Für die Drehrichtung A ist daher dieser Schalttransistor 12O² leitend, unabhängig von der Umschaltspannung 126 und damit auch unabhängig vom Betriebszustand Treiben oder Bremsen. Der Regelverstärker 116 ist also für negative Stromsollwerte am Ausgang 104 stets nur PI-beschaltet

Eine proportionale Rückführung wird über den Widerstand 123' und die Diode 121 nur bei positiven Stromsollwerten wirksam, solange die Umschaltspannung 126 negativ ist Wird die Schaltschwelle a\ überschritten, so wird die Bremsung eingeleitet, indem die Spannung 126 positiv wird. Der npn-Schalttransistor 120¹· erhält über den Basiswiderstand 125 und die Diode 130 Basisstrom und leitet somit den positiven Rückführstrom, der über den Widerstand 123" zum Bezugspotential 124 abfließt
Der Verstärker 116 arbeitet wieder als reiner Pl-Verstärker. Wird die Stromsollwertspannung am Ausgang 104 nach einem Bremsvorgang wieder negativ, so unterbleibt eine proportionale Rückführung, weil der pnp-Schalttransistor 12O² bei Drehrichtung A dauernd leitend ist Der Übergang von Bremsen auf Treiben erfolgt folglich unter Vermeidung einer starren Rückführung (bzw. Proportionalbeschaltung). Daher und weil die Schaltschwelle b\ (Fig.7) sehr klein ist, wird bereits bei einer kleinen Regelabweichung die

Umschaltung nach Treiben in Drehrichtung A erreicht

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Operationsverstärker 116 auch durch Oberbrücken des Kondensators 118 mit einer proportionalen Rückführung beschaltet werden. Diese Maßnahme eignet sich

wegen der notwendigen Einstellung des Reglers jedoch nicht für den bevorzugten Anwendungsfall, nämlich die Regelung eines stromrichtergespeisten Gleichstromantriebes.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Regler für einen stromrfchtergespeisten Gleichstromantrieb mit Momentenumkehr, bestehend aus einem Operationsverstärker mit einstellbaren Eingangswiderständen, mit einer aus einem ÄC-GIied gebildeten nachgebenden Rückführung und wahlweise starrer Rückführung, wobei durch Umschaltung einer Rückführung die Reglercharakteristik geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgebenden Rückführung (117, 118) ein starrer Rückführkanal (120-123; 120'-1232) _parai. IeI geschaltet ist, in welchem ein durch ein Eingangsoder Ausgangssignal des Reglers polaritätsabhängig steuerbarer Umschalter (120; 120·, 120²), mindestens ein einstellbarer ohmscher Widerstand (123; 123', 123²) und zwei antiparallel geschaltete Dioden (121, 122) in Reihe liegen, wobei der Umschalter (120; 120', 12O²) entweder die eine (121) oder die andere Diode (122) an Jen Verstärkerausgang (104) legt

2. Regler nach Anspruch i, gekennzeichnet durch einen Wechselschalter mit einem Eingang und zwei Ausgängen (120) als Umschalter, wobei am Eingang der Verstärkerausgang (104) und an den zwei Ausgängen die zwei Dioden (121, 122) in unterschiedlicher Wirkungsrichtung liegen, an deren Anode bzw. Kathode der Verstärkereingang (105¹) über einen einstellbaren ohmschen Widerstand (123) angeschlossen ist (F i g. 4).

3. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ur schalter (120) von einem Polaritätsmelder (107) mit Schalthvsterese gesteuert ist und der Polaritätsmelder (107) über einen Eingangswiderstand (119) mit dem Eingang (105¹) des Operationsverstärkers (116) verbunden ist (F i g. 4).

4. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Ausgang (104) des Operationsverstärkers (116) über einen veränderbaren ohmschen, in Reihe mit der ersten Diode (121) liegenden Widerstand (123¹) und über einen zweiten in Reihe mit der zweiten, zur ersten entgegengesetzt gepolten Diode (122) liegenden, veränderbaren Widerstand (123²) mit dem Eingang (105·) des Operationsverstärkers (116) verbunden ist und daß jeweils der Verbindungspunkt zwischen Widerstand (123*. 1232) und Diode (121. 122) über den aus zwei steuerbaren Schaltern bestehenden Umschalter (120) mit einem Bezugspotential (124) verbunden ist (F ig. 6.9).

5. Regier nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die steuerbaren Schalter Transistorschalter (120¹, 120²) sind und von einem an einen Eingang eines Eingangswiderstandes (119·) des Operationsverstärkers angeschlossenen, als ersten Polaritätsmelder (107<) arbeitenden Verstärker (129) über einen ersten Basiswiderstand (128) und wechselweise jeweils über eine geeignet gepolte Diode (131, 133) sowie von einem weiteren als zweiten Polaritätsmelder (107²) arbeitenden, an den Ausgang (104) des Operationsverstärkers (116) angeschlossenen Verstärker (127) über einen zweiten Basiswiderstand (125) wechselweise jeweils über eine andere, geeignet gepolte Diode (130, 132) angesteuert werden (F ig. 9).

6. Regler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltschwellen des als zweiter Polaritätsmelder (107²) arbeitenden Verstärkers

(127) durch entsprechende Widerstände (134, 135, 136) in Richtung positiver oder negativer Werte in Abhängigkeit von einer negativen oder positiven Spannung (137) verschoben sind (F i g. 9).

7. Regler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler in einem stromrichtergespeisten, drehzahlgeregelten Gleichstromantrieb mit Momentenumkehr durch mechanische Umschaltung im Ankerstromkreis oder durch Feldumkehr als Drehzahl- oder Ankerspannungsregler im Regelkreis eingeordnet ist, wobei die Entscheidung über die Momentenumkehr von der Ausgangsspannung des Reglers abhängig gemacht ist

8. Regler nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltschwellen der als Polaritätsmelder (107¹,107²) arbeitenden Verstärker (127,129) in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Gleichstromantriebes derart gesteuert sind, daß zur Umschaltung von Betriebszustand Treiben zum Betriebszustand Bremsen eine große und umgekehrt eine kleine Regelabweichung nötig ist

9. Regler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die polaritätsabhängige, umschaltbare starre Rückführung abhängig von der Drehrichtung unmittelbar vor Umschaltung vom Treiben zum Bremsen eingeschaltet ist, nicht aber bei der Umschaltung von Bremsen auf Treiben.