DE2336983C2 - Regler für eine Stromregelung von stromrichtergespeisten Antrieben - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Regler für eine Stromreglung von stromrichtergespeisten Antrieben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Regler für eine Stromregelung von stromrichtergespeisten Antrieben ist aus der DE-AS 57 599 bekannt. Dort wird ein Regler für die Stromregelung von Stromrichtern im lackenden und nichtlükkenden Betrieb beschrieben. Um eine gute Regeldynamik sowohl bei Kickendem als auch bei nichtlückendem Strom zu erzielen, wird ein Regler mit umschaltbarem Zeitverhalten vorgeschlagen, der im nichtlückenden Bereich und während der Stromführung im lückenden Bereich ein PI-Verhalten, dagegen in den Stromkücken des lückenden Bereiches ein I-Verhalten aufweist. Eine Umschalteinrichtung wird dabei in Abhängigkeit vom Stromistwert derart gesteuert, daß der Regler bei Strömen oberhalb eines einstellbaren V/ertes (Ansprechgrenze) Pl-Verhalten und bei Strömen unterhalb dieses Wertes I-Verhalten besitzt.

Bei Stromrichtern bestimmt die Ausgangsspannung eines Stromreglers die Lage der Zündimpulse für die steuerbaren Ventile bezüglich der Netzphase. Durch Verstellen der Zündimpulse werden die Stromrichterausgangsspannung und damit der Laststrom beeinflußt Im Normalfall verstellt der Stromregler, gleichgültig ob mit oder ohne Lückadaption, aufgrund eines Vergleichs von Stromistwert und Stromsollwert selbsttätig die Lage der Zündimpulse derart, daß sich der durch den Sollwert vorgegebene Strom ergibt Vielfach ist es jedoch erwünscht diesen Regelungsvorgang durch äußere Steuerbefehle zu sperren (Reglersperre), um dabei den Strom in der Last möglichst schnell abzubauen. Ebenso rasch soll der Regelungsvorgang nach einem Sperrbefehl durch eine »Reglerfreigabe« wieder in Gang gebracht werden. Je nach Größe des gerade vorgegebenen Stromsollwertes und je nach Höhe der Gegenspannung der Last z. B. der EMK einer sich drehenden Gleichstrommaschine, vergeht eine bestimmte Zeit bis der Regler selbsttätig die Zündimpulse von der Stellgrenze für Wechselrichterbetrieb soweit verstellt hat daß wieder Strom fließt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Regler für eine Stromregelung von stromrichtergespeisten Antrieben der eingangs genannten Art anzugeben, der sowohl eine schnelle Unterbrechung als auch einen nachfolgenden beschleunigten Aufbau des Energieflusses der Regelstrecke ermöglicht

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sowohl der Abbau des Energieflusses im Antrieb als auch der Aufbau ohne nachteilige Totzeiten beschleunigt ablaufen. Vorteilhaft unterstützt die zusätzlich an den Eingang des Verstärkers gelegte negative Spannung den negativen Sollwert und bewirkt somit einen beschleunigten Anstieg der Ausgangsspannung in die Richtung, die einer Zunahme des Energieflusses und des Istwertes entspricht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dei Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Dabei ist bei der Erfindung wie bei der eingangs genannten DE-AS 19 57 599 eine Umschaltung des Reglers von PI-.auf I-Verhalten vorgesehen, jedoch nicht zur Lückadaption, sondern zum beschleunigten Wiederaufbau des Energieflusses der Regelstrecke nach einer erfolgten Abschaltung. Dieser Wiederaufbau des Energieflusses wird zeitlich begrenzt durch die Aufschaltung einer den Sollwert erhöhenden Spannungsquelle an den Reglereingang. Sollte nach erfolgtem Wiederaufbau des Energieflusses ein lückender Betrieb auftreten, wird der Regler bei der Erfindung während der Stromlücken des lückenden Bereiches nicht wieder von PI- auf I-Verhalten umgeschaltet, sondern das PI-Regelverhalten wird beibehalten.

Bei einem Regelkreis mit einem PI-Regelverstärker kann außerdem durch ein nichtlineares Schaltglied parallel zumRückführwiderstand die Sperrzeit so bemessen werden, daß der Rückführkondensator genügend umgeladen werden kann. Desweiteren kann durch das nichtlineare Schaltglied der Einfluß einer Störgröße aus der Regelstrecke auf den Energiefluß vermieden werden. Insgesamt erreicht man durch das nichtlineare Schaltglied, daß der Istwert sofort erscheint, jedoch nicht in einem zu großen Maße.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Regelkreis mit einem I-Regelverstärker,

F i g. 2 einen Regelkreis mit einem PI-Regelverstärker,

F i g. 3 eine Ausführungsvairante zu F i g. 2.

F i g. 1 zeigt einen Regelkreis mit einem I-Regelverstärker 1 bestehend aus einem Verstärker 2, einem Rückführkondensator 3 und drei Widerständen 4,5 und 6 in den Zuführleitungen für einen Sollwert 7 einen Istwert 8 und Zusatzspannungen aus den Spannungsquellen 9 und 10. Eine Ausgangsspannung 11 des mit dem Rückführkondensator 3 als Integrator dienenden Verstärkers 2 kann schnell und unabhängig von den über die Widerstän,.'- 4 und 5 zugeführten Soll- und Istwerten 7 und 8 in die Richtung verstellt werden, die einem Abbau des Energieflusses und damit des Istwertes 8 entspricht Der Abbau des Energieflusses geschieht mit einem über den Widerstand 6 an den Eingang des Verstärkers 2 geführten Strom, der die gleiche Polarität wie der Istwert 8 hat Dazu wird von einem Steuergerät 12 ein Schalter 13 geschlossen. Ein positiver Strom fließt nun über den Widerstand 6 zum Eingang des Verstärkers 2, wodurch eine negative Ausgangsspannung 11 hervorgerufen wird.

Solange der Schalter 13 geschlossen ist, bleibt die Ausgangsspannung 11 an der negativen Stellgrenze des Verstärkers 2, da der positive Strom über den Widerstand 6 viel größer ist, als der von dem negativen Sollwert 7 verursachte Strom durch den Widerstand 4. Um die Ausgangsspannung wieder in einen positiven Bereich zu führen, wird der Schalter 13 wieder geöffnet Ein schneller positiver Anstieg der Ausgangsspannung wird erreicht, indem das Steuergerät 12 einen Schalter 14 schließt und damit von der Spannungsquelle 10 ein negativer Strom über den Widerstand 6 an den Eingang des Verstärkers 2 fließt. Der Schalter 14 darf jedoch nur solange geschlossen bleiben, bis der Istwert 8 auf ein gewisses Maß angestiegen ist. Wieviel dieser Grenzwert kleiner als der Sollwert 7 sein muß, hängt von der Art der Regelstrecke ab.

F i g. 2 zeigt einen Regelkreis mit einem PI-Regelverstärker 119, begehend aus einem Verstärker 102, einem Rückführkondensator 103 und Rückführwiderstand 117, drei Widerständen 104, 105 bzw. 106 in den Zuführungen für einen Sollwert- und einen Istwert 107 und 108 bzw. Zusatzspannungen aus den Spannungsquellen 109 und 110.

Dem PI-Regelverstärker 119 wird zn: Unterbrechung des Energieflusses bzw. zum Abbau des Istwertes 108 über den Widerstand 106 ein Strom mit der Polarität des Istwertes 108 vorgegeben.

Ist die Polarität des Istv, irtes 108 positiv, so ist der Schalter 113 zu schließen, der den Widerstand 106 mit der positiven Spannungsquelle 109 verbindet. Die Ausgangsspannung 111 erreicht dadurch die negative Stellgrenze des Verstärkers 102. Zur Freigabe des Regelkreises wird der Schalter 113 wieder geöffnet.

Um zu vermeiden, daß bei zu kleinen Sollwerten zu viel Zeit vergeht bis der Istwert 108 erscheint und um außerdem zu erreichen, daß der Rückführkondensator 103 in der Sperrzeit genügend umgeladen wird, ist ein Schalter 118 vorgesehen. Er wird von einem Steuergerät 112 betätigt, wenn der Schalter 113 geschlossen wird und wenn desweiteren zur Verkürzung der Wartezeit zwischen dem öffnen des Schalters 113 und dem Erscheinen des Istwertes 108 der Schalter 114 für eine begrenzte Zeit geschlossen wird und ein negativer Strom zum Eingang des Verstärkers 102 fließt. Der Schalter 114 bleibt nur so'oge geschlossen, bis der Istwert 108 auf ein gewisses Maß angestiegen ist. Durch das Schließen des Schalters 118 wird der Widerstand 117 kurzgeschlossen. Damit wird der Pl-Regelverstärker 119 vorübergehend in einen I-Regelverstärker verwandelt Dadurch wird eine große Anstiegszeit der Ausgangsspannung 111 vermieden und außerdem verhindert daß die Ausgangsspannung 111 in unzulässiger Weise auf einen hohen positiven Wert ansteigt

Nachfolgend wird die Anwendung des erfindungsgemäßen Regelkreises mit dem PI-Regelverstärker 119

ίο für einen Gleichstromantrieb beschrieben. Der Regelkreis nach F ι g. 2 enthält den Anker eines Gleichstrommotors als Regelstrecke (nicht dargestellt). Die Motorgegenspannung tritt hier als Störgröße auf. Diese Störgröße ist mitbestimmend für den Energiefluß bzw. den Ankerstrorn. Sie ändert sich sehr stark und vor allem schnell, wenn sie zwecks Momentenumkehr umgepolt wird. Für eine stromlose Umpolung ist eine vorherige Sperrung des Regelkreises erforderlich. Ist die Sperrung nur kurzzeitig gegeben, zum Beispiel bei einer elektronischen Umpolung, so ist beim Übergang von Treiben auf Bremsen mit einem Überstrom zu n-rhnen, weil wegen der Ladung des Kondensators 103 die zur Ausgangsspannung 111 proportionale Stromrichterspannung mit der Freigabe auf einen zu hohen, dem Zustand Treiben entsprechenden Wert springt während ein negativer, dem Zustand Bremsen entsprechender Wert gebraucht würde. Demgegenüber würde beim Übergang von Bremsen auf Treiben immer eine gewisse Zeit vergehen, bis die Ausgangsspannung 111 von dem zuletzt aktuellen negativen Wert kommend genügend positiv geworden ist um bei der nunmehr wieder positiven Motorgegenspannung einen Ankerstrom entstehen zu lassen.

Diese Zeit ist besonders bei einem nur kleinen SoIlwert 107 sehr lang. Zur Vermeidung eines Überstromes nach einer Freigabe ist es also nötig, daß in der Sperrzeit der Rückführkondensator 103 genügend umgeladen wird. Die Zeit muß demnach etwa so groß sein wie die Zeitkonstante, die sich aus dem Produkt des Wertes des Rückführwiderstandes 117 and der Kapazität des Rückführk">nderisators 103 ergibt.

Die Sperrzeit kann jedoch verkürzs werden, wenn in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung gleichzeitig mit dem Schalter 113 der Schalter 118 von dem Steuergerät 112 betätigt wird, der der: Rückführwiderstand 117 kurzschließt.

Damit wird der PI-Regelverstärker 119 vorübergehend in einen I-Regelverstärker verwandelt. Der Schalter 118 ist auch dann von Vorteil, wenn zur Verkürzung

so der Wartezeit zwischen dem Aufheben des Sperrbefehls bzw. dem Öffnen des Schalters 113 und dem Erscheinen des Ankerstromes bzw. des Istwertes 108 der Schalter 114 mit der schon erläuterten zeitlichen Begrenzung geschlossen wird und somit ein Zusatzstrom über den Widerstand 106 geschickt wird, der die gleiche Polarität aufweist wie der Sollwert 107. Würde nicht gleichzeitig der Schalter 118 den Rückführwiderstand 117 kurzschließen, so würde die Ausgangsspannung 111 in unzulässiger Weise auf ei .en hohen positiven Wert springen

und damit einen Überstrom auslösen.

Ursache hierfür wäre die Proportionalverstärkung, die durch das Verhältnis des Rückführwidentandes 117 zum Widerstand 106 gegeben wäre. Mit dem Ausschalten des Schalters 114 würde zwar der Überstrom wieder verschwinden, aber d.t Ausgangsspannung 111 würde wieder fast bis zum negativen Grenzwert zurückspringen, weil der Kondensator 103 in der kurzen Zeit seine Lüdung nicht hätte verändern können.

Fig. 3 zeigt einen Regelkreis mit einem Verstärker 202, einem Rückführkondensator 203, einem Rückführwiderstand 217, vier Dioden 221, 222, 223 und 224, zwei Widerständen 206 und 306, einer Steuerschaltung mit einem Steuergerät 212, zwei Schaltern 213 und 214 und zwei Spannungsquellen 209 und 210. Dieser Regelkreis unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten dadurch, daß der Schalter 118 hier erfindungsgemäß durch die Dioden 221 bis 224 ersetzt wird und desweiteren der Widerstand 106 aufgeteilt ist in einen Widerstand 206 für positive und in einen Widerstand 306 für negative Ströme. Der Widerstand 206 ist mit den Anoden der Dioden 221 und 223 verbunden, deren Kathoden mit den beiden EnHen des Rückführwiderstandes 217 in Verbindung stehen, während der Widerstand 306 zu den Kathoden der Dioden 222 und 224 führt, deren Anoden mit den beiden Enden des Rückführwiderstandes 217 in Verbindung stehen. Das eine Ende des RückführwideräiaildcS 2i7 mit uciTi ίϊΊνέΓίίέΓοΓιΰέΰ Eingang des Vcistärkers 202 und das andere Ende mit dem Kondensator 203 verbunden, der seinerseits die Verbindung zum Ausgang des Verstärkers herstellt. Die Wirkungsweise der Dioden 221 bis 224 sei für den Fall erläutert, daß der Schalter 213 gen „-iilossen ist und ein Strom von der positiven Spannungsquelle 209 über den Widerstand 206 zu den Anoden der Dioden 221 und 223 fließt. Dieser positive Strom fließt zunächst über die Diode 223 zum invertierenden Eingang des Verstärkers 202, so daß dessen Ausgangsspannung 211 in negativer Richtung verstellt wird. Dadurch beginnt ein negativer Rückführstrom über den Rückführkondensator 203 zu fließen. Dieser Strom erzeugt jedoch keinen Spannungsabfall am Rückführwiderstand 217. Er fließt vielmehr über die Diode 221 ab. Somit sind die Dioden 221 und 223 gleichzeitig stromführend, d. h. beide Dioden überbrücken den Widerstand 217. Im Normalbetrieb, wenn der Schalter 213 geöffnet ist. kann über die Dioden 221 bis 224 kein Strom fließen, da sie entgegengesetzt in Reihe geschaltet sind. Damit ist der Widerstand 217 wieder voll wirksam. Entsprechendes gilt bei entgegengesetzter Polarität für die Dioden 222 und 224, den Widerstand 306 und den Schalter 214. Der Schalter 118 in Fig.2 läßt sich nicht nur durch die Dioden 221 bis 224 ersetzen, wie es in F i g. 3 gezeigt ist, sondern es besteht außerdem die Möglichkeit an seiner Stelle ein nichtlineares Glied, ein Reedrelais oder einen besonderen Schalttransistor, z. B. einen Feldeffekttransistor zu verwenden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Regler mit integralem Verhalten für eine Stromregelung von stromrichtergespeisten Antrieben, dem ein Istwert und ein Sollwert zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum schnellen Abbau des Energieflusses im Antrieb zusätzlich zum Istwert und zum Sollwert eine den Istwert erhöhende, konstante Spannungsquelle (9,109,209) und zum beschleunigten Aufbau des Energieflusses bis zu einem Grenzwert zusätzlich zum Istwert und zum Sollwert eine den Sollwert erhöhende, konstante Spannungsquelle (10, 110, 210) an den Eingang des Reglers (2,102,202) zuschaltbar sind.

2. Regler nach Anspruch 1, wobei der Regler durch eine Steuereinrichtung abhängig von der Höhe des Energieflusses der Regelstrecke derart steuerbar ist, daß der Regler bei einem Energiefluß oberhalb eines «instellbaren Grenzwertes Pl-Verhalten und unerhalb 1-Verhalten besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung des Reglers (102,202) von PI- auf I-Verhalten lediglich bei Zuschaltung der den Istwert erhöhenden und der den Sollwert erhöhenden Spannungsquellen (109, 209, 110, 210) erfolgt

3. Regler nach Anspruch 2, wobei zur Umschaltung des Reglers von PI- auf I-Verhalten eine Überbrückung des Rückführwiderstandes mittels eines nichtlinearen Schaltgliedes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, du3 die den Istwert erhöhende konstante Spannungsquelle (20?) mit im Anoden zweier Dioden (221, 223) verbunden ist, deren Kathoden mit den beiden Enden des Riickfrhrwiderstandes (217) in Verbindung stehen und daß die den Sollwert erhöhende konstante Spannungsqueüe (210) an die Kathoden zweier weiterer Dioden (222, 224) angeschlossen ist, deren Anoden zu beiden Enden des Rückführwiderstandes (217) führen, wobei das eine Ende des Rückführwiderstandes (217) mit dem Reglereingang und das andere Ende mit dem Rückführkondensator (203) verbunden ist