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Regeleinrichtung für eine Stromrichteranordnung Die Erfindung betrifft
eine Regeleinrichtung für eine Stromrichteranordnung, deren Steuersatz von einem
vorgegebenen Stromsollwert und einem Korrektursignal angesteuert ist, das ein eingangsseitig
mit Stromsollwert und Stromistwert beaufschlagter Regler bildet.
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Bei der üblichen Stromsteuerung eines Stromrichters mit Hilfe eines
mit der Regeldifferenz aus Stromsollwert und Stromistwert ausgesteuerten Stromreglers
kann die rasche Einstellbarkeit des Stromrichterstromes durch Veränderung des Zündwinkels
der Zündimpulse aus Stabilitätsgründen oft nicht voll ausgenutzt werden. Es wurde
daher bereits ein Regelkonzept vorgeschlagen, bei dem mit dem Sollwert vorgesteuert
und ein etwa noch verbleibender Fehler durch ein Korrektursignal berücksichtigt
wird, das ein Regler aus der Differenz zwischen Sollwert und Istwert bildet tDU-oS
2 106 789). Ein derartiges Regelkonzept arbeitet bei einer gesteuerten Stromrichteranordnung
jedoch nur dann befriedigend, wenn der Stromrichterstrom nicht lückt. Das Lücken
des StromrShtarstromes tritt abhängig von der Zeitkonstanten des Verbraucherkreises
unterhalb eines bestimmten Stromwertes - der Lückgrenze - auf. Der Lückbetrieb und
seine Auswirkungen auf das Regelverhalten sind beispielsweise beschrieben in Möltgen
"Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren", 2. Auflage, 1970, Seiten 46 - 52 und
116 - 118. Im Lückbereich verringert sich die Streckenverstärkung mit zunehmender
Dauer der stromlosen Pausen. Die Zeitkonstante der Strecke verschwindet beim Uebergang
in den Lückbereich. Ein für den nichtlückenden
Bereich nach bekannten
Kriterien (Symmetrisches Optimum, Betragsoptimum) eingestellter Regler findet demzufolge
im Lückbereich eine Regelstrecke mit veränderten Streckenparametern vor und kann
deshalb im Lückbereich in regeldynamischer Hinsicht nicht mehr das gleiche leisten
wie im nichtlückenden Bereich.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Regeleinrichtung für eine gesteuerte
Stromrichteranordnung vorzuschlagen, die auch im Lückbereich ein befriedigendes
Regelverhalten aufweist. Erfindungsgemäß wird hierzu dem Steuersatz ein Proportionalglied
mit im Lückbereich des Stromrichterstromes veränderbarem Verstärkungsfaktor vorgeschaltet.
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Es wurde gefunden, daß die Verschlechterung der Regeleigenschaften
bei der Stromregelung eines Stromrichters im Lückbereich im wesentlichen auf die
Verringerung der Streckenverstärkung zurückzuführen ist. Der Wegfall der Streckenzeitkonstante
hat dagegen einen vergledisweise geringeren Einfluß auf das Regelverhilten. Die
Verringerung der Streckenverstärkung wird erfindungsgemäß durch ein zusätzliches
Proportionalglied in dem Sinne kompensiert, daß die Kreisverstärkung im lückenden
Bereich wenigstens annähernd den gleichen Wert aufweist wie im nichtlückenden Bereich.
Es ist von wesentlicher Bedeutung, daß die Änderung des. Verstärkungsfaktors des
Proportionalgliedes stetig erfolgt. Bei der erfindungsgemäßen Regel einrichtung
kann die eigentliche Stromregelung unverändert belassen werden. Die regeldynamischen
Verhältnisse bleiben unabhängig von der Art des eingesetzten Reglers und der angewandten
Optimierungsvorschrift im lückenden und nichtlückenden Bereich gut.
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Eine weitere Verbesserung der Regeldynamik einer erfindungsgemäßen
Regeleinrichtung kanii durch eine Tendenzaufschltung erzielt werden, die das im
Lückbereich veränderte Zeitverhalten
der Strecke berücksichtigt.
Hierzu sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß der Stromsollwert im Lückbereich
des Stromrichterstromes dem Steuersatz ulimittelbar, im nichtlückenden Bereich dagegen
über ein Vorhalteglied zugeführt ist. Das Vorhalteglied verbessert im nichtlückenden
Bereich die Regel dynamik, Da im Lückbereich die Streckenzeitkonstante nicht mehr
wirksam ist, wird hier der Stromsollwert dem Steuersatz unmittelbar zugeführt. Die
erforderliche Umschaltung kann beispielsweise von einem auf die Lückgrenze eingestellten
Grenzwertmelder gesteuert werden.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen
näher gekennzeichneten Ausgestaltungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden
im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einerAusführungsform
der Erfindung, Pig. 2 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Stromverlaufs im Lückbereich und im nichtlückenden
Bereich, Fig. 4 die Kennlinie (Fig. 4a) und die Schaltung (Fig. 4b) des Funktionsgebers
12 in Fig. 1, Fig. 5 die Schaltung (Fig. 5a) und wesentliche Signalverlaufe (Fig.
5b) des Pulspausenwandlers ?3 in Fig. 2, Fig. 6 die Kennlinie (Fig. 6a) und die
Schaltung (Fig. 6b) des Funktionsgebers 22 in Fig. 2.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung,
bei der der Stromsollwert zur Ermittlung des im Lückbereich veränderbaren Verstärkungsfaktors
eines Proportionalgliedes und zur Erfassung der Lückgrenze ausgewertet wird. Die
Regelstrecke 1 enthalt ein Verzögerungsglied 2 mit der Streckenzeitkonstante Es
und ein Proportionalglied 3 mit der Streckenverstärkung V5. Eine gesteuerte Stromrichteranordnung
4 bildet
aus einem Drehstroznetz den Verbraucherstrom für die Regelstrecke
in Abhängigkeit vom Zündwinkel der Zündimpulseeines Steuersatzes 5 und einer nicht
dargestellten Kommandstufe. Der Steuersatz 5 ist eingangsseitig vom Stromsollwert
I* eines Sollwertgebers 7 angesteuert, der beispielsweise ein bekannter Drehzahlregler
oder ein Einstellpotentiometer sein kann. Da der Stroasollwert I* den Steuersatz
5 ohne Verzögerung beaufschlagt, kann der Stromrichterstrom I dem Sollwert I* sehr
rasch folgen.
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Einen bei dieser direkten Stromsteuerung möglicherweise auftretenden
Fehler korrigert ein Stromregler 6 mit einem torrektursignal Ik, das er aus einer
im Vergleichspunkt 9 gebildeten Regeldifferenz zwischen dem Stromsollwert I* und
dem Stromistwert I bildet. Der Stromwert I* ist dem Vergleichspunkt 9 über ein Verzögerungsglied
8 zugeführt, dessen Zeitkonstante etwa der Anregelzeit des Stromregelkreises entspricht.
Durch das Verzögerungsglied 8 erfährt der Stomsollwert annähernd die gleiche Verzögerung
wie der Stromistwert durch die Strecke. Bei einem Sollwerteprung greift der Stromregler
6 daher erst im eingeschwunge nen Zustand korrigierend ein. Das Korrektursignal
Ik wird an einer Summierstelle 10 zum Stromsollwert I* vorzeichenrichtig hinzugefügt.
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Zur Erläuterung des Lückbetreibs wird zunächst auf Fig. 3 verwiesen,
die die beiden typischen Betriebssustände für den zeitlichen Verlauf des Stromrichterstromes
I im Liickbereich A und ii nichtlückenden Bereich B zeigt. Die Periodendauer der
Inpulsfrequenz des Stromes ist mit # bezeichnet. Im Lückbereich A wechseln Zeiten
der Stromführung mit stromlosen Pausen ab. Dieses Bücken tritt abhängig von der
Zeitkonstante der Regelstrecke unterhalb eines bestimmten Stromwertes auf, der als
Lüokgrenze Ig bezeichnet ist. In Lückbereich A verringert sich die Streckenverstärkung
V5 mit zunehiender Dauer der stromlosen Pausen wesentlich. Die Streekenseitkonstante
Ts ist ii Lückbereich A näher rungsweise nicht mehr wirksam. Wenn die beschriebene
Stromregelung auf die Streckenparameter im nichtlückenden Bereich B optimiert ist,
kann sie im lückenden Bereich in regeldynamischer Hinsicht nicht mehr das gleiche
leisten wie im nichtlückenden Bereich.
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In Fig. 1 ist weiterhin dargestellt, mit welchen Maßnahmen bei der
beechriebenen Stromregelung ein gutes Regelverhalten auch im Lückenden Bereich erzielt
wird, ohne daß ein besonderer Stromregler erforderlich ist. Dem Steuersatz 5 ist
ein Multiplizierer 11 als Proportionalglied vorgeschaltet, den als Multiplikationsfaktor
das Ausgangssignal a12 eines Funktionsgebers 12 zugeführt ist, der eingangsseitig
mit dem vorgegebenen Stromsolwert I* beaufschlagt ist. Der Stromsollwert I* ist
dem Funktionsgeber 12 über ein Verzögerungsglied 13 zugeführt, dessen Zeitkonstante
etwa der Streckenzeitkonstante Ts entspricht.
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Die nähere Erläuterung der Beziehung zwischen dem Eingangssignal e12
und dem Ausgangsignal a12 und der Schaltung des Funktionsgebers 12 erfolgt anhand
von Fig. 4. Der Funktionsgeber 12 hat die Aufgabe, bei Stromsollwerten oberhalb
der Lückgrenze Ig ein Ausgangsignal zu liefern, das einem Multiplikationsfaktor
S1 entspricht während bei Stromsollwerten unterhalb der Lückgrenze das. Ausgangs
signal a12 einen Multiplikationsfaktor größer als 1 darstellt (Fig. 4a). Ein derartiges
Verhalten kann beispielsweise durch die in Fig. 4b dargestellte Schaltung realisiert
werden. Der dargestellte Funktionsgeber 12 enthält die Verstärker 30 und 31, die
eingangseitig über einen Umkehrverstärker 32 mi dem Eingangssignal e 12 sowie einer
konstanten Zusatzeinspeisung P1 bzw. P2 beaufschlagt sind. In den Rückkopplungskreisen
der verstärker 30 bzw. 31 sind Schwellwertdioden 33 bzw. 34 mit unterschiedlichen
Durchbruchspannungen angeordnet. Diese Durchbruchspannungen entsprechen den Knickpunkten
der in Fig. 4a dargestellten Funktion. Die Ausgangsspannungen der beiden Verstärker
30 und 31 werden zu einer Verspannung
N1 hinzugsfügt und in einem
weiteren Umkehrverstärker 35 zum Ausgangssignal a12 invertiert. Die Vorspannung
N1 ist so gewählt, daß sie den waagerechten Teil der in Fig. 4a dargestellten Kennlinie
hervorruft und somit einem Multiplikationsfaktor 1 entspricht.
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In der Schaltung der Fig. 1 ist zur weiteren Verbesserung der Regeldynamik
im nichtlückenden Bereich ein Vorhalteglied 15 vorgesehen. Im nichtlückenden Bereich
wird der Stromsollwert I* über das Vorhalteglied 15 geführt, dessen Ausgangssignal
zusammen mit dem Korrektursignal Ik dem Multiplizierer 11 eingegeben wird und damit
auch den Steuersatz 5 unmittelbar beaufschlagt, da der Multiplikationsfaktor im
nichtlückenden Bereich mit 1 angenommen ist. Im Lückbereich ist die Streckenzeitkonstante
Ts praktisch nicht mehr wirksam. Beim Übergang vom nichtlückenden Ierajch in den
Lückbereich spricht der auf die Lückgrenze I eingestellte Grenzwertmelder 17 an
und steuert mit seinem A§sgangssignal den Umschalter 16 aus der gezeichneten Lage
um. Der Stromsollwert I* wird nunmehr dem Vergleichspunkt 10 unmittelbar zugeführt
und hier mit dem Korrektursignal Ik vorzeichenrichtig vereinigt. Die sa gebildete
Summe aus I* und wird im Multiplizierer 11 mit einem Multiplikationsfaktor größer
als 1 multipliziert. Als elektronischer Schalter 16 können beispielsweise zwei Feldeffekt-Transistoren
verwendet werden.
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Der im Lückbereich veränderbare Verstärkungsfaktor des Proportionalgliedes
und die Erfassung der Lückgrenze kann aus dem Stromsollwert abgeleitet werden, weil
sich für einen vorgegebenen, von der Stromrichteranordnung gespeiste Verbraucher
ein Stromwert angeben läßt, der den Übergang vom nichtluckenden zum lückenden Bereich
bildet. Da diese Lffckgrenze von der Induktivität des jeweiligen Verbraucherkreise
abhängt, ist ein Einstelpotentiometer 4 vorgesehen, über das der Stromsellwert
I*
dem Funktionsgeber 12 und dem Grenzwertmelder 17 zugeführt ist. Für einen bestimmten
Verbraucher kann die Lückgrenze entweder berechnet oder bei der Inbetriebnahme ermittelt
werden.
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Mit Hilfe des Einstellpotentiometers 14 wird die Regeleinrichtung
so abgeglichen, daß der untere Knickpunkt beim Ubergang in den Waagerechten Ast
der Kennlinie des Funktionsgebers 12 und die Ansprechschwelle des Grenzwertmelders
17 mit der Lückgrenze übereinstimmen.
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Die Auswertung des Stromsollvertes zur Bildung des im Bückbereich
veränderbaren Verstärkungsfaktors des Proportionalgliedes 11 und zur Steuerung des
elektronischen Schalters 16 stellt die schnellste Möglichkeit zur Anpassung der
Regeleinrichtung an den Lückbereich dar. Es ist jedoch auch möglich, den Istwert,
den Mittelwert oder den Spitzenwert des Stromrichterstromes in analoger Weise auszuwerten.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist eine Erfassung der Bückgrenze nicht mehr erforderlich. Vielmehr wird der veränderbare
Verstärkungsfaktor des Proportionalgliedes und die Umschaltung des Vorhaltegliedes
aus der Pausendauer des Stromrichterstromes abgeleitet. Diese Ausführungsform ist
daher universell einsetzbar und braucht nicht an den Jeweiligen Anwendungsfall angepaßt
zu werden.
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Dem Steuersatz 5 ist als Proportionalglied ein Multiplizierer 18 vorgeschaltet,
dem ein von der Dauer der stromlosen Pausen abhängiger Multiplikationsfaktor a22
eingegeben wird. Ein Puls- -pausenwandler 23 bildet aus dem Stromrichterstrom I
an seiner Eingangsklemme 24 ein analoges Pausensignal P an Klemme 25, das über einen
Funktionsgeber 22 dem Multiplizierer 18 als Multiplikationsfaktor a22 zugeführt
ist. Der Funktionegeber 22 ist so ausgelegt, daß sein Ausgangssignal einem Multiplikationefaktor
1 entspricht, solange der Strom I nicht lückt und daher kein
Pausensignal
P ansteht. Bei einem Pausensignal P liefert der Funktionsgeber 22 eine Ausgangsspannung,
die einem Multiplikationsfaktor größer als 1 entspricht (Fig. 6).
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Dem Vorhalteglied 15 ist wiederum ein elektronischer Umschalter 26
nachgeordnet, der vom Ausgangssignal eines das Pausensignal P des Pulspausenwandlers
23 überwachenden Grenzwertmelders 27 gesteuert ist. Der Grenzwertmelder 27 bringt
den Umschalter 26 im nichtlückenden Bereich in die gezeichnete Lage. Der Grenzwertmelder
27 steuert den Umschalter 26 um, wenn ein Pausensignal P an der Ausgangsklemme 25
des Pulspausentandlers 23 erscheint und das Lücken des Stromrichterstromes I anzeigt.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist als Verbraucher ein vom Stromrichter
40 gespeister Stromrichtermotor 41 dargestellt.
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Zur weiteren Verbesserung der Regeldynamik kann für diesen Anwendungsfall
die elektromotorische Kraft EMK als wichtigste Störgröße auf den Eingang des Steuersatzes
5 aufgeschaltet werden. Die BK ist dem Produkt aus der Drehzahl und der Feldstärke
des Stromrichtermotors proportional. Wenn der Motor mit konstanter Feldstärke betrieben
wird, so kann die vom Tachogenerator 21 abgebildete Drehzahl in einer Umformerstufe
20 in eine der EMK proportionale Spannung umgesetzt und im Summationspunkt 19 auf
die Eingangsspannung des Stromreglers 5 aufgeschaltet werden. Soll der Stromrichtermotor
auch in den Bereich der Feldschwächung gefahren werden können, so ist eine Erfassung
der Feldstärke - beispielsweise mittels einer Hallsonde -und eine Multiplikation
der Feldstärke mit der Drehzahl erforderlich.
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Die Wirkungsweise des in Fig. 5a dargestellten AusfUhrungsbeispieles
eines Pulspausenwandlers 23 wird unter Bezugnahme auf die zugehörigen zeitlichen
Signalverläufe in Fig. 5b erläutert:
Der Pulspausenwandler 23 hat
die Aufgabe, an seiner Ausgangsklemme 25 eine Gleichspannung P als Pausensignal
zu erzeugen, die ein Maß für die Dauer der Strompausen darstellt. Der Pulspausentandler
23 enthält einen mit einer konstanten Gleichspannung N der Konstantspannungsquelle
28 beaufschlagbaren Integrator, der aus einem Operationsverstärker 36 und einem
Gegenkopplungskondensator 37 besteht. Der Integrator 36, 37 läuft während der Dauer
der Strompausen zeitlinear hoch. Sein Ausgangssignal P' am Ende dieser Pausen wird
über einen Feldeffekttransistor 39 als elektronischen Schalter in einen Analogspeicher
eingegeben, der als Kondensator 42 dargestellt ist.
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Die Spannung am Kondensator 42 ist somit ein MaX für die Dauer der
jeweiligen Strompause. Diese Spannung wird über einen Impedanzwandler 29 als Pausensignal
P an die Ausgangsklemme 25 weitergegeben.
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Eine vom Ausgangssignal eines den Strom I an Klemme 24 überwachenden
Grenswertmeliers 43 beaufschlagte monostabile Kippstufe 44 mit einer gegenüber der
Periodendauer r der Impulsfrequenz des Stroms I sehr kleinen Kippzeit t1 sorgt dafür,
daß am Ende einer Strompause das Ausgangssignal des Integrators 36, 37 im Kondensator
42 abgespeichert wird. Nach Ablauf der Kippzeit t2> t1 einer weiteren monostabilen
Kippstufe 45 wird der Integrator 36, 37 durch den als elektronischer Kurzschlußschalter
wirkenden Feldeffekttransistor 38 zurückgesetzt und definiert auf Bezugspotential
gehalten, solange der Grenzwertmelder 43 Strom meldet.
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Fig. 6a zeigt die Charakteristik des Funktionsgebers 22 in Fig. 2.
Der gewünschte Zusammenhang zwischen der Pausendauer P und dem Ausgangssignal a22
läßt sich analytisch näherungsweise durch die Gleichung beschreiben:
wobei v die Periodendauer der impulsfrequenz des Stromes, P die
Dauer der Strompausen und k eine Konstante ist. Die entsprechende Kurve ist mit
der Bezugsziffer 46 bezeichnet. Es wurde gefunden, daß sich diese Funktion ganz
besonders zur Kompensierung der sich im Lückbereich ändernden Streckenverstärkung
eignet. Es hat sich für viele Fälle als ausreichend erwiesen, die Kurve 40 nur durch
ein oder zwei Geradenstücke anzunähern. Eine Annäherung mit den Geradenstücken 47
und 48 ist in Fig. 6a eingezeichnet.
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Ein hierfür geeigneter Funktionsgeber ist in Fig. 6b dargestellt.
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Er enthält einen Operationsverstärker 49, in dessen Eingangskreis
eine konstante Voreinspeisung P3 und eine über eine Schwellwertdiode 50 geführte
weitere Voreinspeisung N2 von entgegengesetzte Polarität liegt. Die Voreinspeisung
P3 ist so gewählt, daß sie einem Ausgangssignal a22 entspricht, das einen Multiplikationsfaktor
1 für den Multiplizierer 18 darstellt. Solange das Pausensignal P kleiner ist als
die Durchbruchspannung der Schwellwertdiode 50, folgt das Ausgangs signal des Operationsverstärkers
49 dem Ast 47 der Kennlinie. Wenn das Pausensignal P die Durchbruchspannung der
Schwellwertdiode 50 übersteigt, so ändert sich damit der Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers
49. Sein Ausgangssignal folgt jetzt dem Ast 48 der Kennlinie.
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11 Patentansprüche 6 Figuren