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Regelschaltung für einen Gleichstromsteller Die Erfindung bezieht
sich auf eine Regelschaltlmg für einen Gleichstromsteller, der zwischen einer Gleichspannungsquelle
und einer induktiven Last angeordnet ist, wobei die Last von einem Freilaufventil
überbrückt ist, mit einem Stromregler, dessen Vergleicher einerseits der Istwert
des durch die Last fließenden Laststroms und andererseits ein Grenz- oder Sollwert
für den Laststrom zugeführt ist und dessen Ausgangssignal den Gleichstromsteller
in Abhängigkeit der gebildeten Regelabweichung steuert.
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Line solche Regelschaltung ist beispielsweise aus den VDE'-Fachberichten,
Bana 22, (1962), Seiten I/89 bis 1/100, insbesondere aus Bild 9 auf Seite 1/94,
bekannt. Es handelt sich dabei um einen Gleichstromsteller, der zwischen einer Gleichspannungsquelle
und der Erregerwicklung einer Gleichstrom-Nebenschlußmaschine für den Bahnbetrieb
anbeordnet ist.
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Der Gleichstromsteller enthält ein steuerbares Hauptventil, insbesondere
einen Thyristor, dem die Reihenschaltung eines Löschkpndensators mit einem steuerbaren
Löschventil, insbesondere ebenfalls ein Thyristor, parallel geschaltet ist. Gegcnparallel
zum Löschventil ist noch die Reihenschaltung eines ungesteuerten Umschwingventils
mit einer Umschwingdrossel angeordnet. Zur Regelung des Laststroms in der Erregerwicklung
ist ein Stromregler vorgesehen. Dem Vergleicher dieses Stromreglers ist einerseits
der Istwert des durch die srregerwicklung fließenden Laststroms vorgegeben. Zur
Messung dieses Laststroms ist ein Strommeßglied in einer der beiden Verbindungsleitungen
zwischen der Erregerwicklung und dem i?reilaufventil angeordnet. Dem Vergleicher
des Stromreglers ist
andererseits auch ein einstellbarer Sollwert
vorgegeben, der einen Höchstwert darstellt, welcher bei der Regelung durch den Istwert
des Laststroms nicht überschritten ird. Eine gleichartige Regelschaltung ist auch
für die Ankerwicklung der Gleichstrom-Nebenschlußmaschine angeordnet.
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Man ist bestrebt, eine solche Regelschaltung besonders einfach aufzubauen.
Dazu gehört, daß man handelsübliche Bauelemente ohne besondere Maßnahmen bezüglich
ihrer gegenseitigen Isolierung auch bei einer hohen Spannung der. Gleichspannungsquelle
einsetzen möchte. Üblicherweise wählt man für die Regelschaltung einen gemeinsamen
Potentialbezugspunkt. . Dieser kann z. B. entweder am negativen oder auch am positiven
Pol der Gleichspannungsquelle liegen. An diesen Potentialbezugspunkt legt man auch,
und zwar je nach lMahl des Potentialbezugspunktes, direkt entweder die Anode oder
die Kathode des Gleichstromstellers. Bei Verwendung eines Transistorstellers als
Gleichstromsteller hat es sich beispielsweise als zweckmäßig erwiesen, den Emitter
des Endtransistors direkt auf den Bezugspunkt der Regelschaltung zu legen. Mit dem
dauurcl-l bedingten einfachen Aufbau der Regelschaltung ist aber e..n erheblicher
Nachteil verknüpft: Der Istwert des durch die Last fließenden Laststroms, aer für
die Stromregelung benötigt wird, läßt sich nicht potentialfrei, a. h. nicht ohne
großen Potentialunterschied zwischen Meßstelle und Eingang des Stromreglers messen.
Mit anderen Worten: Bei der Messung des Laststroms darf man k@ine der beiden Ausgangsklemmen
des Strommeßgliedes an den gemeinsamen Potentialbezugspunkt anschließen. Dasselbe
gilt auch rür die Erfassung eines Stromnullsignals. Ein solches Stromnullsignal
wird beispielsweise bei einer Gleichstrommaschine benötigt, wenn die Drehrichtung
stromlos umgekehrt werden soll.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannte Regelschaltung
so auszugestalten, daß der Istwert des Laststroms potentialfrei erfaßt wird. Die
Regelschaltung soll weiterhin auch so
ausgestaltet werden, daß -
insbesondere für eine stromlose izlelaumpolung einer Gleichstrommaschine - ein Stromnullsignal
potentialirei abgegeben wird.
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Die srSindung beruht auf der Überlegung, daß bei der eingangs genannten
Regelschaltung nur der Netzstrom einfach und potentialfrei gemessen werden kann,
und daß es möglich ist, von diesem lTetzstrom auf den zur Stromregelung benötigten
Laststrom zu schlieren.
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Die genannte Aufgabe wird demnach erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß zur Messung des Istwerts des durch den Gleichstromsteller fließenden Netzstromes
ein Strommeßglied vorgesehen ist, das über eine elektronische Wachbildeeinrichtung,
welche aus dem Istwert des Netzstroms den Istwert des Laststroms bildet, mit dem
Vergleicher des Stromreglers verbunden ist.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß die elek-cronische Nachbildeeinrichtwlg eine Serienschaltung umfaßt, die
aus einem Widerstand und einem Kondensator besteht, wobei dem Widerstand eine Sperrdiode
parallel geschaltet ist, daß an die Serienschaltung eine Spannung gelegt ist, die
ein Maß für den Istwert des Netzstroms ist, und daß am Kondensator eine Spannung
abgegriffen ist, die ein Maß für den Istwert des Laststroms ist. Eine solche Nachbildeeinrichtung
kommt mit besonders wenigen und besonders preisgünstigen Bauelementen aus. Die eine
Ausgangsklemme dieser Nachbildeeinrichtung sollte auf dem gemeinsamen Potentialbezugspunkt
liegen.
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Die Nachbildung des Laststroms sollte den tatsächlichen Verhältnissen
möglichst genau angepaßt werden. Um dieses zu erreichen, sollte bei dieser Nachbildeeinrichtung
insbesondere so vorgegangen werden, daß das Produkt aus dem ohmschen l,Rert des
Widerstands und der Kapazität des Kondensators
genau so groß ist
wie der Quotient aus der Induktivität und dem ohmschen ert der Last.
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Als Strommeßglied kann insbesondere ein Meßwiderstand vorgesehen sein,
der in der direkten Verbindung zwischen dem einen Pol der Gleichspannungsquelle,
der als Potentialbezugspunkt ür die Regelschaltung aient, und dem Gleichstromsteller
angeordnet ist. Bei einem Transistorsteller mit npn-Endtransistor sollte dieser
Meßwiderstand z. B. direkt zwischen dem Emitter des Endtransistors und dem negativen
Pol der Gleichspannungsquelle angeordnet sein.
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Um ein potentialfreies Stromnullsignal zu erhalten, kann so vorgegangen
werden, daß in einer der beiden Verbindungsleitungen zwischen der Last und «em Freilaufventil
eine Wicklung angeordnet ist, die zur Betätigung eines Reedkontaktes vorgesehen
ist, der bei Stromnull des Laststroms ein Stromnullsignal liefert.
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Ist an der Last, insbesondere an einer Gleichstrommaschine, ein Polwendeschalter
mit zugehöriger Steuereinrichtung vorgesehen, so kann dieses Stromnullsignal an
die Steuereinrichtung für diesen Polwendeschalter abgegeben werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden
anhand von vier Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Regelschaltung
für einen Gleichstromsteller mit Nachbildung des Laststroms aus dem Netzstrom, Figur
2 den Verlauf des Netstroms in Abhängigkeit von der Zeit, Figur 3 den Verlauf des
Freilaufstroms in Abhängigkeit von der Zeit, und Figur 4 den Verlauf des Laststroms
in Abhängigkeit von der Zeit.
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Nach Figur 1 wird eine Last 2, die einen induktiven Lastanteil mit
der Inddstivität L und einen ohmschen Lastanteil mit einem ohmschen wert R besitzt,
über einen Polwendeschalter 3 in Form eines Schaltschützes und über einen Gleichstromsteller
4 aus einer Gleichspannungsquelle 5 gespeist. Als induktive Last 2 ist insbesondere
die Feldwicklung einer Gleichstrornrnaschine vorgesehen, die z. B. zum Antrieb eines
Fahrzeugs, speziell eines Slektroautos dient. Als Gleichstromsteller 4 wird im vorliegenden
Fall ein Transistorsteller verwendet. Die Kollektor-Emitter-Strecke seines npn-Endtransistors
liegt in der negativen Verbindungsleitung zwischen der Last 2 und dem negativen
Pol 6 der Gleichspannungsquelle 5. Einen pnp-Endtransistor würde man in der positiven
Verbindungsleitung anordnen.
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Als gemeinsamer Potentialbezugspunkt für die Steuerung und Regelung
dient der negative Pol 6 der Gleichspaiiiiungsquelle 5.
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Dadurch ergibt sich ein einfacher Aufbau für die Regelschaltung.
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Der positive Pol 7 der Gleichspannungsquelle 5 ist direkt mit der
Last 2 verbunden. Der Potentialbezugspunkt kann geerdet sein.
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Zun Messung des Istwerts des durch den Gleichstromsteller 4 fließenden
Netzstromes In dient ein Strommeßglied 8. Als Strommeßglied 8 wird hier ein Meßwiderstand
verwendet. Dieser Meßwiderstand besitzt nur wenige Zehntel Ohm. dr ist in der direkten
Verbindung zwischen dem negativen Pol 6 der Gleichspannungsquelle 5 und dem Gleichstromsteller
4 angeordnet.
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Die an ihm abgegriffene Potential-Spannung, die ein Maß für den Istwert
des Netzstroms In ist, wird gegen den Bezugspunkt gemessen. Diese Spannung wird
in einen Meßverstärker 9 gegeben, der als Operationsverstärker ausgebildet ist und
mit nicht näher bezeichneten Beschaltungswiderständen versehen ist. Der Meßverstärker
9 liefert an seinem Ausgang eine gegen den Potentialbezugspunkt gemessene Spannung
U1. Sie ist ein systemgerechte Maß für den Istwert des Netzstroms In.
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Dem Meßverstärker 9 ist eine elektronische Nachbildeeinrichtung 10
nachgeschaltet. Diese ist so ausgebildet, daß sie aus der eingegebenen Spannung
Ul, eine Spannung U2 formt und an ihren Ausgang abgibt. Diese ist ein Maß für den
Istwert des Laststroms I1. Der Ausgang der Nachbildeeinrichtung 10 ist über einen
nicht näher bezeichneten Eingangswiderstand mit dem Vergleicher 11 eines Stromreglers
12 verbunden. Diesem Vergleicher 11 wird über einen weiteren, nicht näher bezeichneten
Eingangswiderstand von einem Sollwertgeber 13 auch ein Sollwert U2* zugeführt. Als
Sollwertgeber 13 kann, wie eingezeichnet, ein Potentiometer vorgesehen sein. Der
Sollwert U2* entspricht einem Grenzwert I1* für den Laststrom 1i; er soll im Betrieb
der Last 2 nicht überschritten werden. Im-Vergleicher 11 wird die Spannung U2 mit
dem Sollwert U2* subtraktiv verglichen. Die auf diese Weise gebildete Regelabweichung
wird dem Stromregler 12 zugeführt. Der Stromregler 12 ist als Zweipunktregler ausgeführt.
Er umfaßt einen Operationsverstärker und noch weitere, nicht näher bezelchnete Beschaltungswiderstände.
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Das Ausgangssignal des Stromreglers 12 steuert über eine Anpaßstufe
14, insbesondere einen Verstärker, den Gleichstromsteller 4 in Abhängigkeit von
der gebildeten Regelabweichung.
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Im vorliegenden Fall wird der Endtransistor des Transistorstellers
durch ein Steuersignal an seiner Basis abwechselna geöffnet und geschlossen. Seine
Stromfuhrungsdauer richtet sich dabei nach der ermittelten Regelabweichung. Es wurde
bereits erwähnt, daß die Spannung U1 am Eingang der Nachbildeeinrichtung 10 in ihrem
zeitlichen Verlauf dem Verlauf des Netzstroms In entspricht, und daß die Spannung
U2 am Ausgang der Nachbildeeinrichtung 10 In ihrem zeitlichen Verlauf dem Verlauf
des Laststroms I1 entspricht. In den stromlosen Pausen des Gleichstromstellers 4
fließt ein Freilaufstrom If, der durch die Induktivität L der Last 2 zustande kommt,
über ein
ungesteuertes Freilaufventil 15, das die Last 2 in Sperrrichtung
ür die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 5 überbrückt.
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In den Figuren 2, 3 und 4 ist der Verlauf des Netzstroms In, des Freilaufstroms
Il bzw. des Laststroms I1 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Man erkennt,
daß der Laststrom 11 in seinem zeitlichen Verlauf jeweils zwischen den Zeitpunkten
t1 und t2 durch den zeitlichen Verlauf des Netzstroms In und zwischen den Zeitpunkten
t2 und t3 durch den zeitlichen Verlauf des Freilaufstroms In bestimmt ist.
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Aus einem Vergleich der Figuren 2, 3 und 4 geht folgendes hervor:
Man erhält den zeitlichen Verlauf des Laststroms 11 dann, wenn man den Netz strom
In zugrundelegt und die stromlosen Pausen im Netzstrom In zwischen den Zeiten t2
und t3 jeweils durch einen abklingenden Strom überbrückt. Dieser abklingende Strom
muß die Form des Freilaufstroms If besitzen, also auch dessen Zeitkonstante.
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Die bevorzugte elektronische Nachbildeeinrichtung 10 in Figur 1 stützt
sich auf die Uberlegung, daß sich der abklingende Strom zwischen den Zeiten t2 und
t3 mit der Zeitkonstante des Freilaufstroms If durch eine RC-Kombination herstellen
läßt. Diese Nachbildeeinrichtung 10 umfaßt eine Berienschaltunz. die aus einem Widerstand
18 mit dem Widerswert stand/R (18) und aus einem Kondensator 17 mit der Kapazität
C (17) besteht. Weiterhin ist noch eine Sperrdiode 16 vorgesehen, die in Stromflußrichtung
dem Widerstand 18 parallel geschaltet ist. Die Anordnung dieser Bauelemente ist
so getroffen, daß an die Serienschaltung 18, 17 die Spannung U1 gelegt ist, und
daß am Kondensator 17 die Spannung U2 abgegriffen wird. Der Widerstand 18 ist wesentlich
niederohmiger als die Eingangswiderstände des Stromreglers 12.
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Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 kann das Abklingen des Laststroms
11, der gleichzeitig auch als Freilaufstrom If über das Freilaufventil 15 fließt,
durch folgende Funktion beschrieben werden: II o 110 exp (-t/T), (1) wobei Ilo den
maximalen Wert des Laststroms I1 im Zeitpunkt t2 darstellt, und die Zeitkonstante
T durch die Zeitkonstante T = L/R (2) des Freilaufkreises gegeben ist.
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Das Abklingen der Spannung U2 am Kondensator 17 wird durch die Funktion
U2 = U2' exp (-t/T(10)) (3) beschrieben. Hierbei ist U2' eine Konstante, und die
Zeitkonstante T(10) ist durch T(10) = R(18).C(17) (4) als Zeitkonstante der Nachbildeeinrichtung
10 gegeben.
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Hierbei wird davon ausgegangen, daß sich der Kondensator 17 in den
spannungslosen Pausen der Spannung U1 über den Widerstand 18 entlädt.
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Die Nachbildeeinrichtung 10 ist nun so dimensioniert, daß T = T(10)
(5) gilt. Aus den Gleichungen (2), (4) und (5) folgt, daß das Produkt aus dem ohmschen
Wert R-(18) deg Widerstands 18 und der Kapazität C(17) des Kondensators 17 genau
so groß gewählt ist wie der Quotient T = L/R aus der Induktivität L und dem ohmschen
Wert der Last 2.
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Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 wird das Ansteigen des Last-.
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stroms 11 jeweils unverzögert über die Diode 16 übertragen.
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D. h., daß auch bei einer falschen Auslegung des Widerstands 18 und
des Kondensators 17 der oberste Grenzwert U2' sicher übertragen
wird.
Das schützt vor Überlastungen des Gleichstromstellers 4. Durch die Nachbildeeinrichtung
10 wird nur der Abklingvorgang des Laststroms 11 nachgebildet.
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Der aus dem Netzstrom In nachgebildete Istw-rt des Laststroms Il und
nicht der durch direkten Abgriff gemessene Laststromistwert wirci in der Regelschaltung
zur Regelung des Laststromes I1 verwendet.
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im folgenden wird davon ausgegangen, daß es sich bei der Last 2 um
die Erregerwicklung einer fremderregten Gleichstrommaschine handelt.
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Bei den meisten Fahrzeugsteuerungen mit einer solchen fremderregten
Gleichstrommaschine wird eine Richtungsänderung durch Umpolung des Feldes erreicht.
Wegen des großen Energieinhaltes der Feldwicklung ist es aber nur schwer möglich,
den vollen Last- oder Feldstrom umzuschalten. Deshalb wird erst der Stromnullzustand
des Feldstroms abgewartet, und dann erst wird in diesem Stromnullzustand umgeschaltet.
Das für eine solche stromlose Feldumpolung erforderliche Stromnullsignal wird.
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nach Figur 1 von einem Reed-Kontakt 20 geliefert, der von einer Wicklung
21 betätigt wira. Diese Wicklung 21 ist in der negativen Verbindungsleitung zwischen
der Last 20 und dem Freilaufventil 15 angeordnet. Im Stromnullzustand ist der Reed-Kontakt
2o geschlossen, so dae dieser ein Stromnullsignal an eine Steuereinrichtung 22 liefert,
welche den Polwendeschalter 3 betätigt. %s ist aus figur 1 ersichtlich, claus das
Stromnullsignal von dem Reed-Kontakt 20 potentialfrei abgeleitet wird.