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Vorrichtung zur Begrenzung der Regelfrequenz eines Zweipunktreglers.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung der Regelfrequenz
eines Zweipunktreglers bei Anordnungen mit einem Energiespeicher im Lastkreis, insbesondere
zum Betrieb eines Gleichstromantriebes an einer festen Gleichspannungsquelle über
einen Gleichstromsteller.
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Es ist bekannt, daß man z.B. mit Hilfe von Stellgliedern der Leistungselektronik
den Laststrom eines ohmisch-induktiven Verbrauches innerhalb weiter Grenzen stellen
kann. Angewandt wird dieses Verfahren bei der Merlustlosen Speisung entsprechender
Lasten aus Batterien und anderen Gleichspannungsquellen. Man unterscheidet bei diesen
Stellgliedern verschiedene Stellmöglichkeiten: 1. Die Pulsbreitensteuerung hält
die Pulsperiode konstant, durch Veränderung der Einschaltdauer wird der Mittelwert
der zu stellenden Größe geändert. Theoretisch besteht die Möglichkeit, den Mittelwert
ständig zwischen Null und dem Maximalwert zu verstellen, jedoch wird es je nach
Aufwand bei der praktischen Ausführung unter Umständen erforderlich, gewisse Mindesteinschaltzeiten
einzuhalten, wodurch der Stellbereich eingeschränkt wird.
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2. Beim Verändern der Pulsfrequenz kann entweder die Einschaltdauer
oder die Ausschaltdauer konstant gehalten werden. Auch hier erfordert die praktische
Ausführung gewisse Einschränkungen an den Stellbereich.
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3. Neben den oben erwähnten Möglichkeiten, das Stellglied mit fester
Puls frequenz oder mit konstanter Ein- bzw. Ausschaltdauer zu betreiben, kann man
die Schaltpunkte der Stellglieder auch vom Momentanwert der zu stellenden Größte
herleiten und erhält auf diese Art eine direkte Zweipunktregelung der Regelgröße.
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Die letztgenannte Art, eine elektrische Größe zu verändern, wird häufig
beim Betrieb einer Cleichstrommaschine, die von einer konstanten Gleichspannung
gespeist wird, angewandt.
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beim Einsatz der Gleichstrommaschine als Antriebselement ist es oft
zweckmäßig, ein bestimmtes, von der Maschine abgegebenes Moment einzustellen, was
zweckmäßigerweise durch kontinuierliches Verändern des Ankerstromes erreicht wird.
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Vorzugsweise wird diese Art der Stromstellung als Zweipunktregelung
des Ankerstromes ausgeführt. Der zeitliche Verlauf des Stronies pendelt bei diesem
Regelverfahren innerhalb eines zugelassenen Stromintervalles um den als Sollwert
vorgegebenen Mittelwert des Laststromes. Eine Kippstufe mit einer definierten Hysterese,
welche die Breite des Stromintervalles bestimmt, vergleicht den Istwert des Laststromes
mit dem vorgegebenen Sollwert. Die Einschaltdauer T1 und die Ausschaltdauer T2 sowie
die Puls frequenz stellen sich bei diesem Verfahren in Abhängigkeit vom jeweiligen
Betriebszustand frei ein.
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Die Puls frequenz ändert sich bekannterweise etwa parabelförmig mit
dem Betriebszustand (Tastverhältnis) und durchläuft ein Maximum, welches beim Tastverhältnis
T2/(T1 + T2) - 1/2 auftritt.
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Die Spannung am Motor ist dann etwa halb so groß wie die der speisenden
Quelle.
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Bei der praktischen Auslegung eines batteriegespeisten Gleichstromantriebes
über einen Gleichstromsteller begegnet man oft dem Problem, daß die Ankerinduktivität
der Maschine für einen ordnungsgemßen Betrieb zu klein ist. Legt man sich auf eine
bestimmte-maximale Pulsfrequenz fest, so kann die Stromschwankungsbreite einen gewissen
maximalen Wert übersteigen, was sich dann besonders beim Anfahren und vollen Einschalten
des Antriebes, d.h., bei niedriger Pulsfrequenz, nachteilig auswirkt. Eine Möglichkeit,
diesen Nachteilen zu entgehen, besteht darin, eine Zusatzdrossel vorzuschalten.
Bei entsprechender Dimensionierung kann man dabei die Einhaltung von Grenzwerten
im gesamten Betriebsbereich erreichen. Von großem Nachteil ist jedoch der hohe Aufwand
eines starkstromtechnischen Bauelementes, was sich vor allem im Preis und Gewicht
der gesamten Anlage auswirkt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, durch welche
diese Nachteile vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäA.dadurch gelöst, daß eine an sich
bekannte Frequenzregelschaltung vorgesehen ist, die ein Signal abgibt, wenn die
Frequenz am Ausgang des Zweipunktreglers einen vorgegebenen Wett erreicht, und daß
dieses
Signal auf den Zweipunktregler im Sinne einer Vergrößerung
der Schwankungsbreite der Regelgröße einwirkt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist vorgesehen, daß
der Zweipunktregler in an sich bekannter Weise aus einem als Komparator fUr die
Regelgröße beschalteten Gperationsverstrker besteht, welcher zwiscnen Ausganz und
nicht invertierendem Eingang ein regelbares Gegenkopplungsglied zur E:estimmung
der Schwankungsbreite der Regelgröße aufweist. Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen,
daß das regelbare Gegenkopplungsglied ein Fotcs-ziderstand ist.
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Bei derr Ausführungsbeispiel ist weiter vorgesehen, daß die Frequenzregelschaltung
aus einem als summierender Inteszrator für die Regelfrequenz beschalteten Operations
verstinker besteht und daß das Ausgangssignal der Frequenzregelschaltung über eine
Lanpe, gegebenenfalls unter ZwIschenschaltung eines Vertärkers, auf den Fotowiderstand
einwirkt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erwindung für
eine Zweipunktregelung des Ankerstromes eines Gleichstromantriebes dargestellt.
Der Zweipunktregler wird durch den Operationsverstsrker 1 mit seiner Beschaltun
gebildet, dessen Ausgangssignale über eine Steuerlogik 2 auf einen Gleichstromsteller
3 einwirkt, welcher diesen Auseangssignalen entsprechend den Ankerstrom einer nicht
dargestellten Gleichstrommaschine durchläßt oder sperrt. em Zweipunktregler ist
eine Frequenzregelschaltung überlagert, welche aus dem Operationsverstärker 4 und
seiner Beschaltung besteht. Dessen
Ausgang steuert über einen Transistr-Verstärker
5 eine Lampe 6 an, welche auf den Zweipunktregler einwirkt.
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Der Operationsverstärker 1 ist als Komparator mit einer Hystereseschleife
beschaltet. einer den Eingang 7 und den Widerstand 8 gelangt eine dem Ist-Wert des
Ankerstromes proportionale Größe an den mit einem Minuszeichen gekennzeichneten
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1. Uber ein an einer nicht dargestellten
Spannungs quelle liegendes Potentiometer 9 und einen Widerstand 10 gelangt eine
dem jeweiligen Soll-Wert des Ankerstrones proportionale Größe ebenfalls an den invertierenden
Eingang dieses OperationsverstXrkers.
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Der mit einem Pluszeichen gekennzeichnete nichtinvertierende Eingang
de Operationsverstmirkers l ist über einen Widerstand 11 mit Masse verbunden. Im
Gegenkopplungszweig zwischen Ausgang und nicht invertierendem Eingang des Operationsverstdrkers
l liegt ein Fotowiderstand 12. Das Verhältnis des Widerstandes 12 zum Widerstand
11 bestimmt die. Hysterese des Operationsverstcirkers 1 und damit die Schwankungsbreite
des Ankerstromes.
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solange der Ist-Wert des Ankerstromes unterhalb des Soll-Wertes bleibt,
führt der Ausgang des Operat-ionsversturkers 1 ein Signal, welches über die Steuerlogik
2 den Gleichstromsteller 3. öffnet. Sobald der Ist-Wert den Soll-Wert erreicht,
verschwindet das Signal am Ausgang des Operationsverstärkers 1 und der Gleichstrorsteller
schließt, wodurch der Ankerstrom mit einer durch die Ankerinduktivität bestimmten
Zeitkonstante abfällt. Sobald der Ist-Wert des Ankerstromes den durch die
Hysterese
bestimmten unteren Schaltpunkt erreicht, erscheint arr.
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Ausgang des Operationsverstärkers 1 wieder ein Signal, welches den
Gleichstromsteller 3 öffnet, so daß der Ankerstrom wieder ansteigen kann. Der Komparator
ist für den normalen Betrieb mit einer kleinen Hysterese dimensioniert, das heißt,
es wird sich eine geringe Stromschwankungsbreite einstellen, welche ein weiches
Anfahren des Antriebes gestattet. Im Normalfall wird bei dieser Stromschwankungsbreite
und zu kleiner Ankerinduktivität die Pulsfrequenz zu hohe Werte annehmen, wodurch
die Kommutierung des Gleichstrostellers gefährdet wre bzw.
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die durch das scnnelle Ein- und Ausschalten der Halbleiterbauelemente
hervorgerufenen zusatzlichen Verluste zu hohe ferte annAhmen.
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Als Frequenzregelschaltung ist ein OperationsverstSrker 4 vorgesehen,
welcher als summierender Integrator beschaltet ist.
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er den Eingang 13 und einen Widerstand 15 gelangt eine dem Ist-Wert
der Pulsfrequenz des Operationsverstärkers 1 proportionale Größe an den invertierenden
Eingang des Operationsverstarkers 4.
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ber den Eingang 14 und einen Widerstand 16 gelangt eine dem vorgegebenen
Maximalwert dieser Puls frequenz proportionale Größe ebenfalls an den invertierenden
Eingang dieses Operationsverstärkers. Im Rückkopplungszweig zwischen dem Ausgang
und der invertierenden Eingang des Operationsverstärkers liegt ein Kondensator 17.
Der nicht invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers liest an Masse. Das
Ausgangssignal des Operationsverstärkers 4 gelangt an die Basis eines Leistungstransistors
5, dessen Kollektor an der Bezugsspannung liest und dessen Emitter über eine Lampe
6 mit Masse verbunden ist.
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Solange der Ist-Wert der Puls frequenz unterhalb des vorgegebenen
Maximalwertes liegt, führt der Ausgang des Operationsverstärkers 4
kein
Signal. Der Leistungstransistor 5 bleibt geschlossen und die Lampe 6 dunkel. Sobald
die Pulsfrequenz den vorgegebenen MaXimalwert erreicht, beginnt die Spannung am
Ausgang des Operationsverstärkers 4 entsprechend der durch den Kondensator 17 eingestellten
Zeitkonstante zu steigen und damit den Transistor 5 aufzusteuern. Im gleichen 'aße
erhellt sich die Lampe 6 und wirkt auf den Fotowiderstand 12 so ein, daß die Hysterese
des Operationsverstärkers 1 vergrößert wird. Dies führt zu einer größeren Schwankungsbreite
des lonker$tromes sobald die Puls frequenz auf ihren Maximalwert ausgeregelt wird.
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Die Verstellung des Verhältnisses der beiden Widerst:4nde 11 und 12,
welche vorteilhafterweise über eine Kombinaticn Lichtquelleotowiderstand erfolgt,
kann auch mit jedem anderen Bauelement durcnOefGhrt werden, dessen Widerstand elektrisch,
magnetisch, optisch oder induktiv verstellt werden kann. Dabei spielt es keine Kolle,
ob bei der Verstellung des Widerstandsverhältnisses nur Widerstand 11 oder nur widerstand
12 oder beide Widerstünde verstellt werden.
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Die erfindungsgemäße Võrricntung ist nicht auf die Anwendung in einem
Gleichstromantrieb beschränkt, sondern kann bei allen anderen Anordnungen eingesetzt
werden, bei denen der Lastkreis einen Lnergiespeicher besitzt und bei welchem die
den Energieinnalt bestimmende Größe mit Hilfe einer Zweipunktre,elung auf einem
bestirmten Wert eingeregelt werden soll.