DE2457591B2

DE2457591B2 - Kreisstromfreie Stromrichter-Gegenparallelschaltungsanordnung mit Impulsumschaltung

Info

Publication number: DE2457591B2
Application number: DE2457591A
Authority: DE
Inventors: Burckart Dr. Schwerzenbach Kind (Schweiz)
Original assignee: Contraves Antriebstechnik AG
Current assignee: Contraves Antriebstechnik AG
Priority date: 1974-02-07
Filing date: 1974-12-05
Publication date: 1978-07-20
Also published as: GB1502632A; DE2457591A1; FR2260896A1; FR2260896B3; US3984741A; CH571286A5; IT1027644B

Description

(t_p- \ + \ = t_p)

zwecks Lieferung einer zur effektiven Lückdauer (t_p) des Verbraucherstromes (Ia) proportionalen Ausgangsspannung (— UpIi) umfaßt.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des GläUungsgliedes (12) in der Lückdauer-Detektorschaltung (10) nicht kleiner ist als die Rückführzeit des Verbraucher-Stromreglers (S).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zusätzliche Mittel zur Nullsetzung des dem Verbraucherstromregler (S) zugeführten Soll- und Istwertes des Verbraucherstromes (Ia) während der stromlosen Pause bei jeder Umpolung.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zusätzliche Mittel zur Nullsetzung des aus dem Glättungsglied (12) der Lückdamer-Detektorschaltung (10) gewonnenen Mittelwertes [\ — t_p) der Verbraucherstrom-Pulsdauer während der stromlosen Pause bei jeder Umpolung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine kreisstromfreie Stromrichter-Gegenparallelschaltungsanordnung mit Impulsumschaltung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Eine Schaltungsanordnung der erwähnten Art ist aus dem Aufsatz von E. G ο 1 d e und K.-H. R i e b s c h I ä ger in Techn. Mitt AEG-TELEFUNKEN 61 (1971), 2, S. 135 — 137 bekannt. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung wird die Korrekturgröße vom Strom-Sollwert über einen Anpaßverstärker an die vorhandene Lückgrenze und einen Funktionsbildner zur Linearisierung der Gleichstrom-Steuerwinkel-Kennlinie im Lückbereich abgeleitet. Somit kann bei schnellen Stromänderungen keine gute Linearisierung der Gleichstrom-Steuerwinkel-Kennlinie erreicht werden, weil die Korrekturgröße nicht vom Strom-Istwert, sondern vom Strom-Sollwert abgeleitet ist. Zudem ist ein erheblicher Abgleichaufwand für jeden Anwendungsfall notwendig, da die Schaltungsanordnung jeweils entsprechend dem in jedem Anwendungsfall zu ermittelnden Wert des Stromes an der Lückgrenze justiert werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bei schnellen Stromänderungen eine bessere Linearisierung der Gleichstrom-Steuerwinkel-Kennlinie zu erreichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Stromrichter-Gegenparallelschaltungsanoirdnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, daß die primäre Zündwinkel-Stellgröße mit entgegengesetzten Vorzeichen an den ersten Eingängen der Korreklurglieder anliegt und daß die an den zweiten Eingängen dieser Korrekturglieder anliegende Korrekturgröße von dem Ausgang einer Lückdauer-Detektorschaltung geliefert wird und von der momentanen Lückdauer des ungeglätteten Verbraucherstroms abhängig ist, wobei die Korrekturgröße sich gleichsinnig mit der Lückdauer ändert und bei nichtlückendem Verbraucherstrom den Wert »Null« und bei voller Lückung einen vorgegebenen Einheitswert hat.

Die Korrekturgröße wird also vom Istwert des Verbraucherstromes abgeleitet. Dadurch zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch bei lükkendem Verbraucherstrom ein gutes dynamisches Regelverhalten. Außerdem ist damit auf einfache Weise erreicht, daß diese Schaltungsanordnung universell für jeden Anwendungsfall geeignet ist, ohne daß e:s einer Anpassung an den speziellen Anwendungsfall bedarf.

Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist gekennzeichnet durch zusätzliche Mittel zur Nullsetzung des dem Verbraucherstromregler zugeführten Soll- und Istwertes des Verbraucherstromes während der stromlosen Pause bei jeder Umpolung. Dadurch ändert sich während der Umpolzeit der I-Anteil des Stromreglers nicht und liefert zusammen mit der Korrekturgröße nach dem Umpolen eine korrigierte Zündwinkel-Stellgröße, die dem Arbeitspunkt des Stromrichters nach

dem Umpolen bei einem Strom von praktisch Null entspricht. Demgegenüber ist in der aus dem Aufsatz von A. Bu χ baum in Techn. Mitt. AEG-TELEFUN-MEN 60 (1970), 6, S. 361-365, insbesondere S. 365, bekanntgewordenen kreisstromfreien Gegenparallelschaltung mit lmpulsumschaltung für extreme Anforderungen eine zusätzliche Reglerführung :n Verbindung mit einem adaptiven Stromregler vorgesehen, die so ausgelegt ist, daß sie den adaptiven Stromregler während der Umschaltzeit auf seinen neuen Arbeitepunkt führt.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschema einer erfindungsgemäßen Stromrichter-Gegenparallelschaltung und

Fig. 2 Zeitdiagramme von Strom- und Spannungswerten bei einer Iswert-Änderung.

Bei einer kreisstromfreien Gegenparallelschaltung zweier Thyristor-Gleichrichter in Dreiphasenbrückenschaltung, welche auf den Anker eines Gleichstrommotors M arbeiten, gemäß F i g. 2, führt jeweils nur eine von zwei Stromrichtergruppen bzw. -Brücken S, und B₂ Strom, und die andere Brücke bleibt gesperrt. Um die Stromrichtung im Anker umzukehren, ist es nötig, zunächst den Strom im Anker auf Null zu bringen, die vorher leitende Brücke zu sperren und erst nach einer Sicherheitspause die andere Brücke zu zünden. Schaltungen zur Brückenzündung und -Sperrung sowie deren Umpuls-Umschaltung sind bekannt und in Fig. 1 nicht dargestellt. Ebenfalls nicht dargestellt ist der an sich bekannte überlagerte Drehzahlregelkreis. Der unterlagerte Stromregelkreis enthält einen fV-Regelverstärker, eventuell zusätzlich mit Nachführung der Integrationszeitkonstanten im Lückbereich, als Verbraucherstrom-Reglers S, dem der Strom-Sollwert /5 über ein Glättungsglied d und der Ankerstrom-Istwert Ia, der eine dem Ankerstrom proportionale, vom Strommeßgeber IWgelieferte Größe darstellt, über ein Glättungsglied G₂ eingegeben werden.

Die Ausgangsspannung Ur des Stromreglers 5 wird als Primär-Stellgröße an je einen ersten Eingang eines ersten Summierverstärkers Vi und, über einen invertierenden Verstärker Vj, eines zweiten Summierverstärkerers V₂ geleitet. Die Ausgänge der beiden Summierverstärker Vi und V2 stehen als Zündwinkelsteuerspannungen U] und U₂ den nicht dargestellten Zündeinrichtungen für die Stromrichterbrücken B\ und B₂ zur Verfügung.

Bezeichnen wir beispielsweise den Zündwinkel der Brücke B\ für nichtlückenden Brückenstrom mit Φ\. Da die Regelverstärkung im nichtlückenden Bereich sehr groß ist, betrachten wir Φ\ in diesem Bereich als konstant für eine feste Drehzahl ω, womit Φ|=Φ| (ω) gesetzt werden kann. Wird bei fester Drehzahl ω der Strom über die Lückgrenze hinaus in den lückenden Strombereich verkleinert, so setzt die Zündung zu einem früheren Zeitpunkt ein. Den Zündwinkel der Brücke ßi im lückenden Strombereich bezeichenen wir nun mit Xi und den jeweiligen Wert dieser Zündwinkelverschiebung der Brücke B\ gegenüber Φι mit Ψ\. Weiter wird die Dauer einer Periode der Netzspannung mit T und die Gesamtdauer der Nullücken des Brückenstromes während einer Periode der Netzspannung mit tp bezeichnet. In guter Annäherung kann angenommen werden, daß der Wert Ψ\ erstens dem Verhältnis von -^ entspricht und zweitens bei einem Stromwert Null für alle Drehzahlen den maximalen Wert von 30" el erreicht. Mit ausreichender Genauigkeit gilt also

6 7

Nach dieser Formel wird bei nichtlückendem Strom die Zündwinkelverschiebung <P\=0 und für volle Lückung, d. h. Ankerstrom Null, Φι =30°el. Allgemein beträgt der Zündwinkel der im Eingriff befindlichen Brücke B\ nun

Λ =(

Wird <P = 0 für stillstehenden Motor, d.h. für Brückenspannung Null, bei nichtlückendem Strom normiert, so sind für die beiden Brücken bei Drehzahl ω und Brückenstrom mit Lückdauer t_p die Formeln (3) bis (6) mit den zugehörigen Winkelbereichen gültig.

wobei

0 < '1'U_n)

η 6

wobei — ~ <; /? < ^ .

Verwendet man Zündstufen mit linearer Charakteristik, so kann von den Zündwinkeln auf die Zündwinkelsteuerspannungen z. B. für die Brücke wie folgt

übergegangen werden: X\=k ■ U\. Wird k= -~-gesetzt,

so variieren die Zündwinkelsteuerspannungen im Bereich von -1 bis +1. Zur Ermittlung der Zündwinkelverschiebung bzw. des Zündverschiebungswinkels Ψ beim Arbeiten im lückenden Strombereich

wird die Größe

die dem zeitlichen Verlauf des

Ankerstrom-Istwertes U entspricht, in eine proportionale Spannung U_p umgewandelt. Die Zündwinkelsteuerspannungen U\ und U₂ können nun gemäß den nachstehenden Formeln (7) bis (10) aus der Stellgröße Ur des Stromreglers 5 und der dem zeitlichen Verlauf des Ankerstromes proportionalen Spannung U_p hergeleitet werden.

U_R * Φ (,.

U₂= - U_R -

(10)

Vergleicht man die Formeln (9) und (10) mit den Formeln (5) und (6), so ist daraus ersichtlich, daß im Bereich des lückenden Stromes die Zündwinkelsteuer-

Spannungen nicht nur von der Ausgangsspannung ± Ur des Stromreglers S, sondern vermindert um den

Spannungswert ■■£ gegeben sind. Diese Verminderung

erfolgt nur im lückenden Strombereich und entspricht wertmäßig dem Zündverschiebungswinkel Ψ, der aus dem zeitlichen Verlauf des Ankerstromes hergeleitet wird.

Gemäß Fig. 1 enthält eine Lückdauer-Detektorschaltung 10 zur Ermittlung des Zündverschiebungswinkels Ψ der gezündeten Brücke in Serie einen Schwellwertschalter 11, ein Glättungsglied 12 und die beiden Verstärker 13 und 14. Die ganze Detektorschaltung ist dem Verbraucherstrom-Regler S parallel geschaltet. Im Schwellwertschalter 11 wird dessen Eingangssignal, der ungeglättete Ankerstrom-Istwert l.\, beispielsweise so umgeformt, daß ein Spannungsrechteckimpuls mit vorgegebener Höhe (Wertung 1) für die Dauer jedes Stromimpulses am Ausgang erscheint. Im Glättungsglied 12 wird der Mittelwert dieser Rechteckfunktion gebildet und über den invertierenden Verstärker 13 an den Summierverstärker 14 zur Summenbildung mit einem zweiten Eingang mit der Wertung +1, Teilung durch 3 und Invertierung weitergeleitet. Der resultierende Ausgangswert —

y wird nun den zweiten Eingängen der beiden

Summierverstärker Vi und V₂ zugeführt, in welchen im Zusammenwirken mit der vom Verbraucherstrom-Reglcr S gelieferten Stellgröße ± Ur die Zündwinkelsteuerspannungen U\ und Ui gemäß Formeln (9) und (10) gebildet werden.

Anschließend wird die Funktionsweise der Stromregelung gemäß F i g. 1 für den nichtlückenden und den lückenden Ankerstrombereich erläutert. Im nichtlükkenden Bereich erhält der Ausgang des Schwellwertschalters 11 und damit des Glättungsgliedes 12 die Wertung +1, welche durch Invertierung im Verstärker 13 zum Wert -1 wird. Durch die später begründete Zuschaltung von +1 als zweiter Eingang zum Summierverstärker 14 wird die Summe der beiden Eingänge Null und damit auch dessen Ausgang. Dies bedeutet, daß die Steuerspannungen U\ und Ui durch die vom Verbraucherstrom-Regler S gelieferte Stellgröße Ur über die Verstärker V\ und V₂ bestimmt werden.

Das Regelverhalten im Bereich des lückenden Stromes für eine vom Drehzahlregler aufgezwungene Sollwert-Änderung ist in F i g. 2 dargestellt. Ändert sich der Wert des Sollstromes Is stufenförmig beim Zeilpunkt /ι gemäß a), so würde ohne Berücksichtigung der Wirkung der Schaltung 10 der Regler S die Stellgröße Ur entsprechend der gestrichelten Linie von b) einstellen. Durch das Absinken der Stellgröße Ur verringert sich auch der Wert der Zündwinkelsteuerspannung, beispielsweise U\, gemäß c), und der Stromwert U verkleinert sich, beziehungsweise die Lückdauer I₁, vergrößert sich gemäß d). Dies bewirkt eine Verminderung der Wertung am Ausgang des Glättungsgliedes 12. Dieser Wert wird im Verstärker 13 invertiert und im nachfolgenden Summierverstärker 14 ■-, von der Wertung +1 des zweiten Einganges subtrahiert, invertiert und gedrittelt, wodurch eine Erhöhung

von U_n gemäß e) bzw. — ^' resultiert. Durch die

Zündwinkelverschiebung wird nun über den Regelkreis

in die Stellgröße Ur auf angenähert den Wert vor der Sollwertänderung zurückgeführt.

Bei jedem Umpolvorgang des Ankerstroms werden beim Durchgang des Stromes durch den Wer; Null beide Brücken während einer Sicherheitszeit abgeschal-

\-, tet, um einen Kurzschluß im Gleichrichterkreis zu verhindern. In dieser Sicherheitszeit, welche beispielsweise 1 msec dauert, werden vorzugsweise die beider Eingänge, d. h. der Stronisoll- und -istwert, des Reglers i auf Null gesetzt. Der Reglers S ist nämlich eir

2i) PARegler: wird der Eingang auf Null gesetzt, so ander! sich zwar der P-Anteil sprunghaft, er stellt sich abei sofort von neuem auf den richtigen Wert ein, wenn dei Regler nach dem Umpolvorgang wieder freigegeber wird; während der Umpolzeit ändert sich aber dei

r> /-Anteil nicht. Dadurch wird verhindert, daß sich dei Reglerausgang, die Stellgröße Ur, während des Umpolvorganges ändert. Weiter wird mit Vortei während des Umpoivorganges der Eingang des Verstärkers 13 auf Null gesetzt. Damit wird erreicht

jo daß der Ankerstrom nach jedem Umpolvorgang durch

die Zündwinkelverschiebung auf den Wert - ^ beirr

Wert Null einsetzt. Ferner wird mit Vorteil die Zeitkonstante des Schaltkreises 10, d. h. des Glättungs-

j) gliedes 12, nicht kleiner als die Verzögerungszeitkonstante des geschlossenen Stromregelkreises gesetzt.

Eine kreisstromfreie Gegenparallelschaltungsanordnung gemäß Fig. 1 arbeitet auch im lückender Strombereich und dort auch bei kleinen Strömen ohne Gleichstromdrosseln im Motorkreis einwandfrei. Be hohen Anforderungen an die Regeldynamik ist die Verwendung eines Adaptivreglers anstelle des PAReglers gegeben.

Die beschriebene Detektorschaltung 10 oder eir

4") äquivalenter Kreis ist mit Hilfe üblicher Bauelemente einfach realisierbar. Die Zeitkonstanten der Glättungs glieder Gi, G₂ und 12 können beispielsweise mit der Werten 4, 1 und 10 msec veranschlagt sein. Die vorgeschlagene Stromregelung ist nicht auf Anwendun

■)ii gen mit linearer Charakteristik der Zündsteuersätzc limitiert, sondern bei allen gebräuchlichen, vorzugswei se symmetrischen Zündwinkelsteuer-Kennlinien an wendbar. Außerdem ist denkbar, der Stellgröße de: Stromreglcrs einen Funktionsbildncr zur Lincarisierunj

^ der Gleichspannungs-Steucrspannungs-Kcnnlinic nach zuschalten.

Hierzu 2 BIaIl Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kreisstromfreie Stromrichter-Gegenparallelschaltungsanordnung" mit Impulsumschaltung zur ■-, stromgeregelten Speisung eines Gleichstromverbrauchers, umfassend eine erste, in einem von zwei Betriebszuständen gezündete und eine zweite, jeweils erst nach Umschaltung auf den anderen Betriebszustand zu zündende Stromrichtergruppe ι ο sowie einen Verbraucherstrom-Regler zur Erzeugung von Zündwinkel-Stellgrößen für beide Stromrichtergruppen in Abhängigkeit von einer Regelabweichung, wobei eine primäre Zündwinkel-Stellgröße vom Ausgang des Verbraucherstrom-Reglers an \-, ersten Eingängen von zwei summierenden, zur Linearisierung der Strom-Steuerwinkel-Kennlinie im Lückbereich dienenden Korrekturgliedern anliegt und an deren zweiten Eingängen eine vom Verbraucherstrom abgeleitete Korrekturgröße mit >o gleichen Vorzeichen anliegt und wobei den beiden Stromrichtergruppen aus den Ausgängen der Korrekturglieder korrigierte Zündwinkel-Stellgrößen zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Zündwinkel-Stellgröße (Ur) mit entgegengesetzten Vorzeichen an den ersten Eingängen der Korrekturglieder (Vi, V₂) anliegt und daß die an den zweiten Eingängen dieser Korrekturglieder anliegende Korrekturgröße (— UpIZ) von dem Ausgang einer Lückdauer-Detek- ω torschaltung (10) geliefert wird und von der momentanen LUckdauer (t_p) des ungeglätteten Verbraucherstromes (Ia) abhängig ist, wobei die Korrekturgröße sich gleichsinnig mit der Lückdauer (tp) ändert und bei nichtlückendem Verbraucher- j; strom den Wert »Null« und bei voller Lückung einen vorgegebenen Einheitswert hat.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lückdauer-Detektorschaltung (10), deren Eingang der ungeglättete Ver- w braucherstrom (I_A) zugeführt wird, hintereinander einen Schwellwertschalter (11) zur Erzeugung je eines Rechteckimpulses vorgegebener Einheitshöhe (+l)je während der Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes durch den Augenblickswert des Verbraucherstromes (Ia), ein Glättungsglied (12) zur Bildung des zeitlichen Mittelwertes (1 - t_p) der Verbraucherstrom-Pulsdauer, einen Invertierverstärker (13) zur Bildung der inversen Mittelwert-Größe (tp— 1) und einen Ausgangsverstärker (14) zur Addition eines Einheitswertes ( + 1) und zur Normierung der Summe