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Verfahren zur Drehzahl- und Drehmomentregelung von Mehrmaschinen-Prüfständen"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Drehzahl-und Drehmomentregelung
von MehrmaschinenPrüfstj:nden, bei denen einzelne Maschinen über einen Prüfling
verkoppelt sind, und die unterlagerten Regelkreise für antriebsmoment-proportionale
Regelgrößen enthalten.
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Bei Dreh- und Drehmomentregelkreisen, die über eincn Prüfling oder
entsprechende Elemente gekoppelt sind, tritt eine starke gegenseitige Beeinflussung
der Regelgrößen auf. Bei Sollwert-Änderungen einer Größe weisen die übrigen Regelgrößen
Istwert-Einbrüche auf. Außerdem läßt sich nicht eine so gute Dynamik erzielen wie
am vergleichbaren Drehzahl- oder Drehmoment-Einzelregelkreis. Weiterhin weisen diese
gekoppelten Regelkreise schlecht gedämpfte Schwingungen auf, die aus der nechanischen
Kopplung der Regelkreise herrühren und sich mit herkömmlichen Reglereinstellungen
holme Inkaufnahme erheblicher Dynamikverschlechterung nicht beseitigen lassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Regelverfahren auf zu zeigen,
bei dem die Regelung der Drehzahl- und Drehmomentenregelkreise unabhängig voneinander
bei guter Systemdämpfung erfolgt und die Kopplung der Regelkreise stark reduziert
wird,
bei dem ferne die Dynamik der Regelkreise erhöh-t wird und
das für eine gute Dämpfung des Gesamtsystems sorgt.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß über ein Entkopplungsnetzwerk
das Ausgangs signale des Drehzahlreglers den unterlagerten Regelkreisen der Drehmomentregelung
zugeführt wird, daß mittels einer Schaltelgsanoradung für eine Zusatzdämpfung aus
elektrischen, den Drehzahlen der einzelnen Maschinen analogen Signalen durch Differenzbildung
die Wechselanteile mit geeigneter Verstärkung ima Phasenlage auf alle oder einige
der unterlagerten Regelkreise geschaltet werden und daß mittels einer Schaltung
für eine Momentvorsteuerung die Momentsollwerte auf alle unterlagerten Regelkreise
oder nur auf die den Momentregenkreisenunterlagerten Regelkreise geschaltet werden.
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Bei Verwendung von im Feldschwächbereich betriebenen GleichstromnebenschluBmiEchinen
werden die Signale, die aus dem Drehzahlregler, den Drehzahlen der vorhandenen Maschinen
und den Momentensollwerten gebildet werden, vor der Aufschaltung auf die Sollwerteingänge
der Stromregelkreise mit Dividierschaltungen bzw. Multiplizierschaltungen durch
erregerflußproportionale oder erregerstromproportionale Größen dividiert bzw. multipliziert
werden und damit dem nichtlinearen Ankerstrom-Motormomentverhalten im Feldschwächbetrieb
angepaßt werden.
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Vorteilhaft nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist besonders die
hohe erzielbare Dämpfung der Drehzahl- und Drehmomentenregelkreise, die das Schwingverhalten
der Gesamtanlage nahezu unterbindet. Vorteilhafterweise wird dadurch eine einfache
Entkopplung der Regelkreise möglich, so daß die starken Momenten-Einbrüche der bekannten
Verfahren wegfallen. Weiterv hin wird #orteilhafterweise durch die hohe erzielbare
Dämpfung eine Momentenvorsteuerung ermöglicht, die die Dynamik der Momentenregelung
erheblich verbessert.
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Es werden also in vorteilhafter Weisedie bei den herkömmlichen Verfahren
unerwünschten Verkopplungen der Kreise unterbunden und eine sehr gute Dynamik der
Regelkreise erzielt. So wird beispielsweise von dem Getriebeprüfstand gemäß dem
Ausführungsbeispiel eine sehr ruhige Ausgangsgröße ohne schwingende Momente und
schwingende Drehzahlen geliefert, so daß einwandfreie Testergebnisse zur Verfügung
stehen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Das Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel wird Beispiel haft für
die am häufigsten auf Mehrmaschinen-Prüfständen verwendeten Gleichstrommaschinen
gemacht, bei denen jedem Drehzahl- und Momentenregelkreis ein Ankerstromregelkreis
für die antriebsmomentproportinale Größe unterlagert ist.
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Die Figuren 2,3 und 4 zeigen dabei das erfindungsgemäße Verfahren
auf.
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Es zeigen: Fig.1 den prinzipiellen Aufbau eines Hinterachsgetriebeprüfstandes
mit den zugehörigen Regelkreisen in herkömmlichem Aufbau, Fig.2 die Entkopplungsmaßnahmen
am Beispiel eines Hinterachsgetriebeprüfstandes, Fig. die elektrischen Dämpfungsmaßnahmen
am Beispiel eines Hinterachsgetriebeprüfstandes, Fig.4 die Vorsteuerung am Beispiel
eines Hinterachsgetriebeprüfstandes.
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Figur 1 zeigt beispielhaft die Regelung eines bekannten Hinterachsgetriebeprüfstandes
mit G1eieistromnebenschlußmaschinen. Dieser Prüfstand nimmt den Prüfling 1 auf.
Der Prüfling wird bei entsprechender Betriebsart über die Antriebswelle von der
Vordermaschine 2 mit vorgebbarer Drehzahl angetrieben. An den Antriebswellen des
Prüflings 1 sind die sogenannten Hintermaschinen 6a und 6b angeschlossen.
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Sie üben ein vorgebbares Moment auf die Antriebswellen aus.
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Die rilas chinen sind gewöhnlich mit Ankerstromregelkreisen ausgerüstet,
die die Stellglieder 3,7a,7b und die Stromregler 4,8a,8b enthalten. Den Stromregelkreisen
sind beispielsweise eine Drehzahlregelung mit dem Drehzahlregler 5 für die Vordermaschine
2 und Momentregelungen mit den Momentreglern 9a und 9b für die Hintermaschinen 6a
und 6b überlagert. Es können jedoch auch die Hintermaschinen drehzahl- und die Vordermaschinen
momentgeregelt werden. Zwischen Stromregler 8a und Momentregler 9a, sowie Stromregler
4 und Drehzahlregler 5 bzw. zwischen Stromregler 8b und Momentregler 9b sind nicht
näher bezeichnete Summenpunkte angeordnet, auf die die rückgekoppelten Ankerstrom-Istwerte
der ersten Hintermaschine iH1 ist' der Vordermaschine iv ist und der zweiten Hintermaschine
iH2 ist gegeben werden. Auf die ebenfalls nicht näher bezeichneten Eingangssummenpunkte
werden die Momente 1 soll und 1 ist' bzw. die Drehzahlgrößen n soll und n ist bzw.
die Momente MH2 soll und N 2 ist g den Prüfling 1 treten zwischen den einzelnen
Regelkreisen Kopplungen auf, über die die Regelgrößen der übrigen Regelkreise beeinflußt
werden. Die Kopplungen in der Regelstrecke können mit entsprechenden Entkopplungsgliedern
aufgehoben werden.
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Für eine vollständige Entkopplung dieser gemäß Fig. 1 beispielsweisen
3-Größenregelung sind dynamische Entkopplungsglieder notwendig, deren Parameter
von den Streckenparametern abhängen. Aufgrund wechselnder Prüflinge und bei Vorhanden
-sein von Schaltgetrieben, die mit dem Prüfling gekoppelt sind, schwanken die Parameter
stark. Eine betriebsmäßige Anpassung von Verstärkungen und Zeitkonstanten wäre notwendig.
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Die Yerkopplung der Regelkreise ist unterschiedlich stark.
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Xnderungen der Drehzahl, wie t.B. Sprünge von 1 ffi der Nenndrehzahl
bewirken sehr starke Momenteinbritche, wie z.B, 8 % des Nennmomentes. Die Beeinflussung
des Drehzahlregelkreises
durch Momentanderungen und der Momentregelkr-ise
untereinander ist schwach.
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Eine Vereinfachung der Entkopplung ist möglich, indem nur die starke
Beeinflussung der Drehzahlregelung auf die Momentregelung aufgehoben wird. Eine
weitere Vereinfachung ist möglich, indem anstatt dynamischer nur statische Entkopplungsglieder
eingesetzt werden. Hierbei muß allein die Verstärkung des Entkopplungsnetzwerkes
dem Prüfling und dem Schaltgetriebe angepaßt werden.
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Fig. 2 zeigt diese Entkopplungsmaßnahmen gemäß dem erfinderischen
Verfahren. Die Bauelemente entsprechen denen der Fig.1 Es wird vorausgesetzt, daß
der Prüfstand auf der Hintermaschinenseite mechanisch und elektrisch symmetrisch
aufgebaut ist. Das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 5 wird auf das Entkopplungsnetzwerk
10, das beispielsweise aus beschalteten Operationsverstärkern besteht, gegeben.
Das Entkopplungsnetzwerk enthält den Verstärkungsfaktor TmH K = T77HG Hierin bedeuten
TmH die mechanische Zeitkonstante der Hintermaschine 6a bzw. 6b, Tmv die mechanische
Zeitkonstante der Vordermaschine 2 und TmG die mechanische Zeitkonstante des Prüflings
1. Das Ausgangssignal des Entkopplungsnetzwerkes 10 wird bei dem nicht dargestellten
Betrieb im Grunddrehzahlbereich direkt auf die Sollwerteingänge der Stromregler
8a,8b gegeber Nach Fig. 2 wird bei Betrieb der jeweiligen Vorder- und/oder Hintermaschinen
im Feldschwächbereich zur Verminderung des Einflusses der in der Maschine auftretenden
Nichtlinearität M > i pl (M=Motormoment, i-Ankerstrom, = Erregerfluß) auf die
Entkopplungssignale das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 5
mit
einer dem Erregerfluß eV der Vordermaschine proportionasen Größe im Block 11c multipliziert.
Block 11c ist beispielsweisgéin elektronischer Multiplizierer. Desgleichen wirdwegen
der Nichtlinearität das Ausgangssignal des Entkopplungsnetzwerkes 10 auf die Dividierer
11a und 11b gegeben und hier durch Größen dividiert, die dem Erregerfluß eH1 und
p( H2 proportional sind. Die Dividierer bestehen eH2 beispielsweise aus elektronischen
Multiplizierern, die als Dividierer geschaltet sind. Die Ausgangssignale der Dividierer
iEH1 und iEH2 werden als Entkopplungssignale, die für den Feldschwächbetrieb korrigiert
sind, über nicht näher bezeichnete Summenpunkte auf die Sollwerteingänge der Stromregler
gegeben. Statt der meßtechnisch schwer erfaßbaren Erregerflüsse e können auch den
Erregerströmen proportionale Größen, die für die Feldschwächregelung erfaßt werden,
als Divisoren in 11a,11b und Multiplikator in 11c verwendet werden. Es gilt die
entsprechende Zuordnung wie bei den erregerflußproportionalen Größen.
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Die beschriebenen Entkopplungsmaßnahmen giten entsprechend für die
Betriebsart: Vordermaschine momentgeregelt, Hintermaschine drehzahlgeregelt und
für Zweimaschinenprüfstände.
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Die nichtentkcppelte Regelung derartiger Prüfstände weist eine relativ
schlechte Dämpfung auf, die durch die statische Entkopplung nur vom Drehzahl- zum
Momentregelkreis weiter verschlechtert wird. Eine erhebliche Verbesserung läßt sich
durch Einführung einer Zusatzdämpfung gemäß Fig. 3 erreichen.
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Bei Mehrmaschinenprüfständen werden aus den Drehzahlen der Maschinen
durch geeignete Differenzbildung die Wechselanteile gewonnen, die mit geeigneter
Phasenlage aut die Stromregelkreise geschaltet werden. Wegen der Proportionalität
zwischen Strom und Moment wird aus diesen Signalen über die Stromregelkreise ein
zusätzliches, drehzahlproportionales Dämpfungsmoment. erzeugt.
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Bei der Aufschaltung können sich verschiedene Varianten als vorteilhaft
erweisen. Fig. 3 zeigt eine Variante am beispielhaften Hinterachsgetriebeprüfstand.
Die Bezeichnungen der Baugruppen sind identisch mit den Fig. 1 und 2.
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Es werden die Drehzahldifferenzen zwischen Hintermaschine 6a und Vordermaschine
2 bzw. Hintermaschine 6b und Vordermaschine 2 in den'Summenpunkten A und B gebildet.
Dabei sind die Drehzahlsignale der Vordermaschine 2 mit den Ubersetzungsverhältnissen
von Schaltgetrieben und Prüfling über den Block i 1 anzupassen. Die an den Summenpunkten
A und B erscheineiRden Differenzsignale werden über Verstärkungsbausteineaexperimentell
zu ermittelnder Verstärkung VH im hier nicht dargestellten Grunddrehzahlbereich
direkt auf die Stromregler 8a und 8b gemäß Fig. 5 gegenphasig zu den Reglerausgangssignalen
der Momentregler 9a und 9b aufgeschaltet.
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Weiterhin wird die Differenz zwischen den Drehzahlsignalen der beiden
Hintermaschinen 6a und 6b im Summenpunkt C gebildet und über den Verstärkungsbaustein
mit der experimentell zu ermittelnden Verstärkung Vy im hier nicht dargestellten
Grunddrehzahlbereich direkt auf den Stromregler 4 der Vordermaschine 2 gemäß Fig.
3 gegenphasig zum Reglerausgangssignal des Drehzahlreglers 5 aufgeschaltet. Durch
diese Maßnahmen werden die Schwingungen der Hintermaschine gegeneinander und die
Schwingungen der Hintermaschinen gegen die Vordermaschine gedämpft. Bei Feldschwächbetrieb
werden auch hier die Ausgangssignale der Verstärkerbausteine durch erregerflußproportionale
Signale dividiert. Diese Ausgangssignale iDVgiDHl und iDH2 der Dividierer 12, 13a
und 13b werden auf die Sollwerteingänge der Stromregler 4, 8a,8b geschaltet. Auch
hier können statt der erregerflußproportionalen erregerstromproportionale Größen
der Maschinen verwendet werden, die den jeweiligen Stromregelkreisen zuzuordnen
sind.
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Die beschriebenen Dämpfungsmaßnahmen gelten entsprechend für die Betriebsart:
Vordermaschine momentgeregelt, Hintermaschine drehzahlgeregelt und für Zweimaschinenprüfstände.
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Eine weitere Verbesserung der Regeldynamik der Drehzahl-Drehmomen>Regelkreise
wird durch Vorsteuerung der unterlagerten Stromregelkreise mit den Momentsollwerten
erzielt.
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Fi.g 4 zeigt die Vorsteuerungsmaßnahmen gemäß dem erfinderischen Verfahren.
Da die unterlagerten Regelkreise die antriebsmomentproportionale Größe regeln, bei
der Gleichstromnebenschlußmaschine also den Ankerstrom, werden die Momentsollwerte
soll und soll bei dem nicht dargestellten Betrieb im Grunddrehzahlbereich zusätzlich
direkt auf die Sollwerteingänge der unterlagerten Stromregler 8a, 8b gegeben.
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Hierbei werden die neuen Sollmomente mit der relativ hohen Dynamik
der Stromregelkreise eingestellt. Die relativ langsamen überlagerten Momentregelkreise
haben dann nur noch kleine Abweichungen auszuregeln. Wegen des Momentengleichgewichts
muß der Vordermaschinen-Drehzahlregelkreis - gebildet aus Drehzahlregler 5 und den
Bauteilen 2,3,4 - auch das Lastmoment MHi ist und MH2 ist, das die beiden Hintermaschinen
6a und 6b bilden, aufbringen. Deshalb kann die Summe der Momentensollwerte MHl soll
und I92 soll s die am Summenpunkt D gebildet wird, ebenfalls auf den Sollwerteingang
des Stromreglers 4 gegeben werden. Übersetzungsverhältnisse von Schaltgetrieben
sind hierbei zu berücksichtigen und werden gemäß der Zeichnung im Bauteil i-1 angepaßt.
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Im Feldschwächbetrieb sind auch hier die Vorsteuersignale durch die
den jeweiligen Erregerflüssen bzw. -strömen proportionalen Größen zu dividieren.
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Die Ausgangsgröße der Dividierer 14, 15a, 15b wird dann auf den Sollwerteingang
des jeweiligen Stromregelkreises gegeben.
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Als Divisoren sind auch hier die erregerfeldproportionalen Größen
der Maschinen zu verwenden, die den jeweiligen Stromregelkreisen zuzuordnen sind.
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Die Vorsteuerungsmaßnahmen gelten entsprechend für die Betriebsart:
Vordermaschine momentgeregelt, Hintermaschine drehzahlgeregelt und für Zweimaschinenprüfstände.
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Die Momentenvorsteuerung ist nur bei gut gedämpften Regelkreisen möglich,
weil sonst die Vorsteuerung über die schnellen Stromregelkreise unzulässige Schwingungen
anregt.
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Im Normalfall ist also die Zusatzdämpfung Voraussetzung für die Anwendung
der Vorsteuerung.