DE2554786B2 - Schaltungsanordnung zum Steuern oder Regeln der Drehzahl eines elektrischen Motors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Steuern oder Regeln der Drehzahl eines elektrischen Motors mit unterlagerter Stromregelung in kreisstromfreier Schaltung, mit gesteuerten Gleichrichtern, einer logischen Schaltung zum Verhindern des Zusammenzündens der gesteuerten Gleichrichter, wobei zur Regelung die Welligkeit des geregelten Stroms benutzt wird.

Bei mit gesteuerten Gleichrichtern bestückten, im Ankerkreis reversierenden Antrieb, hat man zwei gesteuerte Gleichrichtereinheiten, die an das Drehstromnetz angeschlossen sind und deren gemeinsamer Ausgang den Gleichstrommotor speist. Von den zwei gesteuerten Stromrichtungseinheiten ist immer nur eine im Betrieb, während zu diesem Zeitpunkt die andere keine Zündsteuerung bekommt; wurden nämlich die beiden Einheiten zur gleichen Zeit gezündet (zusammengezündet), dann entstände ein vollkommener Phasenkurzschluß. Die Kommutierung zwischen den beiden Stromrichtereinheiten, das heißt also die Richtungsänderung des im Anker fließenden Stroms kann nur dann zustande kommen, wenn der Strom im vorangehend stromführenden Stromrichter auf Null absinkt. Zum zuverlässigen Erfassen der Sperrung des Stroms werden Nullstrom-Fühler angewendet. An diese werden Anforderungen gestellt, die schwer erfüllbar sind; der Fühler muß nämlich den Maximalstrom führen können, der in der überwachten Stromzuführung (als Gleich-, oder als Wechselstrom) fließt, und muß dabei den Strom zuverlässig erfassen können und signalisieren, wenn dieser Strom unter den sogenannten Haltestrom der gesteuerten Stromrichter sinkt. Dies ist nämlich die Bedingung für das zuverlässige Löschen des gesteuerten Gleichrichters, ist also der Nullstrom.

Um das Zusammenzünden zu vermeiden, muß der Nullwert des geregelten Stroms mit einer Genauigkeit erfaßt werden, daß eine Signalgabe zuverlässig nur dann erfolgt, wenn der Strom schon unter den Wert des Haltestroms des gesteuerten Gleichrichters gesunken ist. Bei bekannten Lösungen mißt man dazu den gesteuerten Gleichstrom und der Erfassungsbereich ist drei bis fünf Größenordnungen kleiner, als die Höhe des gesteuerten Gleichstroms. Darum kann die notwendige Genauigkeit der Erfassung nur mit kostenspieligen und komplizierten Schaltungen auf elektronischer Basis gewährleistet werden. Die Höhe des Haltestroms liegt bei Thyristoren um die Größenordnung von 100 mA, hingegen kann der Maximalwert des Laststroms im Motor — abhängig von der Leistung des elektrischen Antriebs — bis zu 10 000 A ansteigen. Die Erfassung muß also mit einer Dynamik erfolgen, bei der das Verhältnis von Mindestwert zu Höchstwert mindestens 1 :100 000 beträgt (es gibt einfache Schaltungen, bei denen 1 :1000 ausreichend ist).

Die Zuverlässigkeit der Erfassung wird bei bekannten Lösungen dadurch erzielt, daß die Signalisierung nur dann zugelassen wird, wenn der Nullstrom schon eine geraume Zeit — 100—200 msec. — besteht. Dies ist aber für den Richtungswechsel nachteilig, die Zeitdauer des Regelübergangs wird dadurch erhöht.

Fühler, die die obengenannten Anforderungen in mehr oder weniger befriedigender Weise erfüllen, können verschiedenartig ausgeführt werden:

— man kann Hall-Generatoren anwenden (eine verhältnismäßig teure Lösung, ein besonderer Stabilisator wird benötigt);

— wird ein Gleichstromwandler mit Hochfrequenz-Unterbrecher eingesetzt, kann selbst die Umfassung eines 1 :1000-Bereichs nur schwerlich gewährleistet werden;

— bei Anwendung eines Gleichstromwandler mit Hochfrequenz-Unterbrecher mit Sättigungscharakteristik kann ein dem Strom genau proportionales Ausgangssignal nur im Bereich der kleinen Ströme gewonnen werden.

In diesen drei Fällen kann also die notwendige Genauigkeit nur umständlich, mittels komplizierter technischer Lösungen gewährleistet werden.

Aus der DE-AS 19 12 455 ist eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei der versucht wurde, die prinzipiell notwendige Totzeit bei der Umschaltung der Stromrichtung zu verkürzen, die aus zwei Abschnitten besteht, nämlich dem Zeitabschnitt bis zur sicheren Erfassung des Null-Stromes und dem Zeitabschnitt von der Deblockierung bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Stromrichter wieder anfängt, Strom zu führen. Die DE-AS 1912 455 richtet sich dabei auf die Verkürzung des Zeitabschnittes von der Deblockierung bis zum Einsetzen des Stromrichters in der neuen Stromrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß die Kommutierungszeit weiter verkürzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die vom

kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erfaßten Maßnahmen gelöst

Dabei wird im Gegensatz zur DE-AS 19 12 455, bei der der stromlose Zustand durch Messung des Stromes erfaßt wird, beim Ag der Oberwellenanteil zum Erfassen des stromlosen Zustandes benutzt, wogegen die Welligkeit bei der DE-AS 19 12 455 zur Vorwahl des Zündungsverzögerungswinkels der neuen Stromrichtung dient Die Erfindung beruht nämlich auf der Überlegung, daß, wenn sowohl die erste als auch die tu zweite Ableitung des Verlaufs des geregelten, welligen Gleichstroms gleich Null ist, mit ausreichender Bestimmtheit festgestellt werden kann, daß auch der Wert des geregelten Stroms dauernd gleich Null ist

Aus der bekanntgemachten DE-Patentanmeldung P 23 924 VIII b/21 c ist es bereits bekannt, die erste Ableitung eines Stromes bei einem geregelten elektrischen Antrieb für Regelzwecke zu benutzen. Dies hat dort jedoch den Zweck, Reglerschwingungen zu vermeiden.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann die Kommutierung der Stromrichtung binnen 4 ms mit einer ähnlichen Zuverlässigkeit erfolgen, welche bei den bekannten Lösungen nur bei einer Kommutierzeitdauer von 100—200 ms erreicht werden konnte; die Schaltungsanordnung wird insbesondere bei großen geregelten Strömen zuverlässiger und einfacher als die bekannten Lösungen, wobei die Genauigkeit der Erfassung von der Größe des geregelten Stroms unabhängig ist

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung gezeigten Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines geregelten Umkehr-Antriebs mit einen Gleichstrommotor;

F i g. 2 das Blockschaltbild eines geregelten Umkehr-Antriebs mit einen Wechselstrommotor; und 4P

F i g. 3 die Signalformen, und zwar in F i g. 3.11, 3.12, 3.13 verschiedene Signalformen des geregelten Stroms, F i g. 3.21,3.22,3.23 die entsprechenden Differentialquotienten dieser drei Signalformen, F i g. 3.31,332,3.33 die Formveränderung der in Fig.3.21, 3.22, 3.23 gezeigten Signale nach erfolgter Gleichrichtung, Fig.3.41, 3.42, 3.43 die Formveränderung der in Fig.3.31, 332, 333 gezeigten Signale nach erfolgter Integration.

F i g. 1 stellt einen geregelten Umkehr-Antrieb mit einem Gleichstrom-Motor 1 dar. Die Speisung des Motors 1 erfolgt von einem Drehstromnetz, und zwar in einer Drehrichtung über einen Stromrichter 2 und in der anderen Drehrichtung über einen Stromrichter 3, wobei diese beiden Stromrichter 2 und 3 entgegengesetzt gepolt sind. Zu diesen Stromrichtern 2 und 3 gehört je eine Zündeinheit 4 bzw. 5, an deren Eingängen 32 — über Summierorgane 6 und 7, und differenzbildende Organe 8 und 9 — eines Drehzahlreglers 10 angeschlossen ist. In den Ankerkreis des Motors 1 ist ein Nebenschluß bzw. Meßwiderstand 5 eingefügt dessen Ausgangsleitungen an die differenzbildenden Organe 8 bzw. 9 angeschlossen sind.

In den Ankerkreis des Motors 1 ist ein Stromdifferentialgeber, zweckmäßig ein induktiver Geber, geschaltet, und die vom geregelten Strom durchflossene Leitung ist durch das Fenster eines Eisenkerns 11 durchgeführt Unter Stromdifferentialgeber wird ein Geber verstanden, an dessen Ausgang ein Signal — z. B. eine Spannung — erscheint, welches, dem Differentialquotienten des gemessener. Stroms proportional ist Am Eisenkern ist eine Spule 12 angeordnet an deren Klemmen ein aus Dioden bestehender Gleichrichter 13 angeschlossen ist. An den Ausgang des Gleichrichters 13 ist über einen Widerstand R eine Zener-Diode Z angeschlossen; die genannten Teile bilden zusammen eine Amplitudenbegrenzerstufe. Parallel zur Zener-Diode Z sind ein Kondensator C uüd eine logische Schaltung 14 geschaltet Widerstand R und Kondensator Cbilden zusammen einen Tiefpaßfilter (Integrierstufe). Die Ausgänge der logischen Schaltung 14 sind an die Sperreingänge 26 der Zündeinheiten 4 bzw. 5 angeschlossen; die weiteren Ausgänge der logischen Schaltung 14 sind an die Eingänge 31 der Summierstufen 6 bzw. 7 angeschlossen.

Der induktive Signalgeber und die mit diesem gekoppelte logische Schaltung 14 — deren Ausgänge an die Sperreingänge 26 der Zündeinheiten 4 und 5 angeschlossen sind, bilden die Schaltung, welche das Zusammenzünden der gesteuerten Gleichrichter (Stromrichter 2 und 3) verhindert.

Die Wirkungsweise der Einrichtung wird im folgenden beschrieben:

Der Drehzahlregler 10 besorgt die Einstellung der Zündwinkel der gesteuerten Gleichrichter und der Drehrichtung. Der Drehzahlregler 10 liefert ein Sollwertsignal an dasjenige differenzbildende Organ 8 bzw. 9, welches zu dem der gewählten Drehrichtung entsprechenden Stromrichter 2 bzw. 3 gehört Der Spannungsabfall am Nebenschluß 5 — also die dem geregelten Strom proportionale Spannung — wird an den inversen Eingang des differenzbildenden Organs 8 gegeben und das Ausgangssignal des differenzbildenden Organs 8 steuert die Zündeinheit 4.

Die das Zusammenzünden der gesteuerten Gleichrichter 2,3 verhindernde Schaltung greift ein, wenn ein Stromrichtungswechsel, eine Kommutierung erfolgt. Einerseits läßt das an die Zündeinheiten 4 bzw. 5 gekoppelte Signal das Zünden der Stromrichter 2 bzw. 3 nur dann zu, wenn der Strom in der Speiseleitung des Motors 1 schon mindestens seit 4—5 ms auf Null gesunken ist (das heißt unter den Haltestromwert der gesteuerten Gleichrichter), andererseits stellt das Korrektursignal, welches an die Summierstufen 6 bzw. 7 gekoppelt wird, die Zündeinheit 4 bzw. 5 auf einen Zündwinkel ein (fürs erste Zünden nach dem Richtungswechsel), welcher keine stoßartigen Beanspruchungen zuläßt

Die das Zusammenzünden der gesteuerten GIf ichrichter verhindernde Schaltung bildet die erwähnten Ausgangssignale in ihrer logischen Schaltung 14, wo sie von dem Signal des den Nullwert des geregelten Stroms erfassenden induktiven Gebers abgeleitet werden.

Die Wirkungsweise des induktiven Gebers wird anhand der Fig.3 erläutert, in der Signalformen abgebildet sind, die zu drei verschiedenen Größen des geregelten Stroms gehören. Der geregelte Strom ist in den F i g. 3.11,3.12 und 3.13 dargestellt Es ist ersichtlich, daß der geregelte Strom immer Oberwellen bedeutender Größe enthält Diese Erscheinung wird mittels des induktiven Gebers nutzbar gemacht. An der Spule 12 des induktiven Gebers erscheint — abhängig von der Größe des geregelten Stroms — die Signalform gemäß Fig. 3.21, 3.22 bzw. 3.23, welche dem Gesetz der Induktion entsprechend der ersten Ableitung der Welligkeit des gesteuerten Gleichstroms proportional ist.

Die Signalformen gemäß Fig. 3.31, 3.32 und 3.33 stellen die Signale dar, welche nach Gleichrichtung der in den F i g. 3.21,3.22,3.23 gezeigten Signale entstanden sind. Dieses gleichgerichtete Signal ist nicht nur dann Null, wenn der geregelte Gleichstrom Null ist, sondern auch immer dann, wenn der geregelte Strom konstant ist. Um nun die konstanten, aber von Null verschiedenen Größen des geregelten Stromes von den Nullwerten desselben abzutrennen, wird die Erscheinung nutzbar gemacht, daß die Welligkeit des geregelten Stroms (und dementsprechend die zweite Ableitung dieser Welligkeit) nur dann Null betragen kann, wenn auch die Größe des Stroms Null ist.

In dem Zeitintervall, in dem die Größe des geregelten Stroms Null beträgt, wird auch die am Ausgang des Gleichrichters erscheinende Spannung dauernd Null betragen. Im weiteren wird die am Ausgang des Gleichrichters erscheinende Spannung von der Zener-Diode Z begrenzt und diese begrenzte Spannung wird im Kondensator C gespeichert. Diese integrierte Spannung — deren Signalform in den Fig.3.41, 3.42, 3.43 gezeigt ist — gelangt an den Eingang der logischen Schaltung 14. Die logische Schaltung 14 spricht auf den Nullwert der integrierten Spannung an und wenn dieser Nullwert mindestens 4—5 ms lang beständig bleibt, dann wird ein Ausgangssignal gebildet.

F i g. 2 zeigt das Blockschaltbild eines geregelten Umkehr-Antriebs für einen Drehstrommotor 20. An die Phasenwicklungen des Motors 20 sind Leitungen 20.1, 20.2,203 angeschlossen, und über diese, und über an die Phasenleitungen R, S, Tdes Speisenetzes angeschlossene, gesteuerte Stromrichter 21,22,23,24 und 25 sind die Phasenwicklungen miteinander gekoppelt. Die Stromrichter werden durch eine Umkehr- und Drehzahlreglereinheit in bekannter Weise gesteuert. Der Motor wird in der einen Drehrichtung mittels Steuerung der Stromrichter 21,23,25 und in der anderen Drehrichtung mittels Steuerung der Stromrichter 22,24,25 betrieben; der Stromrichter 21 schaltet die Phasenleitung R an die mit der Leitung 20.1 des Motors verbundene Phasenwicklung, der Stromrichter 22 die Phasenleitung San die mit der Leitung 20.1 des Motors verbundene Phasenwicklung, der Stromrichter 23 die Phasenleitung San die mit der Leitung 20.2 des Motors verbundene Phasenwicklung, der Stromrichter 24 die Phasenleitung R an

ίο die mit der Leitung 20.2 des Motors verbundene Phasenwicklung und der Stromrichter 23 die Phasenleitung T an die mit der Leitung 203 des Motors verbundene Phasenwicklung. Die Leitungen 20.1 und 20.2 der Phasenwicklungen sind durch die Fenster der Eisenkerne je eines induktiven Gebers 27 bzw. 28 geführt. Die Ausgänge der logischen Einheiten 29 bzw. 30 der induktiven Geber 27 und 28 sind an die Sperreingänge 26 der Zündeinheiten der Stromrichter 21 und 22 bzw. 23 und 24 angeschlossen; diese Stromrichter sind an die Leitung angeschlossen, welche mittels der durchgeführten Leitung an den induktiven Geber gekoppelt ist. Die Wirkungsweise der das Zusammenzünden verhindernden Schaltung ist derjenigen ähnlich, welche im Zusammenhang mit dem geregelten Umkehr-Antrieb für Gleichstrommotoren beschrieben wurde.

Der Differential-Fühler kann z. B. mit Hall-Generatoren oder mit einem kapazitiven Geber bestückt sein.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebs besteht darin, daß die Kommutierung innerhalb etwa 4 ms erfolgen kann, was bedeutend kürzer ist, als die bei den bekannten Lösungen notwendigen 100—200 ms. Die Einrichtung ist insbesondere bei großen geregelten Strömen zuverlässiger und einfacher als die bekannten Lösungen, die Genauigkeit der Erfassung ist von dem Wert des geregelten Stroms unabhängig.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Steuern oder Regeln der Drehzahl eines elektrischen Motors mit unterlagerter Stromregelung in kreisstromfreier Schaltung, mit gesteuerten Gleichrichtern, einer logischen Schaltung zum Verhindern des Zusammenzündens der gesteuerten Gleichrichter, wobei zur Regelung die Welligkeit des geregelten Stroms benutzt wird, gekennzeichnet durch einen an die Einrichtung zur Erfassung des geregelten Stroms angeschlossenen Stromdifferential-Geber (11,12), dessen Ausgang mit einem Signalumformer (13) verbunden ist, der seinerseits der logischen Schaltung (14) vorgeschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromdifferentia'-Geber aus einem mit einem Luftspalt versehenen Eisenkern (11), einer durch das Fenster des Eisenkerns hindurchgefuhrten, vom geregelten Strom durchflossenen Leitung (20.1, 20.2) und einer am Eisenkern angeordneten Spule (12) besteht, deren Enden den Ausgang des Stromdifferential-Gebers bilden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterausgänge bzw. Sperrausgänge der logischen Schaltung (14) an den Sperreingang (26) der Zündeinheiten der gesteuerten Gleichrichter und/oder an den Summiereingang (31) der Stromregler angeschlossen sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalumformer aus einem Gleichrichter (13) mit Begrenzungscharakteristik und einer mit dem Gleichrichter in Reihe geschalteten Filterstufe (C, Z, R) besteht.