DE2626030C3

DE2626030C3 - Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung

Info

Publication number: DE2626030C3
Application number: DE2626030A
Authority: DE
Inventors: Juergen 1000 Berlin Barz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-06-08
Filing date: 1976-06-08
Publication date: 1980-01-10
Also published as: DE2626030B2; DE2626030A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung eines mit unterlagerter Stromregelung über steuerbare Stromrichter betriebe nen Gleichstrom- oder Mischstrom-Reihenschlußmotors, der für stark schwankende Netze ausgelegt ist, insbesondere eines Bahnmotors.

Bahnnetze sind bekanntlich »weiche« Netze mit hoher Kurzschlußspannung. Ihre Spannungsamplitude ändert sich stark belastungsabhängig. Sie dürfen nach den Bahn- und VDE-Bestimmungen in ihrer Spannungshöhe mit +20/-30% um die Nennspannung schwanken. Die Bahnmaschinen sind dementsprechend spannungs- und flußmäßig ausgelegt, d. h. überdimensioniert. Liegt die Spannung des Bahnnetzes niedriger als. die Nennspannung der Maschinen, dann sind die erreichbaren Leistungsfaktorwerte der Maschinen günstiger, weil man selbst bei Vollauss'.euerung des Stromrichters (kein Anschnitt) die Nennspannung nicht erreicht. Häufiger liegt die angebotene Spannung jedoch oberhalb der Nennspannung. Da der Maximal- oder Grenzstrom nur bis zur Nennspannung (100% L/Nenn) geführt werden darf, werden die Maschinen mit Konstantspannungsregelung betrieben. Zur Zugkraftkonstanz werden die Bahnmotoren stromgeregelt betrieben, wobei im allgemeinen ein Stromleitverfahren, d. h. ein Verfahren mit wenigstens zwei vermaschten Regelschleifen, einer inneren (unterlagerten) Stromregelschleife und einer äußeren (überlagerten) Spannungsregelschleife Verwendungfindet.

Ein solches Stromleitverfahren für Gleich- oder Mischstromfahrantriebe ist zum Beispiel aus der Zeitschrift »ETZ«, Ausgabe A, Bd. 88 (1967) S. 392 bis 399, vgl. auch Bild 9, bekannt Dabei wird die ϊ Führungsgröße der Motorspannung bzw. -drehzahl für die Stromrichterregelung vom Fahrzeugführer vorgegeben. Die Spannung am Ausgang des Spannungsreglers ist gleichzeitig Führungsgröße für den unterlagerten Stromregler. Letzterer sorgt dafür, daß der

M) auftretende Motorstrom nie größer werden kann als zulässig. Wird der Spannungsregler übersteuert, was durch den Fahrzeugführer, z. B. durch Vorgabe der maximalen Führungsgröße der Spannung bei noch stehendem Fahrzeug, geschehen könnte, ist zunächst

υ Jer übergeordnete Spannungsregler ohne Einfluß. Es wird gewissermaßen an der Stromgrenze gefahren, wobei der nachgeschaltete, untergeordnete Stromregler die Aussteuerung des Stromrichters bestimmt (Konstantstromregelung). Vor Erreichen der eingestellten maximalen Motorspannung kann der übergeordnete Spannungsregler nicht eingreifen. Danach erst ist der Spannungsregler wieder wirksam und regelt auf konstante Spannung.

Bei der bekannten Anordnung stellt der Fahrer zwar für die Fahrgeschwindigkeit und Antriebsleistung eine Spannung ein, maßgebend für die Fahrdynamik ist jedoch der Laststrom als Maß für die Zugkraft. Solange die Netzspannung unter einer eingestellten Motorspannung liegt, ist eine Konstantspannungsregelung

i<> noch nicht möglich und die Stromrichter sind, abgesehen von evtl. Strombegrenzung durch den Stromregler, voll geöffnet. Wird die eingestellte Motorspannung erreicht, regelt der Spannungsregler auf konstante Spannung. Liegt die Netzspannung über

r> der Nennspannung, ist eine Vollaussteuerung der Stromrichter, insbesondere bei Schwachlast und Konstantspannungsregelung nicht mehr möglich und durch Phasenanschnittsteuerung der Stromrichter wird Steuerblindleistung hervorgerufen.lüas ist unerwünscht.

-to Aufgabe der Erfindung ist es, in Fällen von über der Nennspannung liegender Netzspannung und bei Schwachlastbetrieb des Motors die durch die Anschnittsteuerung der Stromrichter üblichen Netzrückwirkungen und die Blindleistungsbelastung zu mindern

■ti sowie damit den Leistungsfaktor λ zu verbessern.

Diese Aufgabe wird für eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß an den Eingang des überlagerten Spannungsreglers neben der Spannungsregelgröße und der Spannungsführungs-

"> größe additiv gegenkoppelnd ein laststromabhängiges Zusatzsignal angelegt ist, das von einem an den Ausgang d;s Spannungsreglers angeschlossenen Funktionsgeber abgeleitet ist und die Spannungsregelgröße oberhalb eines definierten Laststromwertes konstant zu 100%

^r>^r> ergänzt und unterhalb dieses Laststromwertes stromwertproportional auf Null zurückgeht. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß der bei Bahnmaschinen nach VDE 0535 bis 120% Unc™ zugängliche Spannungsbereich ausnutzbar ist, wenn der Laststrom

wi genügend weit abgesunken ist. Die Stromrichter können demzufolge beim Anfahren langer ohne Anschnittsteuerung betrieben werden. Beim Unterschreiten einer definierten Laststromgrenze (z. B. 75% i_max) wird dazu nach der Erfindung über das den Spannungsregler

μ beeinflussende Zusatzsignal — das zurückgenommen wird — die vorher anstehende Konstantspannungsregelung aufgehoben und die angelegte Motorspannung erhöht, sofern eine derartige Netzspannung vorhanden

ist. Die absolute Höhe der Netzspannung interessiert dabei nicht. Voraussetzung allerdings ist, daß der Motor dementsprechend für die Überspannungen ausgelegt ist, wie das bei Bahnmaschinen der Fall ist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Funktionsgeber für das stromabhängige Zusatzsignal dabei passiver oder aktiver Art sein.

Als sehr zweckmäßig hat sich erwiesen, als Funktionsgeber eine passive Widerstands-Z-Diodenkombination, bestehend aus einem längsgeschalteten Widerstand und einer quergeschalteten an Masse liegenden Z-Diode, vorzusehen. Mittels der Durchbruchspannung der Z-Diode wird dabei die Ablösung von der Konstantspannungsregelung auf stromabhängige Spannungserhöhung veranlaßt.

Zweckmäßig ist ferner, wenn die Spannungsregelgröße und das Zusatzsignal an den Eingang eines als Spannungsregler arbeitenden Differenzverstärkers gelegt sind, dessen Ausgang die Stromführungsgröße führt.

An Hand eines schematischen Ausführun^sbeispiels mit mehreren Zeichnungsfiguren wird die Errindung im nachstehenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip einer Spannungsregelung nach dem Stromleitverfahren, ergänzt durch die Erfindung, in Blockbilddarstellung,

F i g. 2 einen passiven Funktionsgeber,

F i g. 3 Grenzkennlinien des Funktionsgebers,

Fi g. 4 Kurvenverläufe von Zugkraft und Leistung mit und ohne Funktionsgeber.

Im Prinzipschaltbild nach F i g. 1 ist ein als Stromleitverfahren bekanntes Regelsystem dargestellt, das nach der Erfindung in bestimmter Weise beeinflußt wird. Das Regelsystem besteht aus einem Sollwertgeber 1 zur Vorgabe einer Spannungsführungsgröße W_u für die Regelung der drehzahlbestimmenden Spannung eines Motors 2, z. B. eines Fahrmotors. Die Führungsgröße W_u wirkt auf den Spannungsregler 3, der eine Führungsgröße W, für den nachgeschalteten Stromregler 4 abgibt. Der Ausgang des unterlagerten Stromreglers 4 wirkt als Verschiebespannung auf einen Steuersatz 5, der ein Stellglied 6, z. B. einen Stromrichter bzw. Thyristoren, für den Motor 2 steuert. Die Istwerte von Strom und Spannung des Motors 2 werden an den Stellen 8 und 9 erfaßt und über Gleichspannungswandler als Regelgrößen X, und X_u den zugehörigen Regelkreisen für Strom und Spannung gegenkoppelnd wieder zugeführt. Gemäß der Erfindung ist dem Spannungsregler ein Funktionsgeber 10 zugeordnet, dessen Ausgang additiv gegenkoppelnd nach einer definierten Funktion u=f (i) den erforderlichen nichtlinearen Zusammenhang zwischen den Führungsgrößen W_th Wj und der Regelgröße X_u , liefert. F i g. 2 zeigt als Ausschnitt zu Fig. 1, wie ein solcher Funktionsgeber 10 ausgebildet sein kann. Andere, insbesondere auch aktive Ausführungen sind denkbar, wesentlich ist nur die Erfüllung einer Kennlinienfunktion, ähnlich der nach F i g. 3. Dabei soll die Spannung bis zum Knickpunkt ZD etwa konstant gehalten und nachfolgend bei kleiner werdender Last ansteigen, Weitere Einzelheiten hierzu werden im folgenden noch zur Funktion der Erfindung gegeben. F i g. 2 zeigt einen passiven Funktionsgeber aus einer Widerstands-Z-Diodenkombination, mit einem Längswiderstand 13 und einer Z-Diode 15. 14 stellt einen Schutzwiderstand für die Z-Diode dar.

Zur Funktion:

Nach Fig. 1 werden dem Eingang des als Differenzverstärker ausgebildeten Spannungsreglers 3 die vom Sollwertgeber 1 vorgegebene Spannungsführungsgröße Wu und die Regelgrößen X_u ι und X_U2 zugeführt. Dabei stellt X_u ι die Spannungsregelgröße und X₁₁₁ ein vom Funktionsgenerator 10 gesondert zugeführtes Zusatzsignal dar. Der Regler 3 gibt nur bei Regelabweichung zwischen W_u und der Summe von X_u ι und A'_{u 2} ein Ausgangssignal Wi, das als Stromführungssignal dient. W₁ ist dabei eine belastungsabhängige Größe, die sich im

in vorliegenden Fall als Folge der verbleibenden Spannungsregelabweichung Wu-Xu am Eingang des Spannungsreglers 3 einstellt und sowohl Netzspannung als auch Lastzustand mit einbezieht. Die Stromführungsgröße W, wird, auf den Funktionsgeber 10 gegeben, in

li eine Funktion u=f (i) umgesetzt und damit der Spannungsregler 3 bei steigendem Laststrom (bzw. steigender Spannungsdifferenz) gegenkoppelnd und bei fallendem Laststrom (bzw. fallender Spannungsdifferenz) mitkuppelnd beeinflußt (vgl. F i g. 1).

2(i Sicherlich ist es auch möglich, der--i'unktionsgeber 10 die Regelgröße X₁ direkt zuzuführe:, doch ist es schwierig, diese Zustandsgröße wegen ihrer Welligkeit genau genug abzubilden. Es müßten erst umfangreiche Maßnahmen zur Aufbereitung des Signals getroffen

2^r> werder·

Der Ausgang des Funktionsgebers 10 gibt lastabhängig gegenkoppelnd eine Proportionalspannung Xu 2 bis zu einer gewissen Größe ab, die die hier mit 90% bewertete Regelgröße X_u ι bis zu 100% zu ergänzen

ίο vermag. Bei einer definierten unteren Laststromgrenze von z. B. 75 bis 70% Laststrom und darunter (Führungsgröße Wi) sperrt die Z-Diode und läßt die zusätzliche Gegenkopplungsgröße X_u2 lastabhängig über den Widerstand 13 des Funktionsgebers 10

r> variieren. Von diesem Punkt ZD an ist der Funktionsgenerator in Betrieb und die Regelgröße X_u ι wird mit bis zu 90% Bewertung wirksam. Stromabhängig kann nun die anliegende Motorspannung bis auf 111% gesteigert werden, sofern die netzseitige Amplitude dies

4Ii zuläßt.

Dei einer Anfahrt ergibt sich folgender Vorgang:
Unter Bezugnahme auf Fig.3 wird bei einer zwischen 0 und 100% (=1) einstellbaren Aussteuerung (Z-Achse) bei konstantem maximalem Motorstrom auf

4i der Motorkennlinie M bis zum Punkt A der Vollaussteuerung des Motors (100% = 1) und unenn hochgefahren. Das heißt, der Zug beschleunigt auf eine definierte Geschwindigkeit. Von Punkt A an ist die Z-Diode 15 leitend. Nach der Beschleunigungsphase

■Ίΐ geht die Belastung i. B. bis auf 75% /_TO, zurück (Punkt ZD), wobei die Motornennspannung u/u_Nenn=\Q konstant gehalten wird. Ab 75% i_max , dieser Punkt ist v/illk'irl'ch und wird über die wählbare Z-Diode 15 (Fig.2) hergestellt, wird die bisher konstante Gegen-

·". kopplung des Funktionsgebers stromproportional. Im Bereich 0,75% bis 0 wird in Abhängigkeit vom sinkenden Motorstrom die zulässige Motorspannung u/usenn bis auf einen Wert oberhalb der Nennspannung, hier 111% (1,1) gesteigert, vgl. Punkt Nin Fig. 3. Dabei

mi wird die Neigung der Geraden durch den Längswider· stand bestimmt. Auch der Punkt Λ/ist variabel und kann über Vorwiderstände, die ein Bewertungsverhältnis der Soll- und Istgrößen festlegen, frei eingestellt werden.

Fig.4 zeigt die 7ugkraft und Leistungssteigerungen,

t,5 die sich durch die Erfindung gegenüber herkömmlichen Maßnahmen bei reihenschlußerregten Maschinen erzielen lassen. Leistungs- (P) und Zugkraftverlauf (F) sind über der Drehzahl (n) aufgetragen. Gegenüber norma-

len reihenschlußcrregten Maschinen ohne Funktionsgeber und ohne Feldschwächung (Kurven mit Index I) kann durch Feldschwächung (Kurven mit Index 2) bereits ohne Funktionsgeber bekanntermaßen eine deutliche Verbesserung der Kurvenläufe erzielt werden. > Die Zugkraft F2 fällt jedoch ab bestimmte Geschwindigkeit immer noch stark ab und es kann allenfalls die Leistung konstantgehalten werden. Durch den Funktionsgeber in Verbindung mit Feldschwächung (Kurven mit Index 3) k-.inn demgegenüber eine Wirkleistungssteigerung über den kritischen Punkt X hinaus und eine Zugkraftkonstanthaltung über den Punkt V hinaus erzielt werden. Die schraffierten Bereiche zeigen die maximalen Steigerungen für die Zugkraft /·',„.,, und die Wirkleistung /'„,.,,. r.

Durch die Erfindung ergibt sich insgesamt eir besserer Leistungsfaktor A. Der bessere Leistungsfaktoi im Teillastbereich wird durch volle Öffnung de; Stromrichters im Gegensatz zu auftretendem Anschnit bei Konstantspannungsregelung im Teillastbereicr erreicht. Ferner ergibt sich, wie F i g. 4 ausweist, auch ein höheres Leistungsangebot der Lokomotive inBereich der Dauerzugkräfte und bei hohen Ge schwindigkeiten. Bei zweckmäßiger Auslegung vor Speisetransformator und Mischstromfahrmotor ist ei möglich, bei erhöhter Leistung eine Zugkraftgeschwin digkeitskennlinic konstanter Zugkraft /Ί zu erreichen In bezug auf den Funktionsgeber ist noch zu bemerken daß oiich andere lineare und nichtlincarc Funktionen al« die in F i g. J dargestellten denkbar und ausführbar sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung eines mit überlagerter Stromregelung über steuerbare Stromrichter betriebenen Gleichstrom- oder Mischstrom-Reihenschlußmotors, der für stark schwankende Netze ausgelegt ist, insbesondere eines Bahnmotors, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingang des überlagerten Spannungsreglers (3) neben der Spannungsregelgröße (Xu i) und der Spannungsführungsgröße (W_u) additiv gegenkoppelnd ein laststromabhängiges Zusatzsignal (X_U2) angelegt ist, das von einem an den Ausgang (Wj) des Spannungsreglers (3) angeschlossenen Funktionsgeber (10) abgeleitet ist und die Spannungsregelgröße (X_u \) oberhalb eines definierten Laststromwertes konstant zu 100% ergänzt und unterhalb dieses Laststromwertes stromwertproportional auf Null zurückgeht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgeber (10) passiver oder aktiver Art ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Funktionsgeber (10) eine passive Widerstands-Z-Diode,nkombination, bestehend aus einem längsgeschalteten Widerstand (13) und einer quergeschalteten an Masse liegenden Z-Diode (15), vorgesehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis Λ dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregelgröße (X_u ι) iⁱnd das Zusatzsignal (Xu 2) an den Eingang eines als Spannungsregler (3) arbeitenden Differenzverstärker? gelegt sind, dessen Ausgang die Stromführungsgröbe (Wi)führt.