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Regelschaltung für einen steuerbaren Stromrichter
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelachaltung für einen steuerbaren
Stromrichter, der an eine Last mit Gegenspannung angeschlossen ist, mit einem Stromregelkreis,
dessen Stromregler dem Steuersatz des Stromrichters vorgeschaltet und dessen Vergleichsglied
mit einem Strom-Sollwert und mit dem Istwert des in der Last fließenden Stromes
beaufschlagt ist.
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Eine solche Regelschaltung läßt sich bekanntlich beispielsweise in
Verbindung mit einem gesteuerten Wechselrichter einsetzen, der eine Wechselstrommaschine
speist. Sie läßt sich aber auch in Verbindung mit einem gesteuerten Gleichrichter,
der eine Gleichstrommaschine 9speist, verwenden. Die Regelschaltung sorgt in beiden
Fällen dafür, daß der der Last zugefürte Strom auf dem vorgegebenen Strom-Sollwert
festgehalten wird.
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Bei der Regelung des Stromes in einer Last mit Gegenspannung, z.B.
in einer Drehfeldmaschine oder Gleichstrommaschine, treten bei schnellen Änderungen
des Strom-Sollwertes Schwierigkeiten auf. Diese bestehen darin, daß der Istwert
des Stromes dem Strom-Sollwert nicht sofort folgen kann. Im Augenblick der Änderung
des Strom-Sollwertes können u.U. beträchtliche Abweichungen auftreten, die zum einen
zu Instabilitäten und Regelschwingungen in überlagerten Regelkreisen zum anderen
aber auch insbesondere zu unerwinschten Verzögerungen bei der Leistungs-und/oder
Momentene@@@tellung führen können.
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Bei der Regelung des Stromes in einer Last mit Gegenspannung, die
von einem Wechselstrom durchflossen ist, treten darüber hinaus weitere Schwierigkeiten
auf; die praktische Erfahrung bei der Regelung des Leiterstromes in einer Synchronmaschine,
die von einem Stromrichter mit steuerbarer Ausgangsspannung (z.B. Direkt- oder Pulsumrichter)
gespeist ist, hat beispielsweise ergeben, daß sich bei höherer Ausgangsfrequenz
besondere Probleme einstellen. Diese Probleme bestehen u.U. darin, daß -beginnend
bei einer Ausgangsfrequenz von etwa 3 bis 6 Hz - eine Differenz hinsichtlich Amplitude
und Phasenlage zwischen dem eingestellten Strom-Sollwert und dem von dem Stromregler
eingestellten Istwert des Stromes auftritt. Diese Differenz nimmt mit größer werdender
Ausgangsfrequenz zu. Vielfach ist in Folge dieser unerwünschten Phasen- und Amplitud
enabweichung zwi chen Stromsoll- und Istwert bei höheren Frequenzen (ab 3 bis 6
Hz) eine direkte Stromregelung nicht mehr möglich. Auch hat die Praxis gezeigt,
daß bei einem Direktumrichter sich durch den an den Direktumrichter gegebenen Umschaltbefehl
bei Durchgang durch den Stromsollwert Null ein zeitlicher Stromverlauf einstellt,
der von der gewünschten Sinusform erheblich abweicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Regelschaltung
hinsichtlich ihres Fübrungsverhaltens zu verbessern. Sie soll so ausgebildet werden,
daß auch bei schnellen Änderungen des vorgegebenen Strom-Sollwertes und/oder höheren
Ausgangafrequenzen eine ausreichend genaue und stabile Stromregelung erzielt wird.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß das angeführte schlechte
Führungsverhalten einer Regelschaltung der eingangs genannten Art sowohl bei schnellen
Änderungen des Strom-Sollwertes als auch bei hohen Ausgangs frequenzen letztlich
darauf zurEckzufahren ist, daß sich unter den angegebenen Bedingungen auch die als
Störgröße wirkende Gegenspannung der Last, also bei einer Maschine ihre Gegen-EMK,
schnell ändert und die Regelschaltung die Änderung nicht schnell genug kompensieren
kann.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Gegenspannung der Last mit Hilfe eines Additionsgliedes als Vorsteuerspannung im
positivem Sinne auf die Ausgangsspannung des Stromreglers aufgeschaltet ist.
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Die erfindungsgemäße Regelschaltung läßt sich mit Vorteil in Verbindung
mit einem Stromrichter mit steuerbarer Ausgangsspannung, der eine Synchronmaschine
speist, einsetzen. Als Stromrichter kommen hierbei in erster Linie Direktumrichter
und Pulsumrichter in Betracht. Die Regelschaltung läßt sich aber auch mit Vorteil
in Verbindung mit einem steuerbaren Gleichrichter verwenden, der eine Gleichstrommaschine
speist.
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Bei der erfindungsgemäßen Regelschaltung wird im erwähnten Additionsglied
zwischen Stromregler und Stromrichter eine Spannungsvorsteuerung mittels Aufschaltung
der Gegenspannung durchgeführt. Hierdurch wird der Einfluß der als Störgröße wirkenden
Gegenspannung der Last (bei einer Maschine gleich der Gegen-EgE dieser Maschine)
vollständig kompensiert. Vorausgesetzt ist dabei ein verzögerungafreies Stellglied
(Stromrichter) mit linearisierter Steuerkennlinie. Ist dies nicht gegeben, so ist
die Kompensation nicht vollständig. Besonders bei hoher Ausgangsfrequenz, die bei
einem vom 50 Hz-Netz gespeisten Direktumrichter im vorliegend gemeinten Sinne bereits
bei 3 Hz beginnt, wird dadurch das FAhrungsverhalten der Stromregelung wesentlich
verbessert. Damit ist auch bei hohen Werten der Ausgangsfrequenz noch eine direkte
Stromregelung des oder der Leiterströme, z.B.
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einer Synchronmaschine, möglich. Es läßt sich also festhalten, daß
es bei der erfindungsgemäßen Regelschaltung möglich ist, eine für die Praxis ausreichend
genaue Regelung auch bei hohen Ausgangsfrequenzen durchzuführen.
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Dartiber hinaus wird bei schnellen Änderungen des Strom-Sollwertes
die übliche störende Abweichung zwischen Sollwert und Istwert wesentlich verringert.
Leistungs- und/oder Momenteneinstellung können daher praktisch unverzögert vorgenommen
werden.
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Bei der hier vorgeschlagenen Vorsteuerung mit der Gegenspannung sind
nur wenige und einfache Bauelemente erforderlich. Daher läßt sich gegenüber den
herkömmlichen Regelschaltungen schon mit einem geringen finanziellen Aufwand eine
beträchtliche Verbesserung des dynamischen Regelverhaltens erzielen. Als weiterer
Vorteil der Erfindung wird es angesehen, daß die erfindungsgemäße Regelschaltung
dasselbe stabile Regelverhalten besitzt wie die herkömmlichen Regelschaltungen.
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Die Gegenspannung der Last ist im allgemeinen nicht direkt meßbar.
Sie wird daher gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in einer besonderen Schaltung
nachgebildet.
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Bei einer Synchronmaschine wird die Gegen-EMK im wesentlichen vom
Erregerstrom bestimmt und ist nur in geringem Maße von den Regelkreisgrößen Ausgangsspannung
U des Stromrichters und Strom I in der Last abhängig. Die Gegen-EMK kann aber aus
diesen beiden Regelkreisgrößen U und I nachgebildet werden. Es ergibt sich unter
Berücksichtigung des Übertragungsverhaltens Vs/(1 + puls) der Regelstrecke als Gleichung
für die Gegenspannung E einer Last folgende Beziehung: E = U - I.(1 + pUs)/Vs (1)
Das Symbol p bezeichnet hierbei den komplexen Laplace-Operator und s die Streckenzeitkonstante.
Die nach Gleichung (1) nachgebildete Gegenspannung E kann auf die Ausgangsspannung
des Stromreglers direkt aufgeschaltet werden.
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Eine nach diesem Prinzip arbeitende Regelschaltung sieht gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung vor, daß zur Bildung der Gegenspannung ein weiteres
Additionsglied vorgesehen ist, dem einerseits die Ausgangsspannung des Stromrichters
positiv und andererseits die Ausgangsspannung eines Baugliedes mit PD-Verhalten,
das vom Istwert des Stromes gespeist ist, negativ zugeführt ist.
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Ausfahrungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von
zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Regelschaltung mit Aufschaltung
einer Gegenspannung, die in einer besonderen Schaltung aus der Lastspannung und
dem Laststrom nachgebildet wird, Figur 2 ein passives Bauglied in Einzeldarstellung,
das bei einer Regelschaltung nach Figur 1 eingesetzt werden kann, und Figur 3 ein
aktives Bauelement, das ebenfalls bei der Regelschaltung nach Figur 1 verwendet
werden kann.
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Figur 1 zeigt eine Regelschaltung, die in Form eines Strukturbildes
aufgezeichnet ist. Ein an eine (nicht gezeigte) Spannungsquelle angeschlossener
Stromrichter, der einschließlich seines linearisierenden Steuersatzes mit 2 bezeichnet
ist, speist mit seiner Ausgangsspannung U eine Last 4, die zumindest im Betrieb
eine Gegenspannung E aufweist. Bei dem Stromrichter 2 kann es sich insbesondere
um einen Direktumrichter oder einen Pulsumrichter und bei der Last 4 um eine Synchronmaschine
handeln; als Gegenspannung E ist dann die Gegen-EMK der Synchronmaschine wirksam.
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Im Strukturschaltbild ist die Gegen spannung E von der Ausgangsspannung
U abzuziehen, da nur die Differenzspannung (U - E) für die Größe des Laststromes
I verantwortlich ist. Deshalb ist in der Last 4 ein Subtrsktionsglied 4a eingezeichnet.
Die Last 4 ist als Teil der Regelstrecke zu betrachten und besitzt eine Streckenzeitkonstante
T und eine Verstärkung V9. Um dieses 5 Verzögerungsverhalten kenntlich zu machen,
enthält die Last 4 in Figur 1 ein Verzögerungsglied 4a. Die Last 4 hat näherungsweise
ein Ubertragungsverhalten Es/(1 + pos), wobei p der zugeordnete komplexe Laplace-Operator
ist.
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Der Stromrichter 2 besitzt ein Sbertragungsverhalten näherungsweise
gemäß 1/(1 + pa'), wobei d gleich der Ersatzzeitkonstanten des Stromrichters 2 <
« 2 ist. Dem Stromrichter 2 ist
ein Stromregelkreis mit einem Stromregler
6 zugeordnet. Das Vergleichsglied dieses Stromreglers 6 ist besonders eingezeichnet
und mit 8 bezeichnet. Dem Vergleichsglied 8 werden ein vorgegebener Strom-Sollwert
I* und der an der Last 4 abgegriffene Istwert I des Stromes zugeführt. Am Ausgang
des Stromrichters 6 wird eine Ausgangsspannung UR abgegeben. Der Stromregler 6 besitzt
PI-Übertragungsverhalten. Seine Verstärkung ist VR, soine Nachstellzeit T.
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Im vorliegenden Fall wird die Ausgangsspannung UR des Stromreglers
nicht direkt dem Eingang des Steuersatzes des Stromrichters 2 als Steuerspannung
Uc zugefahrt. Vielmehr ist zwischen dem Ausgang des Stromrichters 6 und dem Eingang
des Stromrichters 2 ein Additionsglied 10 geschaltet, das die Steuerspannung Uc
durch Addition der Ausgangsspannung UR mit einer Vorsteuerspannung Uv bildet. Das
Additionsglied 10 ist Bestandteil eines Vorsteuerungazweiges 12.
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Als Vorsteuerspannung Uv ist hier speziell die Gegen spannung E der
Last 4 vorgesehen. Da diese beispielsweise bei einer Synchronmaschine nicht direkt
meßbar ist, wird sie in einer besonderen Schaltung nachgebildet.
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Diese Schaltung umfaßt ein Additionsglied 18 und ein Bauglied 20.
Dem einen Eingang des weiteren Additionsgliedes 18 ist die Ausgangsspannung U des
Stromrichters 2 positiv vorgegeben. Zur Messung dieser Ausgangsspannung U dient
ein Meßglied 16. Dem zweiten Eingang des weiteren Additionagliedes 18 ist in negativer
Aufschaltung die Ausgangsspannung W des Baugliedes 20 zugeführt. Bei diesem Bauglied
20 handelt es sich um ein solches mit Proportional- und Differentialverhalten, also
um ein PD-Glied.
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Das Bauglied 20 ist seinerseits an ein Meßglied angeschlossen, das
den Istwert I des in der Last 4 fließenden Stromes liefert.
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Das Ubertragungsverhalten des Baugliedes 20 ist durch (1 + P1S)/VE
gegeben, wobei V5 wieder die Streckenverstärkung der Last 4 ist.
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Im Additionsglied 18 wird gemäß der oben angegebenen Gleichung
(1)
ein Signal gebildet, das ein Maß für die Gegenspannung E ist. Infolge der Aufschaltung
dieses Signals E im Additionsglied 10 können Änderungen der Gegenspannung E, die
sich als Störgröße bemerkbar macht, schnell kompensiert werden.
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In Figur 2 ist dargestellt, wie das passive Bauglied 20 mit PD-Verhalten
im einzelnen aufgebaut sein kann. Es besteht nach Figur 2 aus einer Parallelschaltung
eines Widerstandes 22 mit einem Kondensator 24.
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Figur 3 zeigt ein aktives Bauglied 20. Es enthält einen Operationsverstärker
30, dessen einer Eingang an Masse gelegt ist.
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In der Rückführung liegt ein Widerstand 32. Dem anderen Eingang des
Operationsverstärkers 30 ist eine Parallelschaltung, bestehend aus einem Widerstand
34 und einem Kondensator 36, vorgeschaltet. Dieses Vorschsltglied 34, 36 besitzt
PD-Verhalten.
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4 Patentansprüche 3 Figuren