DE2721459C2 - Schaltungsanordnung zum Regeln des Erregerstroms einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Gleichstrommaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Regelung des Erregerstroms einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Gleichstrommaschine, mit einem aus zwei Teilstromrichtern mit steuerbaren Ventilen bestehenden Umkehrstromrichter in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung, an den die Feldwicklung der Maschine angeschlossen ist, mit mindestens einem Steuersatz, der Steuerimpulse an die steuerbaren Ventile des einen oder anderen Teilstromrichters abgibt, mit einem Regler, der dem Steuersatz vorgeschaltet ist und der an seinem Vergleichsglied von einem Sollwert und einem Istwert beaufschlagt ist, und mit einer zur Steuerung der Umschaltung der Steuerimpulse an die beiden Teüstromrichter vorgesehenen Kommandostufe, die dem Regler zugeordnet und der ein vom Erregerstromistwert abhängiges Meldesignal für die Umschaltung zugeleitet ist.

Ein solche Schaltungsanordnung ist aus der Siemens-Zeitschrift 1965, Heft 9, Seiten 1079 bis 1083, insbesondere Bild 5 mit zugehöriger Beschreibung, und aus den Tcchn. Mitt. AEG-Telefunken 62 (1972), Heft 6, Seiten 254 bis 258, insbesondere Bild 3 mit zugehöriger Beschreibung, bekannt.

Bei der aus der Siemens-Zeitschrift, a.a.O., bekannten Schaltungsanordnung ist für jeden der beiden Teilstromrichter des Umkehrstromrichters ein Steuersatz vorgesehen, die an die Ausgänge eines Erregerstromreglers angeschlossen sind. Dem Vergleichsglied des Erregerstromrcglers ist eine Kommandostufe vorgeschaltet, die von einem Drehzahlregler mit einem Sollwert für den Erregerstrom beaufschlagt wird. Zur Messung des Istwerts des Erregerstroms ist in Reihe zur Erregerwicklung ein Stromwandler vorgesehen. Dieser ist ebenfalls an das Vergleichsglied des Erregerstromreglers angeschlossen. Auch die Kommandostufe wird mit dem Istwert des Erregerstroms versorgt. Dieser Istwert dient hier als Meldesignal für den Stromnullzustand und wird für die Freigabe der einen oder anderen Stromrichtung benötigt. Da die Erregerwicklung eine hohe Induktivität besitzt und Umschaltschwierigkeiten vermieden werden müssen, ist es erforderlich, die der Kommandostufe zugeführte Stromnullmeldung von kleinen Amplituden des Erregerstroms abzuleiten. Mit anderen Worten: auch im Bereich kleiner Erregerströmc soll sicher festgestellt werden, wann der Stromnullzustand eintritt. Das erfordert eine besonders genaue und empfindliche Strommessung. Weiterhin ist es erforderlich, in der Kommandostufe ein Zeitglied einzubauen, damit eine relativ lange Wartezeit zwischen

Erregerstromnullmeldung und Impulslöschung eingehalten wird. Diese Wartezeit ist notwendig, um sicherzustellen, daß kuizschlußähnliehe Kreisströme nicht auftreten.

Die aus den Techn. Mitt. AEG-Tclefunken, a.a.O., bekennte Schaltungsanordnung besitzt nur einen einzigen Steuersatz. Dieser kann über zwei Umschaltglieder wahlweise an den einen oder anderen Teilstromrichter des Umkehrstromrichters angeschlossen wei den. Dem Steuersatz ist hier direkt ein Erregerstromregler vorgeschaltet, dessen Vergleichsglied zum einen mit einem Sollwert für den Erregerstrom und zum anderen mit dessen Istwert beaufschlagt ist. Der Istwert wird mit Stromwandlern und einem nachgeschalteten Gleichrichter in der Eingangsleirung des Umkehrsiromrichters gemessen. Zur Steuerung der Umschaltung der Schaltglieder ist eine Kommandostufe, dort Umschaltautomalik genannt, vorgesehen. Dieser ist ein Meldesignal für die Umschaltung zugeleitet. Dieses Meldcsigna! ist äquivalent einer Stromnulimeldung. Es wird aus der an den Ventilen des Umkehrstromrichters gemessenen Spannung gebildet. Dazu wird eine logische Verknüpfungsschaltung verwendet. Das Meldesignal zeigt an, ob ein Ventil des Umkehrstromrichters Sperrspannung zu einem Zeitpunkt besitzt, in dem es aufgrund des vorangegangenen Steuerimpulses leitend sein sollte.

Die Erfindung beruht auf der praktischen Erfahrung, daß bei einer Schallungsanordnung der eingangs genannten Art mit kreisstromfreier Gegenparallelschaltung von steuerbaren Ventilen bei der Regelung des Erregerstroms Instabilitäten auftreten können. Diese Instabilitäten können sich vornehmlich bei kleinen Werten des Erregerstroms bemerkbar machen. Besonders nachteilig sind diese Instabilitäten dann, wenn im Betrieb der Maschine ein häufiger Wechsel der Richtung des Erregerstroms stattfinden soll. Als weiterer störender Effekt hat sich in der Praxis gelegentlich ergeben, daß — abhängig von der Temperatur — die Regelschaltung überhaupt nicht in Betrieb zu nehmen war. Beim Anfahren der Maschine ließ sich kein Erregerstrom in die Erregerwicklung bringen. Das führte dazu, daß in manchen Anwendungsfällen auf einen Umkehrstromrichter mit kreisstromfreier Gegenparallelschaltung verzichtet werden mußte.

Bei einem Umkehrstromrichter mit kreisstromfreier Gegenparallelschaltung der Ventile wurdet: bisher keine besonderen Maßnahmen vorgesehen, um diese Schwierigkeiten zu beheben. Waren die genannten Schwierigkeiten zu befürchten, wurde vielmehr zu kreisstromführenden Gegenparallelschaltungen übergegangen, wodurch sich aber höhere Kosten und andere Probleme ergaben, beispielsweise eine ungünstige Optimierung der Regelschaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art Maßnahmen anzugeben, die zu einer stabilen Regelung des Erregerstroms und insbesondere auch zu einer guten Dynamik bei einem Wechsel der Richtung des Erregerstroms führen. Es soll also — allgemeiner gesprochen — eine verbesserte Regelung des Feldes der Maschine möglich sein.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß diese Aulgabe gelöst werden kann, wenn parallel zur Erregerwicklung der Maschine ein niederohmiger Widersland geschalte! ist. Dieser niederohmige Widerstand ist jedoch kein Schutzwiderstand; er sorgt vielmehr für die Stabilisierung des Umkehrsiromrichterbetriebs bei kleinen Erregerströmen.

Bei kleinen Erregerströmen kann nämlich folgender Störfall eintreten: wird während eines Steuerimpulses in einem Ventil der Hallestrom nicht erreicht, so erüschi dieses Ventil bereits am Ende des angelegten Steuerimpulses. Das betreffende Ventil führt also nur eine kurze Zeit Strom. Dasselbe geschieht bei dem nächsten Steuerimpuls. Es kommt somit zum sogenannten Lückstrombetrieb, wobei sich jeweils eine kurze St-omführungszeii mit einer Stromfülirungspause abwechselt. Der Stromregler läuft während eines solchen Lückstrombetriebes, weil der Stromsollwert nach wie vor ansteht und der Istwert ihm nicht folgen kann, mit seiner Ausgangsspannung ( = Steuerspannung des Steuersatzes) in Richtung höherer Gleichrichteraussteuerung. Erreicht der Strom im betreffenden Ventil nun vxi einem bestimmten Zeitpunkt doch den Haltestrom, so steigt infolge der inzwischen erreichten hohen Steuerspannung der Erregerstrom schnell an. und zwar über den Stromsollwert. Das führt also zu einem Überschwingen des Erregerstroms, und der Erregerstromregler nimmt daraufhin die Steuerspannung zurück, wodurch der Haltestrom wieder unterschritten wird. Ein solcher Vorgang kann sich häufig wiederholen Auf diese Weise ergibt sich ein dauerndes Pulsen des Erregersiroms, das einen stabilen Betrieb bei kleinem Erregerstrom nicht zuläßt. Hierauf beruht die obenerwähnte instabile Regelung. Wird der Haitestrom dagegen zu keinem Zeitpunkt erreicht, so ist der Erregerstrom nicht in die Maschine zu bekommen. Ein geregelter Betrieb ist nicht möglich. Hierauf beruhen die obenerwähnten Schwierigkeiten beim Anfahren der Maschine.

Die Anordnung des besagten Widerstandes hat zwei positive Effekte: zum einen verlängert der Widerstand beim Anfahren der Maschine bei den ersten Zündimpulsen die Stromführungsdauer eines Ventils, und zum anderen fließt ein zusätzlicher Strom durch diesen Widerstand, so daß der Haltestrom im Ventil früher erreicht werden kann. Nachteilig bei der Anordnung des Widerstandes ist jedoch die Tatsache, daß er einen Freilaufweg für den Erregerstrom darstellt, wenn der Erregersirom zu Null werden soll, beispielsweise wenn er seine Polarität ändern soll. Die Geschwindigkeit dieses Stromabbaus wird hierbei von der Größe des Widerstands bestimmt. Die Regelung kommt dann außer Eingriff, da der Erregerstrom unkontrolliert über den Freilaufweg fließen kann. Die Anordnung eines solchen niederohmigen Widerstandes ist also nicht hinreichend zur Lösung der gestellten Aufgabe.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zur Erregerwicklung ein niederohmiger Widerstand geschaltet ist und daß der Kommandostufe als Meldesignal für die Umschaltung ein Signal zugeführt ist, das dem Istwert des zwischen dem Ausgang des Umkehrstromrichters und der Parallelschaltung von Erregerwicklung und Widerstand fließenden Ausgangsstroms proportional ist. Das der Kommandostufe zugeführte Meldesignal ist also nicht gleich dem Istwert des durch die Erregerwicklung fließenden Erregersiroms.

Die Kommandostufe wird hierbei — v,ie erwähnt — in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom des Umkehrstromrichters gesteuert. Dadurch ist gs. v, uhrleistei, d :ß die Kommandostufe bei einer Stromre'v.·.· '.■■· u,;g bereits dann umschaltet, wenn der Ausgang^.trcm ers'mali Kiekend wird, was früher eintriii als das Lücken des Erregerstroms. Dadurch wird eine schnellere Umschaltung erreicht, die Wartezeit des Zeitgliedes in der

Kommandostufe kann erheblich reduziert werden, und die angeführte nachteilige Wirkung des Widerslandes parallel zur Erregerwicklung als Freilaufkreis wird aufgehoben.

Um die Qualität cV; Regelung weiter zu verbessern, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, Haß alt Regler ein lückstromadaptierte-r Regler oder eine lückstromadaptierte Regeleinrichtung jeweils mit Adapii'Kiseingang vorgesehen ist und daß dem Adaptionseingang als Adaptionssignal ein dem Ausgangsstrom des Umkehrstromrichters proportionales Signal zugeführt ist. Ein lückstromadaptierlei Regler ist beispielsweise aus der DE-AS 19 57 599 und eine lückstromadaptierte Regeleinrichtung ist beispielsweise aus der DE-OS 23 38 630 bekannt.

Eine rechnerische Abschätzung hat gezeigt, daß der ohmsche Wert des genannten niederohmigen Widerstands im Bereich von 100 bis 500 0hm liegen sollte. Diese Abschätzung hat auch ergeben, daß der genannte Wertebereich für eine große Anzahl von elektrischen Maschinen, ungeachtet der unterschiedlich hohen Ströme und der unterschiedlichen Zeitkonstanten dieser Maschinen, gleich ist.

Eine erste grundlegende Ausführungsform der Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß — in an sich bekannter Weise — als Regler ein Erregerstromregler vorgesehen ist, dessen Vergleichsglied von einem Stromsollwert und dem Istwert des durch die Feldwicklung fließenden F.rregerstroms beaufschlagt ist. — Bei dieser Ausbildung ist besonders hervorzuheben, daß dem Erregerstromregler und der Kommandostufe unterschiedliche Signale zugeführt werden: Der Kommandostufe wird der Istwert des Ausgangsstroms des Umkehrstromrichters, dem Erregerstromregler dagegen als Regelgröße der Istwert des Erregerstroms zugeführt. Diese Ausführungsform verkörpert gegenüber den bekannten Schaltungsanordnungen eine dynamisch verbesserte Erregerstromregelung.

Eine zweite grundlegende Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß als Regler ein Flußregler vorgesehen ist, der an seinem Vergleichsglied von einem Flußsollwert und dem gemessenen oder aber gerechneten Istwert des Flusses in der Maschine beaufschlagt ist. — Bei einer solchen Schaltungsanordnung handelt es sich um eine dynamisch verbesserte Flußregelung. Hierbei werden das stationäre und dynamische Verhalten des Flusses der Maschine berücksichtigt. Eine überlagerte Regelschaltung braucht somit Fehler, die durch dynamische Veränderungen des Flusses entstehen, nicht auszugleichen, was zu einer ruhigeren Regelung führt. In manchen Anwendungsfällen braucht eine solche überlagerte Regelschaltung überhaupt nicht vorgesehen zu sein.

Bei dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß der Istwert des Flusses durch eine Rechenschaltung aus dem Quotienten des Istwertes der EMK der Maschine und der Drehzahl der Maschine berechnet ist. Bei einer Drehfeldmaschine kann abweichend davon der Istwert des Flusses durch eine Integrationsschaltung berechnet sein, und zwar aus der Klemmenspannung und dem Klemmenstrom der Drehfeldmaschine. Eine Tachometermaschine zur Ermittlung der Drehzahl ist hierbei nicht erforderlich. Schließlich kann der Istwert des Flusses auch durch einen besonderen Flußmeßgeber ermittelt werden, der an der Maschine angeordnet ist.

Schließlich ist nach einer dritten grundlegenden Ausführungsform vorgesehen, daß als Regler ein Spannungsregler vorgesehen .si, eiei an seinen Vergleichsglied von einem l\MK-Sol!wert und von den aus Klemmenspannung und Klenimenstrom rh-r M
sehine gewonnenen Istweil uer EMK beaufschlagt isi ϊ Mit einer solchen Schaltungsanordnung läßt sich in Feldschwächbercich der Maschine auf konstante Ma sehinenspannimg ;egeln.

Ausführungsbeispiele der l.ninüung werden in

folgenden anhand von fünf Figuren näher erläutert. Fu

κι gleiche Bauelemente- sind dieselben Bezugs/cichei verwendet. Es zeigt

l· i g. i eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnunj nach der ersten Ausführungsform mit einem Erreger

n F i g. 2 Ströme und Spannungen in Abhängigkeit vor der Zeit im Erregerkreis einer elektrischen Maschin! bei Kickendem Ausgangsstrom für die Schaltungsanord nung nach Fi g. 1,

Fig. 3 ein Strom-Spannungs-Diagramm zur Schal

je umgsanordnung nach Fig. 1 zur Veranschaulichun; unterschiedlicher Lückbereiche,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach der zweiten Ausführungsform mit einem Flußreg ler und

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnuni nach der dritten Ausführungsform mit einem EMK Regler.

Die Schallungsanordnung nach F i g. 1 umfaßt einer UmkehrstiOinrichter 2 mit zwei Teilstromrichicrn 4 unc

«ι 6, die wcchsclstromseitig gemeinsam an ein dreiphasi ges Wechselspannungsnetz mit den Phasenleitern R, S Tund gleichstromseitig zueinander parallel geschalte sind. Beide Teilstromrichter 4, 6 sind in üblicher Wcis< aufgebaut. Sie enthalten steuerbare Ventile, ins.besonde

Γ. re Thyristoren, in Drehstrom-Brückenschaltung. Dk beiden Drehstrom-Brückenschaltungen sind zucinande gegenparallel geschaltet. Die Teilstromrichter 4 und ( werden kreisstromfrei und sechspulsig betrieben (Puls zahl ρ = 6). Abweichend davon ist auch ein zwei- ode

><> dreipulsiger Betrieb möglich.

Gleichstromscitig sind die Teilstromrichter 4 und ( gemeinsam an die Erregerwicklung 8 einer elektrischer Maschine 10 angeschlossen. Der Ständer 12 de Maschine 10 wird von einer nicht gezeigten Stromquelk gespeist. Bei der Maschine 10 kann es sich um eine Drehfeldmaschine (Synchron- oder Asynchronmaschi ne), insbesondere aber um eine Gleichstrommaschine handeln. Jeder der beiden Erregerstromrichtungen de Maschine 10 ist ein Teilstromrichter 4,6 zugeordnet.

ίο Parallel zur Erregerwicklung 8 liegt ein ohmschei Widerstand 14. Dieser Widerstand 14 ist zur Stabilisie rung der später beschriebenen Regelung vorgesehen. Ei ist relativ niederohmig. Sein ohmscher Wert liegt — j( nach Art und Leistungsaufnahme der verwendeter Maschine 10 — insbesondere im Bereich von 100 bis 500 Ohm.

Infolge der Anordnung des Widerstandes 14 ist der Ausgangsstrom U der Teilstromrichter 4 und 6 nichi gleich dem durch die Erregerwicklung 8 fließender

ι» Erregerstrom /£. Es gilt vielmehr die Beziehung Ia = ie+ ir. wobei ig der durch den Widerstand 14 fließende Strom ist. Die Ströme Ία, i'e, ir können, je nacl· Betriebszustand der Maschine 10, jeweils in einer der beiden Flußrichtungen fließen.

<·> Zur Messung eines Signals /V, das dem Istwert Ία de Gruppen- oder Ausgangsstroms proportional ist, ist eir erster Stromwandler 16 vorgesehen. Dieser ist in einet der beiden Verbindungsleitungen zwischen den gemein

samen Ausgangsklemmen der Teilsiromrichter 4 :nni 6 und den Anschlußklemmen des Widerstandes 14 angeordnet. Zur Messung lio^ 1 xregerstroms in ist ein /weiter Stromwandler 18 vorgesehen. Dieser ist in einer der beiden Vcrbindungsleitungen zwischen den AnschluGklemmen des Widerstands 1-1 und den Anschlußklemmen der Erregerwicklung 8 angeordnet.

Zur Messung eines dem Ausgangsstrom Ia ebenfalls proportionalen Signals Ία" können ansieile des auf der Gleichstromseite angeordneten Stromwandlers 16 auch in drei wechsclstromseitig in den Phasenleitern R, S, T angeordnete Stromwandler 20, 22, 24 mit einem nachgeschalteten Gleichrichter 26, der z. B. sechs Dioden in Drehstrom- Briickenschaitung umfaßt, vorgesehen sein. Diese Alternative und die Weiterverwendung des so ermittelten Signals ia" ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt.

Ein Steuersatz 30 gibt Steuerimpulse an die steuerbaren Ventile entweder des einen oder des anderen Teilstromrichters 4, 6 ab. Dieser Steuersatz 30 wird von einer Steuerspannung u, gesteuert. Über eine Signalleitung 32 erhält er in bekannter Weise Sperrsignale, die verhindern, daß beide Teilstromrichter 4, 6 gleichzeitig angesteuert werden. Vorliegend ist nur ein einziger Steuersatz 30 mit Impulsweiche vorgesehen. Die Erfindung läßt sich aber auch bei bekannten Schaltungsanordnungen verwirklichen, die mit zwei Steuersätzen arbeiten.

Dem Steuersatz 30 ist eine Kommandostufe 34 vorgeschaltet. Diese Kommandostufe 34 leitet die Steuerspannung u, weiter und steuert das Umschalten der Steuerimp'ilse von dem einen auf den anderen Teilstromrichter 4, 6. Das Umschalten geschieht in Abhängigkeit von einem Meldesignal m. Als Meldesignal m wird entweder das Signal /Y oder ιΆ" verwendet. Das ermöglicht eine besonders schnelle Umschaltung bei gewünschtem Richtungswechsel des Erregerstroms. Eine bevorzugt verwendete Kommandostufe wird im Siemens-Katalog RE 1 mit dem Titel »Regelsysteme«, Juli 1975, Seiten 4/1 bis 4/6, erläutert. w

Der Kommandostufe 34 ist ein Erregerstromregler 36 vorgeschaltet. Dieser Erregerstromregler 36 gibt die bereits erwähnte Steuerspannung u_rab. Das Vergleichsglied 38 des Erregerstromreglers 36 ist mit dem am Stromwandler 18 abgegriffenen Istwert /fdes Erreger-Stroms und mit einem Sollwert /| beaufschlagt. Der Sollwert /J? wird von einem Sollwertgeber 40 geliefert, der als Potentiometer dargestellt ist. Es kann sich dabei auch um einen anderen Sollwertgeber, insbesondere auch um einen übergeordneten Regelkreis, handeln. Der v> Sollwert i§ ist auch der Kommandostufe 34 über eine Leitung 37 zugeführt, damit die Kommandostufe 34 in Abhängigkeit der Polarität des übertragenen Signals den einen oder anderen Teilstromrichter 4, 6 mit Steuerimpulsen beaufschlagt 5 ■

Der Regler 36 ist vorliegend vorteilhafterweise speziell als lückstromadaptierter Regler (vergleiche z. B. DE-AS 19 57 599) oder als lückstromadaptierte Regeleinrichtung (vergleiche z, B. DE-OS 23 38 630) ausgebildet Dem Adaptionseingang 39 dieses speziellen Erregerstromreglers 36 ist als Adaptionssignal ein dem Ausgangsstrom i'a des Umkehrstromrichters 2 proportionales Signal W oder i_A" zugeführt Der Adaptionseingang 39 ist also entweder mit dem Stromwandler 16 oder mit dem Gleichrichter 26 verbunden. Die Verwendung eines Adaptivreglers hat den Vorteil, daß Änderungen der Regelstrecke bei Auftreten von Lückstrom berücksichtigt werden können, so daß die Regeleigenschafton verbessert werden.

Besonders vorteilhaft ist es, den Erregerstromregler 36 mit einer (nicht gezeigten) Begrenzungseinrichtung auszurüsten. Diese Begrenzungseinrichtung sorgt dafür, daß die abgegebene Steuerspannung u_c beim Umschalten der Kommandostufe 34 auf dem vor dem Umschalten vorhandenen Wert festgehalten wird. Dadurch wird erreicht, daß während des Umschaltvorgangs die Steuerspannung u,-( = Ausgangsspannung des .Stromreglers) nicht auf einen unerwünschten Wert davonlaufen kann; denn beim Einschalten des neuen Teilstromrichters 4, 6 könnte sich andernfalls der Erregerstrom in unerwünscht schnell ändern. Eine solche Begrenzungseinrichtung wirkt sich auch dann aus, wenn der Sollwert des Erregerstroms /£ am Sollwertgeber 40 sprunghaft geändert wird und dabei sein Vorzeichen ändert.

Hinsichtlich der dargestellten Erregerstromregelung ist also folgendes festzuhalten: Als Regelgröße wird der Istwert /jf des in der Erregerwicklung 8 fließenden Erregerstroim verwendet. Wegen des Lückens wird vorteilhafterweise speziell ein Erregerstromregler 36 mit Streckenanpassung eingesetzt. Für die Adaption wird jedoch nicht die Regelgröße, also der Erregerstrom /jf verwendet, sondern der Istwert Ία des Ausgangsstroms. Dieser Ausgangsstrom Ία kann, wie später aus Fig. 2 hervorgehl, bei nichtlückendem Erregerstrom /> bereits lücken. Für die Kommandostufe 34 wird nicht der Erregerstrom in, sondern der Ausgangsstrom ιΆ als Meldesignal m für die Umschaltung verwendet.

In F i g. 2 sind der Verlauf der Ausgangsspannung u_A, des Erregerstroms Ίε, des Stroms in im Widerstand 14, des Ausgangsstroms i_A und der Spannung u_K an der Erregerwicklung in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Die Periodendauer der Wechselspannung am Eingang des Umkehrstromrichters 2 ist mit 7o bezeichnet. Dabei ist in Fig. 2 der Fall einer leichten Gleichrichteraussteuerung des Teilstromrichters 4 herausgegriffen. Dieser Fall, bei dem nur kleine Ströme Ία, if fließen, ist für das Umschalten von einem zum anderen Teilstromrichter 4,6 besonders interessant.

Nach F i g. 2 besitzt die Ausgangsspannung ua infolge der leichten Gleichrichteraussteuerung einen geringen positiven Mittelwert, der als horizontale Gerade eingezeichnet ist. Der Erregerstrom Ίε ist positiv und zeigt einen gewellten Verlauf. Der Strom /'« im Widerstand 14 wechselt laufend die Richtung. Der Verlauf des Ausgangsstroms /U zeigt in jedem Zeitabschnitt ToIp (To ist die Periodendauer der Netzwechselspannung und ρ ist die Pulszahl) abwechselnd eine Stromführungsdauer und eine Stromführungspause. Die Spannung Ue an der Erregerwicklung 8 schließlich wechselt in jedem Zeitabschnitt 7Vp einmal die Richtung.

Besonders bemerkenswert an den Diagrammen in F i g. 2 sind zwei Tatsachen. Zum einen ist feszuhalten, daß der Ausgangsstrom /U bereits lückt während der Erregerstrom Ίε noch nicht lückt, und zum anderen ist festzustellen, daß der Mittelwert des Ausgangsstroms Ία größer ist als der Mittelwert des Erregerstroms />.

Im Diagramm von F i g. 3 ist die Steuerspannung u_a die dem Steuersatz 30 zugeführt wird, über dem Ausgangsstrom Ία aufgetragen. Man erkennt, daß mit steigender Steuerspannung u_c der Ausgangsstrom i_A zunächst relativ wenig, danach recht stark ansteigt Im Bereich des geringen Anstiegs lückt der Ausgangsstrom Ία. Der Lückbereich des Ausgangsstroms /U ist mit X

bezeichnet. Zum Vergleich ist auch der Lückbereich Y des Erregerstroms ii. eingetragen. Es isi ersichtlich, daß der Lückbereich X des Ausgangsstroms i_A wesentlich größer ist als der Lückbereich Kdes Erregerstroms ;>.

Damit wird folgendes deutlich: Da für den Erregerstromregler 36 in Fig. 1 der Istwert des Erregerstroms it; nicht dagegen der Istwert des Ausgangsstroms i_A als Regelgröße verwendet wird, erhält man — gerade im schwierigen Bereich kleiner Ströme, bei denen Lücken auftritt — eine genaue und stabile Stromregelung. Da für die Kommandostufe 34 als Meldesignal m andererseits nicht de;· Erregerstrom ig, sondern ein dem Ausgangsstrom i_A proportionales Signal //, i_A" herangezogen wird, kann beim Umschalten von einem Teilstromrichter (z. B. 4) auf den anderen Teilstromrichier (z. B. 6) der neue Teilstromrichter durch die Kommandostufe 34 bereits freigegeben werden, wenn der Erregerstrom i'e in der Erregerwicklung 8 noch die bisherige Richtung aufweist. Das liegt daran, daß bei einer Verringerung des Ausgangsstroms i_A infolge geänderter Momentenanforderung (Verstellung i'e zu kleineren Werten) das Lücken im Ausgangsstrom i.\ früher einsetzt als im Erregerstrom i_E. Die dann an der Erregerwicklung 8 anliegende Gegenspannung baut den Erregerstrom /£sehr schnell ab, wodurch eine beschleunigte Umkehrung des Erregerstroms /Vermöglicht wird.

Die Einführung des Widerstandes 14 hat — wie bereits r-'Aähnt — zur Folge, daß bei nichtlückendem irregersirom /f der Ausgangsstrom i_A eventuell bereits lückt, was an sich zu einer Verschlechterung der Dynamik der Stromregelung führen würde. Um diesem Nachteil zu begegnen, ist der Erregerstromregler 36, wie bereits ebenfalls erwähnt, vorteilhafterweise als Adaptivregler ausgebildet.

In Fig.4 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die sich von derjenigen in F i g. 1 dadurch unterscheidet, daß hier kein Erregerstrom-, sondern ein Flußregelkreis vorgesehen ist. Demgemäß wird als Regler ein Flußregler 46 verwendet. Dieser wird an seinem Vergleichsglied 48 von einem Flußsollwert Φ* und den gerechneten Istwert Φ des Flusses in der Maschine TO beaufschlagt. Der Flußsollwert Φ* kann an einem Potentiometer abgegriffen oder in einem übergeordneten Regelkreis gebildet sein. Der Istwert Φ des Flusses wird einer Nachbildeeinrichtung 42 entnommen, die die Magnetisierungskennlinie der Maschine 10 berücksichtigt und eingangsseitig vom Stromwandler 18 mit dem Istwert i'e des Erregerstroms gespeist wird. Eine solche Nachbildeeinrichtung 42 ist im Stand der Technik bekannt (vgl. Siemens-Zeitschrift 40 [1966], Heft 11, Seiten 795 bis 799, insbesondere Bild 3). Der gemessene Istwert Φ des Flusses kann — je nach Stromrichtung — positives oder negatives Vorzeichen besitzen.

Abweichend hiervon kann der Istwert Φ des Flusses auch auf andere Weise berechnet oder mit einem Flußmeßgeber direkt gemessen werden.

Zwischen den Ausgang der Nachbildeeinrichtung 42 und das Vergleichsglied 48 des Flußreglers 46 kann noch ein Dämpfungsglied 44 geschaltet sein. Dieses Dämpfungsglied 44 besitzt eine vorgegebene Dämpferzeitkonstante. Es berücksichtigt dynamische Vorgänge bei einer Änderung des Erregerstroms if, es sorgt also dafür, daß das Zeitverhalten des berechneten Istwertes des Flusses den tatsächlichen Verhältnissen besser angepaßt wird.

Auch bei der Schaltungsanordnung nach Fig.4 ist festzuhalten, daß die Kommandostufe 34 als Meldesignal m für die Umschaltung von einem Teilstromrichter 4,6 zum anderen ein dem Istwert i_A des Ausgangsstroms proportionales Signal i_A zugeführt erhält. Auch bei dieser Kommandostufe 34 ergibt sich der Vorteil, daß die Wartezeit beim Umschalten von einem Teilstrom- "> richter 4, 6 zum anderen erheblich verkürzt werden kann.

Der Flußregler 46 wird auch hier wieder bevorzugt als Adaptivregler mit Adaptionseingang 49 ausgebildet. Dadurch läßt sich die Regeldynamik im Lückstrombe-

Ki reich verbessern. Als Adaptionssignal wird auch hier wieder zweckmäßigerweise der Ausgangsstrom /'.. verwendet. Das ist durch eine gestrichelte Leitung am Adaptionseingang 49 angedeutet.

Der Flußregler 46 kann ebenfalls mit einer Begren-Zungseinrichtung versehen sein.

Du in F i g. 4 dargestellte Schaltungsanordnung sorgt dafür, daß die Maschine 10 auf konstanten oder vorgegebenen Fluß geregelt wird.

Die in Fig. 5 gezeigte Schaltungsanordnung unterscheidet sich von derjenigen in Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß eine Erregerstromregelung nur im unteren Drehzahlbereich, eine EMK-Regelung der Motorspannung dagegen im oberen Drehzahlbereich vorgenommen wird. Durch eine solche EMK-Regelung kann die Maschine 10 mit Feldschwächung betrieben werden. Die dargestellte EMK-Regelung ist also nur für einen großen Istwert eder EMK vorgesehen, während sie bei kleinem Istwert eder FMK durch eine Erregerstromregelung abgelöst wird.

Als Regler ist in F i g. 5 ein ErregerstronWEMK-Regler 56 vorgesehen, der an seinem Vergleichsglied 58 je nach Drehzahl π den Betrag des Istwerts |4| des Erregerstroms oder den Beirag des Istwerts |e| der EMK der Maschine 10 mit einem Erregerstrom-Soll-

JS wert /jfbzw. mit einem EMK-Sollwert e*vergleicht. Der EMK-Sollwert e* kann in einem übergeordneten Regelkreis gebildet oder von einem anderen Sollwertgeber, wie z. B. einem Potentiometer, geliefert sein. Der ErregerstronWEMK-Regler 56 ist dem Steuersatz 30 direkt vorgeschaltet.

Der Istwert |e| des Betrags der EMK wird aus der Anker- oder Klemmenspannung u und dem Anker- oder Klemmenstrom /der Maschine 10 gewonnen. Dazu wird die Klemmenspannung u am Anker 12 abgegriffen und

einem Übertrager 60 zugeführt. Ein Stromwandler 61 dient zur Erfassung des Klemmenstroms i. Dem Stromwandler 61 ist ein PD-Glied 62 r.achgeschaltet. Die Ausgangssignale des Übertragers 60 und des PD-Gliedes 62 sind einem Addierverstärker 63 zugeführt, dem ein Betragsbildner 64 nachgeschaltet ist. Der Addierverstärker 63 bildet nach der Beziehung

e=u-(i R+LdiVdt)

den Istwert e der EMK, wobei der in Klammern ss gesetzte Ausdruck unter Berücksichtigung des Widerstandswerts R und der Induktivität L der Maschine 10 vom PD-Glied 62 geliefert wird. Aus dem Istwert e wird anschließend durch den Betragsbildner 64 der Betrag |e| ermittelt Das Ausgangssignal |e| des Betragsbildners 64 wird dem einen Eingang eine Maximum-Auswahlschaltung 65 zugeführt

Dem anderen Eingang der Maximum-Auswahlschaltung 65 ist der Betrag |/f| des Istwerts ie des Erregerstroms zugeführt Dieser Betrag \i_E\ wird einem weiteren Betragsbildner 66 entnommen, der von einem Stromwandler 18 mit einem Signal Ίε gespeist ist, das dem Erregerstrom i'e proportional ist Die Maximum-Auswahlschaltung 65 ist so aufgebaut, daß sie einen

27 2!

ι;

Vergleich zwischen den beiden Eingangssignal |e|, \i'e\ durchführt und das größere dieser beiden Signale je I, \ih:\ unverändert an das Vergleichsglied 58 weiterleitet. Eine Betragsbildung im Betragsbildner 66 ist deswegen vorgesehen, weil es zu einer Richtung des hrregerstroms 4 beide Polai iti*len der EMK egibt.

Auch vorliegend ist eine Kommandostiife 34 vorgesehen, die für die Umschaltung der Steuerimpulse von einem der beiden Teilstronirichter 4, 6 auf den anderen sorgt. Diese Kornrnandosiufe Λ4 steuert hie: dm h: Steuersatz 30 in direkter Weise.

Der Kommandostufe 34 sind zwei Eingangssignale i,\ und r zugeführt, ans denen durch logische Schaltver knüpfung ein Lnnsieuerbefehi für den Steuersatz 30 gebildet wird Zum einen handelt es sich dabei um ein dem Istwert Ia des Ausgangssiroms proportionales Signal W. das — wie hei den bereits beschriebenen Schaltungsanordnungen — als Meldesignal m dient. Auch hier wi'd nicht direkt der Erregerstrom 4, sondern der Ausgangsstrom U gemessen. Dadurch wird auch hier wieder bewirkt, ä*<i die Umschaltung von einem Teilstromriehter 4, 6 ?iim anderen bei S..>mumkehr sehr rasch durchgeführt werden kann. Zum anderen handelt es sich dabei um ein Anzeigesignal r. Dieses Anzeigesignal r gibt an, welches die gewünschte Momentenrichtung der Maschine 10 ι r Es wechselt sein Vorzeichen in Abhängigkeit von der gewünschten Momentenrichtung.

Aus F i g. 5 ist ersichtlich, daß dieses Eingangssignal r in der Steuer- und Regeleinrichtung, die dem Anker 12 JO der Maschine 10 zugeordnet ist, gebildet wird. Dabei ist vorliegend angenommen, daß der Anker !2 vor einem steuerbaren Stromrichter 70 gespeis! wird. Dem Stromrichter 70 ist ein Steuersatz 71 zugeordnet. Dieser steuersatz Ti wird von einem Stromregier 72 beaufschlagt, dessen Vergleichsgüed 73 von einem Ankerstrom-Sotlwert /* des Anker- oder Klemmenstroms gespeist ist. Dei Ankerstrom-Sollwert /* wird von einem Betragsbildner 74 geliefert, der eingangsseitig an den Ausgang eines überlagerte!· Drehzaimegiers 75 dngebchlossen ist. Das Viirgieichsulicd 76 dieses Drehzahlreglers 75 ¹St seinerseits von dem Istwert η und einem vorgegebenen Soilwer; r. d'.v Drehzahl beaufschlagt. Der Istwert η wird von einer mitlaufenden Tacliometerinaschine 77 geliefert. Das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 75 ist nach Vorzeichen und Betrag ein Maß für das Drehmoment, das dir- Maschine 10 abgeben soll und kann daher als Anzeigesignal r verwendet werden. Ein Richtungswechsel des Drehmoments wird über die Kommandostufe 34 durch Polaritätsunikchr des Anzeigesignals r und JjJurch verursachte J;nkehrdes Erregerstroms //bewirkt.

Schließlich ist noch zu vermerken, daß der Erregerstrom-.'EMK-Regler 56 wiederum bevorzugt als Adap tivregler ausgebildet sein kann. Seinem Adaptionseingang 59 wird dabei als Adaptionssignal über die gestrichelt eingezeichnete Leitung wiederum bevorzugt das dem Istwert /4 des Ausgangsstroms proportionale Signal i_A' zugeführt. Auch in diesem Fall kann eine Begrenzungseinrichtung wirksam sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Regeln des Erregerstroms einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Gleichstrommaschine, mit einem aus zwei Teilstromrichtern mit steuerbaren Ventilen bestehenden Umkehrstromrichter in kreisstromfreier Gegenparalleischaltung, an den die Feldwicklung der Maschine angeschlossen ist, mit mindestens einem Steuersatz, der Steuerimpulse an die steuerbaren Ventile des einen oder anderen Teilstromrichters abgibt, mit einem Regler, der dem Steuersatz vorgeschaltet ist und der an seinem Vergleichsglied von einem Sollwert und einem Istwert beaufschlagt ist, und mit einer zur Steuerung der Umschaltung der Steuerimpulse an die beiden Teüstromrichter "orgesehenen Kommandostufe, die dem Regler zugeordnet und der ein vom Erregerstromistwert abhängiges Meldesignal für die Umschaltung zugeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Erregerwicklung (8) ein niederohmiger Widerstand (14) geschaltet ist und daß der Kommandostufe (34) als Meldesignal (m) für die Umschaltung ein Signal ('V. Ϊα") zugeführt ist, das dem Istwert (U) des zwischen dem Ausgang des Umkehrstromrichters (2) und der Parallelschaltung von Erregerwicklung und Widerstand (14) fließenden Ausgangsstroms proportional ist (F ig. 1,4 und 5).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Regler (36; 46; 56) ein lückstromadaptierter Regler oder eine lückstromadaptierte Regeleinrichtung jeweils mit Adaptionscingang (39; 49; 59) vorgesehen ist und daß dem Adaptionseingang (39; 49; 59) als Adaptionssignal ein dem Ausgangsstrom (U) des Umkehrstromrichters (2) proportionales Signal (W. U") zugeführt ist (Fig. 1,4 und 5).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Wert des Widerstands (14) im Bereich von 100 bis 500 0hm liegt(Fig. I,4und5).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Regler (36) ein Erregerstromregler vorgesehen ist, dessen Vergleichsglied (38) von einem Stromsollwert (4) und dem istwert (/£) des durch die Feldwicklung (8) fließenden Erregerstroms beaufschlagt ist (F i g. 1).

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Regler (46) ein Flußregler vorgesehen ist, der an seinem Vergleichsglied (48) von einem Flußsollwert (Φ*) und dem gemessenen oder gerechneten Istwert (Φ) des Flusses in der Maschine (10) beaufschlagt ist (F ig. 4).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert (Φ) des Flusses durch eine Rechenschaltung aus dem Quotienten des Istwertes der EMK der Maschine (10) und der Drehzahl (n)der Maschine (10) berechnet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 für eine Drehfeldmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert (Φ) des Flusses durch eine Integrationsschaltung aus Klemmenspannung und Klemmenstrom der Drehfeldmaschine (10) berechnet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert des Flusses durch einen Flußmeßgeber, der an der Maschine (10)

angeordnet ist, erfaßt ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Regler (56) ein Spannungsregler vorgesehen ist, der an seinem Vergleichsglied (58) von einem EMK-SoIlwert (e*) und von dem aus Klemmenspannung (u*) und Klemmenstrom (U) der Maschine (10) gewonnenen Istwert (e)dcr EMK beaufschlagt ist (F i g. 5).

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (36; 46; 56) mit einer Begrenzungseinrichtung versehen ist, die die von ihm abgegebene Steuerspannung (u_c) beim Umschalten der Kommandostufe (34) auf den vor dem Umschalten vorhandenen Spannungiwert begrenzt.