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Adaptiver Stromregler für Stromrichterantriebe
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Die Erfindung bezieht sich auf einen adaptiven Stromregler für Stromrichterantriebe
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei hohen Anforderungen an die Regel dynamik von Stromrichterantrieben
werden für die Stromregelung bei Einstromrichter-oder kreisstromfreier Zweistromrichterschaltung
adaptive Ankerstromregler eingesetzt.
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In der DE-PS 19 57 599 wird das Problem des lückenden Stromes erläutert
und als Lösung ein Regler zur Stromregelung eines Stromrichters bei lückendem und
nichtlückendem Strom angegeben, dessen Zeitverhalten bei Passieren der Lückgrenze
mittels einer die Reglerrückführung umschaltenden Einrichtung veränderbar ist, wobei
der Regler bei nichtlückendem Strom ein PI-Verhalten aufweist und die Umschalteinrichtung
den Regler abhängig vom Stromistwert bei Strömen oberhalb eines einstellbaren Wertes
(Ansprechgrenze) auf PI-Verhalten und bei Strömen
unterhalb dieses
Wertes auf I-Verhalten schaltet. Als Ausführungsform wird ein Regler beschrieben,
der aus einer Reihenschaltung von zwei beschalteten Verstärkern aufgebaut ist, von
denen der erste Verstärker zwei, das P- bzw. PD-Verhalten des Verstärkers bestimmende
Gegenkopplungszweige umfaßt und bei dem das Umschalten von PI- auf I-Verhalten durch
Kurzschluß des das PD-Verhalten des ersten Verstärkers bestimmenden, im Gegenkopplungszweig
liegenden Kondensators erfolgt. Hierbei ist der zweite Verstärker als Integrator
beschaltet und die Umschalteinrichtung besteht aus einem Komparator oder einem als
Komparator geschalteten Verstärker, dem eine an einem Potentiometer einstellbare,
der vorgegebenen Stromansprechgrenze entsprechende Spannung sowie eine dem Stromistwert
entsprechende Spannung zugeführt sind, derart, daß beim Über- und Unterschreiten
der Ansprechgrenze durch den Stromistwert jeweils eine Änderung des einen elektronischen
Schalter steuernden Ausgangssignals des Komparators bzw. Verstärkers erfolgt.
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Die DE-AS 20 17 791 behandelt die Probleme der kreisstromfreien Zweistromrichterschaltung
und gibt zu deren Lösung eine Regeleinrichtung für einen Stromrichterantrieb in
kreisstromfreier Gegenparallelschaltung mit einem mindestens ein T~Glied aufweisenden
Stromregler für die Stromrichtergruppen beider Drehmomentrichtungen an, bei welcher
der Stromregler zur Verkürzung
der Anregelzeit nach der Umschaltung
von einer Stromrichtergruppe auf die andere derart beeinflußt ist, daß er bei einem
Stromistwert unterhalb eines einstellbaren Wertes (Stromansprechgrenze) eine wesentlich
kürzere Integrationszeit als bei einem Stromistwert oberhalb dieses Wertes besitzt.
Hierbei ist dem Stromregler eine Umschalteinrichtung zugeordnet, die die Integrationskonstante
des I-Gliedes abhängig vom uber- oder Unterschreiten der Stromansprechgrenze durch
den Stromistwert ändert.
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Den bekannten Reglern haften Nachteile an. Die Reglerschaltungen sind
zwar relativ einfach aufgebaut, können aber in manchen Anwendungsfällen unübersichtlich
werden in Hinsicht auf ihre Funktion und in Hinsicht auf die Berechnung und die
Einstellung der Parameter. Weiterhin ergeben sich Schwierigkeiten, wenn beide Aufgaben
- das Lückproblem und die Verbesserung der Regel dynamik der kreisstromfreien Schaltung
- durch einen einzigen Regler mit einer bestimmten Reglereinstellung gelöst werden
müssen. Es kann hier beispielsweise zu einem ungewollten Uberschwingen bei der Stromumkehr
kommen, wenn die Parameter für das Lückproblem richtig eingestellt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen adaptiven Stromregler für Stromrichterantriebe
anzugeben, der einen übersichtlichen Schal tungs aufbau besitzt, bei dem die einzelnen
Reglerparameter einfach berechnet und unabhängig voneinander eingestellt werden
können, der ein gutes dynamisches Verhalten der Stromregelung
bei
lückendem und nichtlückendem Strom sowie bei der Stromumkehr in der kreisstromfreien
Schaltung ermöglicht, der ferner so aufgebaut ist, daß ein ungewolltes Uberschwingen
beim Führungsstroß von Strom Null an die Stromgrenze verhindert wird, und bei dem
statische Fehler infolge der Parameteranpassung weitgehend vermieden werden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die im Anspruch
1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen
2 bis 9 gekennzeichnet.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 die prinzipielle Schaltung
eines adaptiven Stromreglers nach der Erfindung, Figur 2 eine vorteilhafte Ausgestaltung
der Schaltung nach Figur 1.
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In Figur 1 umfaßt der adaptive Stromregler einen ersten Verstärker
1, dem über einen Bewertungswiderstand R1 die Führungsgröße Iw zugeführt wird. Die
Regelgröße IA wird dem Verstärker 1 über zwei Widerstände R2 1 und R2 2 zugeführt,
deren Widerstandswerte vorzugsweise jeweils halb so groß wie der Widerstandswert
des Widerstandes R1 sind. Die Widerstände R2 1 und
R2 2 bilden
zusammen mit einem Kondensator C2 ein Verzögerungsglied erster Ordnung, das der
Glättung der Regelgröße IA dient.
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Ohne Glättung der Regel größe IA würde im Lückbereich in den Stromlücken
durch den Verstärker 3 nur die Führungsgröße 1w verstärkt werden und es würden Regel
fehler auftreten.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers 1 wird dem nichtinvertierenden
Eingang (+) eines zweiten Verstärkers 2 zugeführt. Bei gesperrtem Feldeffekttransistor
(FET) 5 besteht die Gegenkopplung des Verstärkers 2 aus dem Kondensator C1 und dem
Widerstand R7. Der so beschaltete Verstärker 2 ist ein PI-Glied mit der Verstärkung
k2= 1 und der Zeitkonstante T2 = R7. C1. Der erfindungsgemäße Regler arbeitet bei
gesperrtem FET 5 als PI-Regler mit dem Frequenzgang
für die Reglerparameter gilt:
TR = T2- = R7 . C1 Das Ausgangssignal des Verstärkers wird gleichzeitig über einen
Bewertungswiderstand R4 auf einen dritten Verstärker 3 mit der Verstärkung k3 =
R5/R4 gegeben. Bei leitendem FET 5 gelangt die mit Verstärker 3 verstärkte und invertierte
Regelabweichung über den Bewertungswiderstand R6 auf den invertierenden Eingang
des Verstärkers 2. Für Eingangssignale auf diesem Eingang wirkt der Verstärker 3
als Integrator. Eine Nachrechnung ergibt für diesen Fall folgenden Frequenzgang
Für die Reglerparameter gilt
Wählt man k3 # 1 so wird TRL ct TRe Der erfindungsgemäße Regler arbeitet bei leitendem
FET 5 als PI-Regler mit gleicher P-Verstärkung aber geringerer Zeitkonstante.
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Die Parameter des Reglers können durch die Änderung folgender Widerstände
eingestellt werden: kR mit R3, TR mit R7 und TRL mit R5.
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Die Steuerung des FET 5 vom sperrenden in den leitenden Zustand und
umgekehrt erfolgt durch einen als Komparator arbeitenden Verstärker 4, der zusammen
mit dem FET 5 eine Umschalteinrichtung bildet. Mit einem Potentiometer R8 wird eine
Ansprechschwelle für die Regelgröße IA eingestellt. Der am Potentiometer R8 abgegriffene
Wert wird über einen Widerstand Rg mit der über einen Widerstand Rlo zugeführten
Regelgröße 1A durch Gegeneinanderschaltung verglichen. Der FET 5 ist leitend bei
positiver Spannung zwischen Gate (G) und Source (S) bzw Drain (D) und gesperrt bei
negativer Spannung zwischen Gate
und Source bzw. Drain. Die Regelgröße
sei zum Beispiel mit positiver Polarität vorgegeben. Der Komparator steuert dann
den FET 5 so, daß bei Strom Null und bei Strömen unterhalb einer mit dem Potentiometer
R8 eingestellten Ansprechschwelle der FET 5 leitend ist und der Regler die geringe
Zeitkonstante TRL aufweist und daß bei Strömen oberhalb der Ansprechschwelle der
FET 5 gesperrt wird und der Regler die bei nichtlückendem Strom erforderliche Zeitkonstante
TR aufweist. Durch die Zenerdioden nl und n2 wird der Verstärker 3 in seiner maximalen
Ausgangsspannung begrenzt. Damit kann, unabhängig von der Verstärkung k3, die durch
das Ausgangs signal von Verstärker 3 hervorgerufene maximale Verstellgeschwindigkeit
der Ausgangsspannung UR des Reglers begrenzt werden. Es wird damit die maximale
Verstellgeschwindigkeit der Steuerimpulse des Stromrichters, z.B. bei Verstellung
von der Wechselrichterendlage in Richtung auf die Gleichrichterendlage, begrenzt.
Hierdurch wird ein unzulässiges Uberschwingen beim Übergang des Stromes vom Wert
Null auf einen Strom im nichtlückenden Bereich verhindert.
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In Figur 2 sind Schaltungsteile, soweit sie mit den in Figur 1 gezeigten
übereinstimmen, jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem in Figur 2
gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zur leichteren Einstellung der
Reglerparameter die Potentiometer R17, R18 und R7 1 vorgesehen. Es wird eingestellt:
kR mit R17 , TR mit R7 1 und TRL mit R Zur Grobanpassung
der Verstärkung
kR kann mit R15 und R16 ein Spannungsteiler vorgesehen werden. Die Begrenzung der
maximalen Ausgangsspannung des Verstärkers 3 kann über das Potentiometer R19 vorgenommen
werden. Es wirkt über die Diode n3 auf den Begrenzungseingang des Verstärkers 3.
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Im Lückbereich wird in den Stromlücken die verstärkte Ausgangsspannung
des Verstärkers 1 über den Verstärker 3 und den FET 5 auf den Verstärker 2 gegeben.
Wir bereits im Zusammen hang mit Figur 1 erläutert, würde ohne Glättung der Regelgröße
nur die Führungsgröße verstärkt werden und es würden Regelfehler auftreten. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel wird dem durch eine Phasenverschiebung der Regelgröße entgegengewirkt.
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Damit keine unzulässige Verschlechterung der Regeidynamik auftritt,
wird die Phasenverschiebung über mindestens zwei, vorzugsweise drei Verzögerungsglieder
erster Ordnung mit etwa gleich großen Zeitkonstanten TG realisiert.
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Es soll gelten (mit R2,1 = R2,2 und 4.1 = 4.2
Falls erforderlich, kann entsprechend der Glättung der Regelgröße auch die Führungsgröße
durch Aufspaltung des Widerstandes R1 und einen weiteren Kondensator geglättet werden.
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In Figur 2 ist der Verstärker 3 mit zwei Gegenkopplungszweigen ausgeführt.
Der in Figur 1 gezeigte Widerstand R5 ist hier auf die Widerstände R5 1 und R5 2
aufgespalten worden, und es ist ein zweiter Gegenkopplungszweig mit dem Widerstand
R14 vorgesehen. Über die Widerstände R12 und R13, die Diode n4 und den Kondensator
C4 wird aus dem Ausgangs signal des Verstärkers 4 ein Signal so gebildet, daß bei
kleinen Strömen im Lückbereich der FET 6 leitend wird. Damit ist die Gegenkopplung
über R5 1 und R5 2 kurzgeschlossen. Mit R14 > R5.1 + R5.1 ergibt sich jetzt eine
höhere Verstärkung.
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