DE2843689C2

DE2843689C2 - Adaptiver Stromregler für Stromrichterantriebe

Info

Publication number: DE2843689C2
Application number: DE19782843689
Authority: DE
Inventors: Arne Dipl.-Ing. Buxbaum; Hans-Jürgen Dipl.-Ing. 1000 Berlin Reinhardt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-10-04
Filing date: 1978-10-04
Publication date: 1983-04-28
Also published as: NL7907347A; DE2843689A1

Description

Die DE-AS 2017 791 behandelt die Probleme der kreisstromfreien Zweistromrichterschaltung und gibt zu deren Lösung eine Regeleinrichtung für einen Stromrichterantrieb in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung mit einem mindestens ein I-Glied aufweisenden Stromregler für die Stromrichtergruppen beider Drehmomentrichtungen an, bei welcher de^ Stromregler zur Verkürzung der Anregelzeit nach der Umschaltung von einer Stromrichtergruppe auf die derart beeinflußt ist, daß er bei einem Stromistwert unterhalb e:nes einstellbarer 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 Über- oder Unterschreiten der Stromansprechgrenze durch den Stromistwert ändert.

Den bekannten Reglern, die - wie vorstehend eriäutert - entweder das Problem des lückenden Stromes oder die Probleme der kreisstromfreien Zweistromrichterschaitung lösen, 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 sich Schwierigkeiten, wenn beide Aufgaben — das Lückproblem und die Verbesserung der Regeldynamik der kreisstromfreien Schaltung - durch einen einzigen Regler mit einer bestimmten Reglereinstellung gelöst werden müssen. Es kann hier beispielsweise zu einem ungewollten Üb^rschwingen bei der Stromumkehr kommen, wenn die Parameter für das Lückproblem richtig eingestellt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen adaptiven Stromregler für Stromrichterantriebe anzugeben, der einen übersichtlichen Schaltungsaufbau besitzt, bei dem die einzelnen Reglerparameter einfach berechnet und unabhängig voneinander eingestellt werden können, der ein gutes dynamisches Verhalten der Stromregelung sowohl bei lückendem und nichtlückendem Strom als auch bei der Stromumkehr in der kreisstromfreien Schaltung ermöglicht, und der ferner so aufgebaut ist, daß ein ungewolltes Überschwingen beim Führungsstoß von Strom Null an die Stromgrenze verhindert wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 gekennzeichnet.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 die prinzipielle Schaltung eines adaptiven Stromreglers nach der Erfindung,

F i g. 2 eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltung nach F ig. 1.

In F i g. 1 umfaßt der adaptive Stromregler einen ersten Verstärker 1, dem über einen Bewertungswiderstand Äi die Führungsgröße I_w zugeführt wird. Die Regelgröße Ia wird dem Verstärker 1 über zwei Widerstände Λ₂.ι und R22 zugeführt, deren Widerstandswerte vorzugsweise jeweils halb so groß wie der Widerstandswert des Widerstandes /?, sind. Die Widerstände Λ2.1 und R22 bilden zusammen mit einem Kondensator C7 ein Verzögerungsglied erster Ordnung, das der Glättung der Regelgröße I_A dient. Ohne Glättung der Regelgröße U würde im Lückbereich in den Stromlücken durch den Verstärker 3 nur die Führungsgröße I_w verstärkt werden und es würden Regelfehler auftreten.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 1 wird dem nichtinvertierenden Eingang (+) eines zweiten Verstärkers 2 zugeführt Bei gesperrten! Feldeffekttransistor (FET) 5 besteht die Gegenkopplung des Verstärkers 2 aus dem Kondensator Q und dem Widerstand R₇. Der so beschaltete Verstärker 2 ist ein PI-Glied mit der Verstärkung Jt₂ = I und der Zeitkonstante T₂=R₇- Q.

Der erfindungsgemäße Regler arbeitet bei gesperrtem FET 5 als PI-Regler mit dem Frequenzgang

a - ir ^l+P^T*

P *R

für die Reglerparameter gilt:

— T₁ = R₁ ■ C_x.

Das Ausgangssignal des Verstärkers wird gleichzeitig über einen Bewertungswiderstand Ra auf einen dritten Verstärker 3 mit der Verstärkung k-i = R₅IRa gegeben. Bei leitendem FET 5 gelangt die mit Verstärker 3 und invertierte Regelabweichung über den Bewertungswiderstand Re 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
_ -Ri

R₆ +R₁(I+k₃)

Wählt man A₃ ► 1 so wird T_RL< Tr. Der erfindungsgemäße Regler arbeitet bei leitendem FET 5 als PI-Regler mit gleicher P-Verstärkung aber geringerer Zeitkonstante.

Die Parameter des Reglers können durch die Änderung folgender Widerstände eingestellt werden: k_R mit R₃, Tr mit A₇ und T_RL mit R₅.

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 Rg wird eine Ansprechschwelle für die Regelgröße I_A eingestellt. Der am Potentiometer R₃ abgegriffene Wert wird über einen Widerstand R₉ mit der über einen Widerstand Ai₀ zugeführten Regelgröße Ia 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 R«

eingestellten Ansprechschwelle der FET 5 leitend ist und der Regler die geringe Zeitkonstante T_RL aufweist und daß bei Strömen oberhalb der Ansprechschwelle der FET 5 gesperrt wird und der Regler die bei nichtlückendem Strom erforderliche Zeitkonstante T_R aufweist. Durch die Zenerdioden π 1 und η 2 wird der Verstärker 3 in seiner maximalen Ausgangsspannung begrenzt. Damit kann, unabhängig von der Verstärkung A3, die durch das Ausgangssignal 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 Überschwingen beim Übergang des Stromes vom Wert Null auf einen Strom im nichtlückenden Bereich verhindert.

In F i g. 2 sind Schaltungsteiie, soweit sie mit den in F i g. 1 gezeigten übereinstimmen, jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zur leichteren Einstellung der Reglerparameter die Potentiometer Ru, RtS und /?7.i vorgesehen. Es wird eingestellt: k_R mit R^, Tr mit Ä7.1 und Trl mit R\g. Zur Grobanpassung der Verstärkung k_R kann mit Ä15 und R₁₆ ein Spannungsteiler vorgesehen werden. Die Begrenzung der maximalen Ausgangsspannung des Verstärkers 3 kann über das Potentiometer Ä19 vorgenommen werden. Es wirkt über die Diode η 3 auf den Begrenzungseingang des Verstärkers 3.

Im Lückbereich wird in den Stromlücken die

verstärkte Ausgangsspannung des Verstärkers t über den Verstärker 3 und den FET 5 auf den Verstärker 2 gegeben. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, würde ohne Glättung der Regelgröße nur die Führungsgröße verstärkt werden und es wurden Regelfehler auftreten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dem durch eine Phasenverschiebung der Regelgröße entgegengewirkt. Damit keine unzulässige Verschlechterung der Regeldynamik auftritt, wird die Phasenverschiebung über mindestens zwei, vorzugsweise drei Verzögerungsglieder erster Ordnung mit etwa gleich großen Zeitkonstanten Tc realisiert.
Es soll gelten (mit R₂A = R22 und Ä4.1 - R₄₂):

To_x = ^f- ■ C₂ - T_G2 = R₃ · C₃ - To₁ = ^- · C₅.

Falls erforderlich, kann entsprechend der Glättung der Regelgröße auch die Führungsgröße durch Aufspaltung des Widerstandes R\ und einen weiteren Kondensator geglättet werden.

In Fig. 2 ist der Verstärker 3 mit zwei Gegenkopplungszweigen ausgeführt. Der in F i g. 1 gezeigte Widerstand /?₅ ist hier auf die Widerstände Ä5.1 und R_S2 aufgespalten worden, und es ist ein zweiter Gegenkopplungszweig mit dem Widerstand Rh vorgesehen. Über die Widerstände Ä12 und /?u, die Diode /7 4 und den Kondensator Q wird aus dem Ausgangssignal des Verstärkers 4 ein Signal so gebildet, daß bei kleinen Strömen im Lückbereich der FET 6 leitend wird. Damit ist die Gegenkopplung über Ä5.1 und Λ5.2 kurzgeschlossen. Mit Ah > Ä5.1 + Ä5.1 ergibt sich jetzt eine höhere Verstärkung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Adaptiver Stromregler für Stromrichterantriebe mit einer Umschalteinrichtung zur Steuerung der Reglerparameter in Abhängigkeit von der Stromregelgröße und einer Ansprechschwelle, bei dem die von einem ersten Verstärker gebildete Differenz zwischen Stromführungs- und Stromregelgröße dem invertierenden Eingang eines zweiten Verstärkers über einen dritten invertierend arbeitenden Verstärker zugeführt wird und Mittel zur Glättung mindestens der Stromregelgröße vergesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem ersten Verstärker (1) gebildete Differenz außerdem dem nichtinvertierenden Eingang (+) des zweiten Verstärkers (2) direkt oder über einen Spannungsteiler (Ais, Äie) zugeführt wird, daß der zweite Verstärker (2) ein durch einen in seiner Rückführung eingeordneten Kondensator (Q) und einen zwischen seinem nichtinvertierenden Eingang und dem NuJlpotential liegenden ohmschen Widerstand (Rj) erzeugtes Pl-Verhalten für das an den nichtinvertierenden Eingang ( + ) angelegte Signal zeigt, daß der invertierend arbeitende dritte Verstärker (3) als Proportionalverstärker beschaltet ist und daß die Umschalteinrichtung (4,5) den Signalweg über den invertierenden Eingang (-) des zweiten Verstärkers (2) nur bei Strömen unterhalb der Ansprechschwelle freigibt.

2. Stromregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabe des Signalweges über den invertierenden Eingang (—) des zweiten Verstärkers (2) mit einem in Reihe mit einem Bewertungswiderstand (R₆) liegenden elektronischen Schalter (5) erfolgt.

3. Stromregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des Signalweges über den dritten Verstärker (3) mindestens zehnmal höher ist als die Verstärkung des Signalweges vom Ausgang des ersten Verstärkers (1) zum nichtinvertierenden Eingang ( + ) des zweiten Verstärkers (2).

4. Stromregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierend arbeitende dritte Verstärker (3) in seiner maximalen Ausgangsspannung derart begrenzbar ist, daß die maximale « Verstellgeschwindigkeit der Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers (2) in Richtung auf Verstellung der Steuerimpulse zur Gleichrichterendlage einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

5. Stromregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der maximalen Ausgangsspannung des dritten Verstärkers (3) über ein Potentiometer (Ä19) einstellbar ist.

6. Stromregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierend arbeitende dritte Verstärker (3) zwei Gegenkopplungszweige (7?5.i, R52; Rn) zur Umschaltung auf zwei unterschiedliche Verstärkungswerte aufweist.

7. Stromregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Signal des als Komparator &o arbeitenden Verstärkers (4) der Umschalteinrichtung (4, 5) über ein Netzwerk, bestehend aus einem Kondensator (G), zwei Widerständen (Ri₂; Rn) und einer Diode (n 4), ein Signal gebildet wird, das über einen elektronischen Schalter (6) den dritten f>⁵ Verstärker (3) bei kleinen Strömen im Lückbereich auf höhere Verstärkung umschaltet.

Die Erfindung bezieht sich auf einen adaptiven Stromregler für Stromrichterantriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei hohen Anforderungen an die Regeldynamik von Stromrichterantrieben werden für die Stromregelung bei Einstromrichter- oder kreisstromfreier Zweistromrichterschaltung adaptive Ankerstromregler eingesetzt 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 Pl-Verhalten aufweist und die Umschalteinrichtung den Regler abhängig vom Stromistwert bei Strömen oberhalb eines einstellbaren Wertes (Ansprechgrenze) auf Pl-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 Umschalteinrichiung besteht aus einen. Komparator oder einem als Komparator geschalteten Verstärker, dem eine an einem Potentiometer einstellbare, der vorangegebenen 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.

Aus der DE-AS 23 38 630, die sich ebenfalls mit dem Problem des lückenden Stromes befaßt, ist eine Regeleinrichtung für eine Stromrichteranordnung mit einem Stromregler und einer Einrichtung zur lückstromadaptierten Regelkreisparameteränderung in Abhängigkeit von einer vom Strom im Lückbereich abgeleiteten Größe, unter Verwendung eines Proportionalverstärkers mit während der Strompausen umgeschaltetem Verstärkungsfaktor bekannt. Um gleich gute regeldynamische Verhältnisse sowohl im nichtlückenden als auch im lückenden Bereich unabhängig von Art und Parametereinstellung des Stromreglers sowie von den vorgegebenen Optimierungsvorschriften zu erreichen, schlägt die bekannte Einrichtung als Lösung die Kombination der folgenden Merkmale vor:

a) der Proportionalverstärker ist dem Stromregler vor- oder nachgeordnet und die Umschaltung des Verstärkungsfaktors erfolgt derart, daß er während der Strompausen erhöht ist;

b) es ist ein dem Stromregler vor- oder nachgeordnetes Verzögerungsglied vorgesehen, das einen weiteren Verstärker aufweist, zu dessen Gegenkupplungswiderstand nur in den Strompausen ein Kondensator parallel geschaltet ist;

c) die Schaltbefehle für den Proportionalverstärker und das Verzögerungsglied sind vom Ausgangssignal eines mit einer stromproportionalen Eingangsgröße beaufschlagten Grenzwertmelders abgeleitet.