DE2852437C2 - Regelanordnung für einen Gleichstromantrieb mit elektronischer Kommutierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung für einen Gleichstromantrieb mit elektronischer Kommutierung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, aus der Zeitschrift »Elektrotechnik«, 54 Jg., Heft 11 vom 17. Juni 1972, Seiten 16—22 bekannten Art

Die bekannte Regelanordnung weist ais wesentliche Elemente einen an ein mehrphasiges Wechselstromnetz angeschlossenen netzseitigen Stromrichter und einen mit einem bürstenlosen Motor verbundenen motorseitigen Stromrichter auf. Ober den Zündwinkel des netzseitigen Stromrichters wird die Drehzahl des Antriebs und über den Zündwinkel des als elektronischer Kommutator wirkenden motorseitigen Stromrichters die Betriebsart des Antriebs als Motor oder Generator eingestellt

Beim Motorbetrieb, bei dem der Motor elektrische Energie aus dem Netz bezieht, arbeitet der netzseitige Stromrichter als Gleichrichter und der motorseitige Stromrichter als Wechselrichter. Im Generatorbetrieb, in dem der Motor elektrische Energie an das Netz abgibt (Nutzbremsbetrieb), wird der motorseitige Stromrichter als Gleichrichter und der netzseitige Stromrichter als Wechselrichter betrieben.

Durch geeignetes Umschalten der Betriebsarten werden die gewünschten Drehzahlen des Antriebs einreguliert Soll z. B. der Antrieb von einer höheren auf eine niedrigere Drehzahl eingestellt werden, so wird vom Motorbetrieb so lange auf den Generatorbetrieb geschaltet, bis die gewünschte niedrigere Drehzahl erreicht ist, und anschließend zu deren Aufrechterhaltung wieder in den Motorbetrieb geschaltet

Zu einer Änderung der Drehrichtung wird der Antrieb bis zum Erreichen der Drehzahl 0 im Generatorbereich betrieben und bei der Drehzahl 0 auf den Motorbetrieb bei entgegengesetzter Drehrichtung umgeschaltet.

Die Umschaltung zwischen den beideu Betriebsarten des Antriebs erfolgt dadurch, daß durch eine entsprechende Steuerung der Zündwinkel zuerst der als Gleichrichter arbeitende Stromrichter in den Wechselrichterbetrieb übergeführt und anschließend, nachdem der im Gleichstromzwischenkreis zwischen den beiden Stromrichtern fließende Gleichstrom im wesentlichen auf Null abgesunken ist, der anfänglich als Wechselrichter arbeitende Stromrichter in den Gleichrichterbetrieb übergeführt wird.

Da jedoch der Gleichstromzwischenkreis eine Drossel enthält, tritt eine erhebliche zeitliche Verzögerung auf, bis der Gleichstrom abklingt und die Umschaltung von einer Betriebsart auf die andere erfolgt. Diese zeitliche Verzögerung beim Umschalten wirkt sich in einem langsamen Ansprechen beim Ändern der Motordrehzahl und durch eine erhebliche Abweichung der Drehzahl vom Sollwert aus. Deshalb ist diese Regelanordnung nicht geeignet, bei Antrieben verwendet zu werden, bei denen eine hohe Drehzahlgenauigkeit gefordert ist

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Regelanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Ansprechzeit beim Umschalten zwischen den Betriebsarten verkürzt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei wird der anfänglich als Wechselrichter arbeitende Stromrichter bereits dann in den Gleichrichterbetrieb geschaltet, wenn die Klemmgleichspannung des zuerst umzuschaltenden, anfänglich als Gleichrichter arbeitenden Umrichters die Polarität wechselt, während der Gleichstrom noch im Gleichstromzwischenkreis fließt. Dabei werden Schaltzeiten von 50 ms erreicht.

In den Unteransprüchen 2 bis 8 sind vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Regelanordnung beschrieben. Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird dabei eine weitere Verkürzung der Ansprechzeit erreicht und durch die Ausgestaltung nach Anspruch 8 können Kommutationsfehler des motorseitigen Stromrichters verhindert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Regelanordnung für einen Gleichstromantrieb mit elektronischer Kommutierung;

F i g. 2A bis 2C jeweils eine Darstellung zur Veranschaulichung des Umschaltens des Antriebs nach F i g. 1 aus dem Motorbetrieb in den Generatorbetrieb;

F i g. 3A bis 3C jeweils eine Darstellung zur Veranschaulichung des Umschaltens des Antriebs nach F i g. 1 aus dem Generatorbetrieb in den Motorbetrieb;

F i g. 4 ein Blockschaltbild der in F i g. 1 dargestellten Steuerschaltung;

F i g. 5 eine Ausführungsform eines Drehzahlreglers A, eines Stromreglers B und einer Zündwickelsteuerung Centsprechend F i g. 4;

F i g. 6 eine Ausführungsform einer Steuereinheit D und einer Steuereinheit £ entsprechend F i g. 4;

F i g. 7 A bis 7 F jeweils eine Darstellung der Kennlinien von verschiedenen Teilen der Zündwinkelsteuerung C nach Fig.5;

F i g. 8 eine Darstellung der gemäß F i g. 5 und 6 erzeugten Ausgangssignale in Abhängigkeit von Änderungen des Betriebszustandes;

F i g. 9 eine zusätzlich mit einer Steuerlogik Fversehene Steuerschaltung (F i g. 1,4); F i g. 10 Einzelheiten der Steuerlogik Fnach Fig. 11; und

F i g. 11 eine weitere Ausführungsform der Zündwinkelsteuerung Cvon F i g. 4.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer Regelanordnung mit einer Steuerschaltung 25 für einen bürstenlosen Gleichstromantrieb mit elektronischer Kommutierung dargestellt. Hierzu gehören eine Dreiphasen-Stromquel-Ie bzw. ein Netz 1 und ein Dreiphasenmotor 22. Eine Gleichstromdrossel 5 und Stromrichter 20 und 21 bilden einen Gleichstrom-Frequenzwandler. Zwar sind diese Teile in F i g. 1 jeweils als durch einzelne Leitungen verbunden dargestellt, da es sich nur um eine schematische Darstellung der Schaltung handelt, doch bilden die Stromrichter 20 und 21 tatsächlich eine Grätz-Schaltung, und bei den Leitungen, die den Stromrichter 20 mit dem Netz 1 und den Stromrichter 21 mit dem Motor 22 verbinden, handelt es sich um Dreiphasenleitungen. Zu den weiteren Teilen der Schaltung nach F i g. 1 gehören ein Stromtransformator 2, ein Stromdetektor 8, ein Stellungsfühler 23 und ein Drehzahlfühler 7. Der Steuerschaltung 25 wird ein Drehzahl-Sollwert Sr von einer Drehzahl-Einstellschaltung 14 aus zugeführt, ferner ein Drehzahl-Istwert Sf von dem Drehzahlfühler 7 sowie ein Netzstrom-Istwert Ifb von dem Stromdetektor 8; hierbei handelt es sich um Eingangssignale zur Erzeugung von

Steuerspannungen V„ und V^, mittels welcher Zündschaltungen 9 und 24 gesteuert v/erden. Diese Zündschaltungen regeln die Steuerwinkel χ und β der Thyristor-Stromrichter 20 und 21 in Abhängigkeit von den Steuerspannungen V_c„ und Vcy/. Die Zündschaltungen 9 und 24 enthalten jeweils einen mit variabler Frequenz arbeitenden automatischen Impulsphasenschieber, der auf Null auf eine Nennfrequenz des bürstenlosen Motors anspricht. Die Zündschaltung 9 bestimmt auf nicht dargestellte Weise eine Zündzeit unter Verwendung der Spannung der Wechselstromquelle 1 als Bezugsphase, und die Zündschaltung 24 bestimmt eine Zündzeit unter Verwendung des Ausgangssignals des Stellungsfühlers 23 als Bezugsphase. Bei den Zündschaltungen 9 und 24 kann es sich um beliebige Schaltungen handeln, die es ermöglichen, einen Steuerungs-Nacheilwinkel λ und einen Steuerungs-Voreilwinkel β in einen Wechselrichterbetriebsbereich bzw. einen Gleichrichterbetriebsbereich in Abhängigkeit von den Steuerspannungen V_c,_t und V_c/? zu verlagern. Da die Schaltungen 9 und 24 auf beliebige Weise ausgebildet sein können, solange sie die genannte Aufgabe erfüllen, sind diese Schaltungen hier nicht im einzelnen dargestellt.

Der bürstenlose Gleichstromantrieb ist in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaut. Die Umschaltung des Antriebs vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb ist in F i g. 2A bis 2C dargestellt, während F i g. 3A bis 3C die umschaltung vom Generatorbetrieb in den Motorbetrieb zeigen. Beim Motorbetrieb nach F i g. 2A wird der Stromrichter 20 als Gleichrichter betrieben, um eine Ausgangsgleichspannung V, zu erzeugen, während der Stromrichter 21 als Wechselrichter mit einer Eingangsgleichspannung Vs\ betrieben wird, wobei V, ι größer ist als Vsh Somit wird dem Motor 22 Energie aus dem Netz 1 zugeführt.

Um eine Umschaltung auf den Generatorbetrieb durchzuführen, wird zuerst der Stromrichter 20 auf den Betrieb als Wechselrichter umgeschaltet, so daß er gemäß F i g. 2B eine Spannung V_a2 der entgegengesetzten Polarität liefert; nachdem bestätigt worden ist, daß die Gleichspannung des Stromrichters 20 als Spannung V„₂ die entgegengesetzte Polarität angenommen hat, wird der Stromrichter 21 auf den Betrieb als Gleichrichter umgeschalter, um gemäß F i g. 2C die Gleichspannung auf den Wert Vs₂ zu bringen, wobei diese Spannung der Spannung Vs ι entgegengesetzt ist, und wobei Vs₂ größer ist als V„₂. Somit ist eine Umschaltung auf den Generatorbetrieb herbeigeführt worden, bei dem die Richtung des durch die Gleichstromdrossel 5 fließenden Stroms unverändert bleibt, bei dem jedoch vom Motor 22 dem Netz 1 Energie zugeführt wird.

Wird dagegen eine Umschaltung aus dem Generatorbetrieb nach F i g. 3A auf den Motorbetrieb durchgeführt, wird der Stromrichter 21 auf den Betrieb als Wechselrichter umgeschaltet, so daß die Gleichspannung Vs₂ des Stromrichters 21 in die Spannung Vsι von entgegengesetzter Polarität verwandelt wird, wie es in Fig. 3B gezeigt ist; nachdem bestätigt worden ist, daß die Polarität der Gleichspannung des Stromrichters 21 umgekehrt worden ist, wird der Stromrichter 20 auf den Betrieb als Gleichrichter umgeschaltet, um seine Gleichspannung in die Spannung V,i zu verwandeln, die bezüglich ihrer Polarität der Spannung V„₂ entgegengesetzt ist, wie es in F i g. 3C gezeigt ist, wobei V,, größer ist als V₅,. Somit ist eine Umschaltung auf den Motorbetrieb durchgeführt worden, wobei die Richtung des Stroms unverändert bleibt, jedoch die Energie vom Netz 1 dem Motor 22 zugeführt wird.

Der erste Stromrichter, der vorher als Gleichrichter betrieben wurde, wird somit zuerst auf den Betrieb als Wechselrichter umgeschaltet, und dann wird der zweite Stromrichter, der zuvor als Wechselrichter arbeitete, auf den Betrieb als Gleichrichter umgeschaltet. Bei der Bedingung, unter welcher der zweite Stromrichter umgeschaltet wird, handelt es sich um die Umkehrung der Gleichspannung des ersten Stromrichters bzw. um die Verlagerung des Zündwinkels des ersten Stromrichters in den Wechselrichterbereich.
Die Steuerschaltung 25 wird im folgenden anhand von F i g. 4 näher erläutert.

Gemäß F i g. 4 benötigt die Steuerschaltung 25 den Netzstrom-Istwert I_FB, den Drehzahl-Sollwert 5« und den Drehzahl-Istwert S^aIs Eingangssignale, und sie führt die Steuerspannungen Vc und V₁-? der Zündschaltung 9 bzw. der Zündschaltung 24 zu. Die Steuerspannung V_c„ wird durch eine Schaltung erzeugt, zu der ein Drehzahlregler A in Form einer Kaskadenschaltung und ein Stromregler B gehören. Die Steuerspannung V_ca ist ein Signal zum Gewinnen eines Lastütroms (für den Motorbetrieb) bzw. eines Generationsstroms (für den Generatorbetrieb), das benötigt wird, urn die Drehzahl S>des Motors gleich dem Sollwert 5« zu machen. Die Steuerspannung V_C/iwird durch eine Zündwinkelsteuerung C erzeugt und regelt einen Zündwinkel β entsprechend der Motordrehzahl Sf- Die Steuereinheit D und £ erzeugen Umschaltsignale T_x und 7^ zum Umschalten zwischen dem

so Motorbetrieb und dem Generatorbetrieb.

Der AufDau der Steuer- bzw. Regeieinheiieii A, S und C ist aus F i g. 5 ersichtlich. Zu dem Drehzahlregler A gehören eine Drehzahl-Regelstufe 101, eine Inverterschaltung 102 und ein Umschalter 103, während zum Stromregier B eine Stromverarbeitungsschaltung 104 gehört Der Drehzahl-Regelsiufe 101 wird der Drehzahl-Sollwert Sr aus der Drehzahl-Einstellschaltung 14 und der Istwert S^aus dem Drehzahlfühlers 7 als Eingangssignale zugeführt, und diese Signale werden einer PI-Operation derart unterzogen, daß die Drehzahl des Motors gleich Sä wird.

Die Inverterschaltung 102 kehrt die Polarität des Ausgangssignals der Drehzahl-Regelstufe 101 um. Dem Umschalter 103 wird das Ausgangssignal der Drehzahl—Regelstufe 101 zusammen mit dem Ausgangssignal der Inverterschaltung 102 zugeführt, er läßt das Ausgangssignal der Drehzahl-Regelstufe 101 während der Wirkungszeit des Drehmoments in der Vorwärtsrichtung durch, wenn das Umschaltsigna! T_a ein !-Sigr.a! ist, während er das Ausgangssignal der Inverterschaltung 102 während der Wirkungszeit des Drehmoments in der Rückwärtsrichtung durchläßt, wenn das Umschaltsignal 7", ein 0-Signal ist Der Stromverarbeitunggsschaltung 104 werden das Ausgangssignal des Umschalters 103 und das Ausgangssignal Ifb des Stromdetektors 8 zugeführt und an diesen Signalen eine arithmetische Operation derart durchgeführt, daß ein die Drehzahldifferenz Sr-Sf anzeigender Strom fließt, um das Signal V_c, zu erzeugen. Wie im folgenden erläutert, regeln die Regeleinheiten A und B die Steuerspannung V₁, entsprechend der Differenz zwischen Sr und Spderart, daß der Stromrichter 20 als Gleichrichter betrieben wird, während das Drehmoment in der Vorwärtsrichtung wirkt, und daß der Stromrichter 20 im Wechselrichterbereich betrieben wird, während das Drehmoment in der Rückwärtsrichtung wirkt

Ist ζ. B. Vca größer als O, wird der Stromrichter im Gleichrichterbereich betrieben, und wenn V₁-, kleiner ist als 0, wird er im Wechselrichterbereich betrieben. Wird eine Beschleunigung in der Vorwärtsdrehrichtung als Vorwärtsdrehmoment definiert, ist auch eine Verzögerung in der Rückwärtsrichtung durch das Vorwärtsdrehmoment gegeben. Entsprechend handelt es sich bei einer Verzögerung in der Vorwärtsdrehrichtung und einer Beschleunigung in der Rückwärtsdrehrichtung um das Rückwärtsdrehmoment. Während der Wirkungszeit des Vorwärtsdrehmoments ist (Sr-Sf) größer als 0, und das Ausgangssignal der Drehzahl-Regelstufe 101 ist positiv, und während der Wirkungszeit des Rückwärtsdrehmoments ist (Sr-Sf) kleiner als 0, und das Ausgangssignal der Schaltung 101 ist negativ.

Andererseits gehören zu der Zündwinkelsteuerung C für den motorseitigen Stromrichter 21 eine Absolutwertschaltung 105, ein Schwellwertelement 106, eine Inverterschaltung 113, Vorspannschaltungen 109 und 110. Addierschaltungen 107 und 108, ein Umschalter 111 und eine Verarbeitungsschaltung 112. Das Ausgangssignal Sfdes Drehzahlfühlers 7 wird der Absoiutwertschaltung 105 zugeführt, die ein in F i g. 7A dargestelltes Absolutwertsignal I S_F I erzeugt. Das Schwellwertelement 106 erzeugt das Ausgangssignal Null, bis das Signal \S_F\ einen vorbestimmten Wert | Sfo | überschreitet, woraufhin es ein Signal mit dem Wert

Vo + k-\S_F\

erzeugt, wobei V₀ eine Konstante und k eine Proportionalitätskonstante ist. F i g. 7B zeigt eine Kennlinie des Schwellwertelements 106. Die Inverterschaltung 113 kehrt das Ausgangssignal des Schwellwertelements 106 um und erzeugt ein Signal mit dem Wert

-(V₀ +k- I Sf I),

das in F i g. 7C dargestellt ist. Die Vorspannschaltung 109 legt eine negative Spannung — V, an die Addierschaltung 107 an, während die Vorspannschaltung 110 der Addierschaltung 108 eine positive Spannung V₂ zuführt. Die Addierschaltung 107 addiert die betreffenden Ausgangssignale der Vorspannschaltung 109 und des Schwellwertelements 106 und erzeugt ein Signal mit dem Wert

Vo + k- \ S_F\-Vn

bei dem es sich um ein Eingangssignal für die Zündschaltung 24 handelt, wenn das Drehmoment in der Vorwärtsrichtung erscheint. Das Ausgangssignal der Addierschaltung 107 ist in F i g. 7 D dargestellt. Die Addierschaltung 108 addiert die Ausgangssignale der Vorspannschaltung 110 und der Inverterschaltung 113 und erzeugt ein Signal mit dem Wert

35 V₂- Vo-k- I Sf I

das der Zündschaltung 24 als Eingangssignal zugeführt wird, wenn das Drehmoment in der Rückwärtsrichtung erscheint. Dieses Ausgangssignal ist in F i g. 7 E dargestellt. Der Umschalter 111 sprichi auf das Vorwärts/Rückwärts-Drehmomentumschaltsignal Tßan, um das Ausgangssignai der Addierschaltung 107 während der Wirkung des Drehmoments in der Vorwärtsrichtung (Tß=l) und das Ausgangssignal der Addierschaltung 108 während der Wirkungszeit des Drehmoments in der Rückwärtsrichtung (Tj=O) durchzulassen. Die resultierende Kennlinie des Ausgangssignals des Umschalters 111 ist in Fi g. 7F dargestellt, in der die Abszisse den Absolutwert der Motordrehzahl und die Ordinate die Steuerspannung V_Cß darstellt. Während der Zündwinkel des Stromrichters 21 entsprechend V_cß bestimmt wird, besteht bezüglich der Beziehung des Zündwinkels zu V_Cß ein Unterschied zwischen der Vorwärtslaufperiode und der Rückwärtslaufperiode; hierauf wird im folgenden näher eingegangen. Bei der Vorwärtsdrehung entspricht die Spannung V^. die größer als 0 ist, einem Steuerungsvoreilwinkel ß= 180° (Steuerungsnacheilwinkel <*=0°) für den Stromrichter 21, und die Spannung V^, die kleiner ist als 0, entspricht ß=G, wobei «= 180°. Ist die Steuerspannung V_Cß positiv, wird somit der Stromrichter 21 als Gleichrichter betrieben, und wenn V_Cß kleiner als 0 ist, wird er als Wechselrichter betrieben. Wenn das Umschaltsignal Tß ein 1-Signal ist, um das Vonvärisdrehmomeni bzw. den Motorbetrieb zu wählen, wird der Stromrichter 21 als Wechselrichter betrieben, und wenn das Schaltsignal Tß ein 0-Signal ist, um das Rückwärtsdrehmoment bzw. den Generatorbetrieb zu wählen, wird er als Gleichrichter betrieben.

Beim Rückwärtslauf wird dagegen der Steuerungsnacheilwinkel oc durch V_Cß bestimmt Mit anderen Worten, wenn V_Cß größer ist als 0, wird der Stromrichter als Wechselrichter betrieben (90° <oc< 180°), und wenn V_Cß kleiner als 0 ist, wird er als Gleichrichter betrieben (0° <λ<90°). Ist 7>ein 1-Signal, damit der Vorwärts-Drehmomentbetrieb (Generatorbetrieb) mit dem Rückwärtslauf begonnen wird, wird das Ausgangssignal der Addierschaltung 107 veranlaßt, den Stromrichter 21 als Gleichrichter zu betreiben, und wenn Tß ein 0-Signal ist, damit der Rückwärts-Drehmomentbetrieb (Motorbetrieb) mit dem Rückwärtslauf begonnen wird, bewirkt das Ausgangssignai der Addierschaltung 108, daß der Stromrichter 21 als Wechselrichter betrieben wird.

Während das Signal | Sfo | auf 5 bis 10% einer Nenndrehzahl eingestellt ist, bewirkt der Stromrichter 21, der als Wechselrichter arbeitet, keine Kommutation, da in diesem Bereich niedriger Drehzahlen nur eine unzureichende gegenelektromotorische Kraft vorhanden ist. Daher ist im Stromkreis des Stromrichters 20 eine nicht dargestellte Zwangskommutationsschaltung bekannter Art vorhanden, damit ein intermittierender Strom zugeführt werden kann, um den Motor zu betätigen. Um das durch den Motor erzeugte Drehmoment auf einen Höchstwert zu bringen, damit eine schnelle Steigerung der Drehzahl erreicht wird, wird in diesem Fall der Zündwinkel β des Wechselrichters auf Null eingestellt. Die Verarbeitungsschaltung 112 arbeitet als eine Zeitverzögerungsschaltung erster Ordnung, die dann, wenn ihr ein sich plötzlich änderndes Eingangssignal zugeführt

wird, ein sich langsam änderndes Ausgangssignal erzeugt, um ein unerwünschtes fehlerhaftes Arbeiten der Zündschaltung zu verhindern.

Die Zündwinkelsteuerung Cdient dazu, einen Grenzwinkel entsprechend dem Drehzahl-Istwert Sfzu regeln. Der Drehzahlregler A, der Stromregler B und die Zündwinkelsteuerung C veranlassen somit den Umschalter 103, das Ausgangssignal der Drehzahl-Regelstufe 101 und der Umschalter 111 das Ausgangssignal der Addierschaltung 107 während des Vorwärtslaufs zu steuern, um V_CA bzw. V_cß zu erzeugen. Während der Wirkungszeit des Rückwärtsdrehmoments werden die Ausgangssignale der Inverterschaltung 102 und der Addierschaltung 108 so gesteuert, daß die Steuerspannungen V_M und V^ erzeugt werden. Die Schaltvorgänge der Umschalter 103 und 111 werden durch Γ, und 7> gesteuert, die durch eine in Fig.6 dargestellte logische Einrichtung erzeugt

ίο werden.

Gemäß F i g. 6 empfängt die Steuereinheit D für Τ_Λ das Ausgangssignal 7> der Steuereinheit E für 7> und die Steuerspannung V_c/), um das Umschaltsignal Τ_Λ zu erzeugen. Ist T, ein 1-Signal, steuert der Umschalter 103 das Ausgangssignal der Drehzahl-Regelstufe 101, und wenn 7?, ein 0-Signal ist, wird das Ausgangssignal der Inverterschaltung 102 gesteuert. Der Steuereinheit E für Tß wird das Geschwindigkeitsfehlersignal Tl zugeführt, bei dem es sich um das Ausgangssignal der Drehzahl-Regelstufe 101 handelt, ferner der Motordrehzahl-Istwert S_F, der Drehzahl-Sollwert Sr, die Steuerspannung V_n und die Steuerspannung V_Cß, so daß diese Signale einer logischen Operation unterzogen werden, um das Ausgangssignal Tj? zu erzeugen. Ist dieses Signal ein 1-Signal, steuert der Umschalter 111 das Ausgangssignal der Addierschaltung 107, und wenn es sich um ein 0-Signal handelt, wird das Ausgangssignal der Addierschaltung 108 gesteuert.

Bevor die Wirkungsweise der Schaltung erläutert wird, sollen die Elemente der Schaltung kurz beschrieben werden. Die Bezugszahlen 203,202,204,205 und 216 bezeichneten Inverterschaltungen, und Paare von komplementären Signalen werden durch Strichkodes, z. B. (T, T), (F, F), (B\, B\) und (B₂, B₂) bezeichnet. Die Bezugszahlen 210, 211, 212, 213 und 214 bezeichnen NOR-Schaltungen, von denen jede als Ausgangssignal ein 1-Signal erzeugt, wenn an sämtlichen Eingängen ein 0-Signal erscheint. Ein Umschalter 215, der durch das Ausgangssignal der NOR-Schaltung 212 gesteuert wird, gibt das Signal Tals Signal Tß weiter, wenn das Ausgangssignal der NOR-Schaltung 212 ein 1-Signal ist, und das Signal Γ, wenn es sich um ein 0-Signal handelt. Da in Fig.6 verschiedene Symbole erscheinen, sind die Bedeutungen dieser Symbole in der nachstehenden Tabelle näher erläutert.

Symbol Bedeutung

Γι Geschwindigkeitsfehlersignal T\—Sr-Sf

T Signal, das bei Drehmoment in Vorwärtsrichtung ein 1 -Signal ist

T Signal, das bei Rückwärtsrichtung des Drehmoments ein 1 -Signal ist

F Signal, das bei Vorwärtsdrehung ein 1 -Signal ist

F Signal, das bei Rückwärtsdrehung ein 1 -Signal ist

V_M Steuerspannung für den Stromrichter 20

A Signal, das ein 1 -Signal ist, wenn die Steuerspannung V_C!X unter der negativen Spannung ei

(Wechselrichterbereich) liegt

V_Cß Steuerspannung für den Stromrichter 21

Bi Signal, das ein 1 -Signal ist, wenn die Steuerspannung V_Cß über der positiven Spannung &2 (Gleichrichterbereich) liegt

B\ Umkehrung des Signals B\

B₂ Umkehrung des Signals B₂

B₂ Signal, das ein 1 -Signal ist, wenn d'e Steuerspannung V_Cß unter der negativen Spannung ez (Wechselrichterbereich) liegt.

Ein Impulsformer 201 diskriminiert die positiven bzw. negativen Ausgangssignale der Drehzahl-Regelstufe 101 und erzeugt das 1-Ausgangssignal Twährend der Wirkungszeit des Rückwärtsdrehmoments. Die Inverterschaltung 203 kehrt das Ausgangssignal des Impulsformers 201 um, so daß das 1-Ausgangssignal Γ während der Wirkungszeit des Vorwärtsdrehmoments erzeugt wird. Ein Speicher 206 nimmt die Signale Sf und Sr auf und erzeugt das 1 -Signal F während der Dauer der Vorwärtsdrehung. Beispielsweise geht das Signal F aus einem 1-Signal in ein 0-Signal über, wenn das Ausgangssignal Ss der Drehzahl-Einstellschaltung 14 aus einem positiven Signal in ein negatives Signal übergeht, und wenn der Absolutwert der Drehzahl Null erreicht; ferner geht das Signal F aus einem 0-Signal in ein 1-Signal über, wenn das negative Ausgangssignal der Drehzahl-Einstellschaltung 14 in ein positives Signal übergeht und der Absolutwert | S_F | der Drehzahl den Wert Null erreicht Die Inverterschaltung 202 kehrt das Ausgangssignal F des Speichers 206 um, so daß sie das Signal F abgibt Eine Detektorschaltung 207 spricht an, wenn das Ausgangssignal V_ca der Stromverarbeitungsschaltung 104 bis unter eine negative Spannung e, zurückgeht, um als Signal A ein 1-Signal zu erzeugen. Ist V_ca negativ, wird der Stromrichter 20 im Wechselrichterbereich betrieben. Somit bedeutet der Übergang des Signals A in ein 1 -Signal, daß der Stromrichter 20 aus dem Gleichrichterbetrieb in den Wechselrichterbetrieb umgeschaltet wird. Eine Detektorschaltung 208 spricht an, wenn das Ausgangssignal V^ der Verarbeitungsschaltung 112 über eine positive Spannung P₂ hinaus ansteigt, um als Signal B\ ein 1-Signal zu erzeugen Die Inverterschaltung 204 gibt das umgekehrte Signal B\ ab. Eine Detektorschaltung 209 spricht an, wenn das Ausgangssignal Vcß über eine negative Spannung d hinaus ansteigt um als Signal B₂ ein 1-Signal zu erzeugen. Die Inverterschaltung 205 gibt das umgekehrte Signal B₂ ab. Die Spannungen ei, ej und e3 werden so eingestellt, daß sie in der Nähe der Steuerspannung (0 Volt) liegen, und zwar entsprechend den Zündwinkeln χ und β von 90°, z. B. auf ± 0,5 V.

Eine logische Entscheidung wird auf der Basis der vorstehend genannten Eingangssignalc getroffen. Das Ausgangssignal k, der NOR-Schaltung 212 wird durch den nachstehenden logischen Ausdruck dargestellt, in dem a das Ausgangssignal der NOR-Schaltung 210 und b das Ausgangssignal der NOR-Schaltung 211 bezeichnen.

a = T+F+A + B\+B₂

= T- F ■ Ä ■ B\- B₂ (1)

b = T+F+A + B\+B₂

= T- F- Ä ■ Bi- B₂ (2)

it = a + b

= (T+ F+ Λ + ßi + B₂) · (T+ l· + A + B₁ + B₂) (3) S

Andererseits kann man Tk durch den nachstehenden logischen Ausdruck darstellen:

I T_x = Tß+Bi+Bi

' = (T_ß+ B₂) ß, (4)

In Fig.8 sind die verschiedenen Wellenformen dargestellt, die gemäß Fig.5 und 6 an den betreffenden Punkten auftreten, wenn eine Umschaltung zwischen dem Motorbetrieb und dem Generatorbetrieb herbeigeführt wird.

Zunächst sei die Wirkungsweise für den Fall erläutert, daß eine Umschaltung von der Betriebsart Sr S Sf auf die Betriebsart Sr< Sfim Zeitpunkt fi während des Vorwärtslaufs erfolgt. Da das Ausgangssignal Tder Inverterschaltung 213 während des Vorwärtslaufs ein 1-Signal ist, wie es sich aus der vorstehenden Tabelle ergibt, ist dieses Signal während einer Beschleunigung in der Vorwärtsrichtung ein 1-Signal, und zwar wenn Sr^Sf- Wird dieser Zustand im Zeitpunkt i2 wieder hergestellt, nimmt das Ausgangssignal Terneut den Wert 1 an. Während des Vorwärtslaufs ist das Signal Fein 1 -Signal.

Während des Motorbetriebs in der Vorwärtsrichtung vor dem Zeitpuntk fi sind die Sieuerspannungen V„ und ^l: V_Cß auf die Werte eingestellt, bei denen der Stromrichter 20 als Gleichrichter und der Stromrichter 21 als

Wechselrichter arbeitet. Mit anderen Worten, V_0x ist positiv und V_Cß ist negativ. Die Spannung V_n geht in eine negative Spannung über, wenn im Zeitpunkt fi das Signal Sr kleiner wird als Sf- Das Ausgangssignal der Drehzahl-Regelstufe 101 nach F i g. 5 geht in ein negatives Bezugsstromsignal über, so daß die Stromverarbeitungsschaltung 104 den Laststrom schnell verringert, um V_CA in ein Signal für den Wechselrichterbereich zu verwandeln, wobei V_CIt kleiner ist als 0. Andererseits wird V_Cß in ein Signal für den Gleichrichterbereich verwan-1; delt, bei dem V_Cß größer ist als 0; dies geschieht in der nachstehend erläuterten Weise.

^; i Der Zustand, bei dem V_Cß größer ist als 0, tritt auf, wenn das Signa! Tß gemäß F i g. 5 aus einem 1 -Signal in ein

; 0-Signal übergeht, um den Umschalter 111 zu veranlassen, das Ausgangssignal der Addierschaltung 108 weiter-

s zuleiten. Wie im folgenden anhand von F i g. 6 und 8 erläutert, wird Tß wie folgt umgewandelt:

R Wenn nach dem Zeitpunkt fi das Signal Sr kleiner wird als Sr, wird zuerst V_c., schnell negativ, um das

ψ. Wechselrichterbetriebssignal in der beschriebenen Weise zu erzeugen. Wird V_c, im Zeitpunkt t> kleiner als ^,

iv. wird das Signal A zu einem 1-Signal. Vor dem Zeitpunkt /3 bleibt V₁.^ negativ, und sowohl Bt als auch B₂ sind

I) O-Signale. Unter diesen Umständen ist das Ausgangssignal a der NOR-Schaltung 210 ein 1 -Signal, wenn alle fünf

|'f Eingangssignale T F, Ä, B\ und B₂ 1-Signale sind, wie es sich aus der Gleichung (1) ergibt. Mit anderen Worten,

ψ_: das Ausgangssignal »1« wird während einer Zeitspanne zwischen dem Übergang des Ausgangssignals Γ der

i* Inverterschaltung 203 aus einem 1-Signal in ein 0-Signal und dem Übergang des Ausgangssignals A der

Vi Detektorschaltung 207 aus einem 0-Signal in ein 1-Signal erzeugt, wenn vom Betrieb im Vorwärtslauf mit einem

g Vorwärts-Drehmoment auf den Betrieb mit einem Rückwärts-Drehmoment übergegangen wird. Diese Zeit-

B spanne entspricht gemäß F i g. 8 der Zeitspanne zwischen fi und ί>

p Andererseits ist das durch die Gleichung (2) bestimmte Ausgangssignal b der NOR-Schaltung 211 ein 0-Signal,

% da ein Eingangssignal F ein 0-Signal ist, solange der Motor in der Vorwärtsrichtung läuft. Daher ist das

[| Ausgangssignal k der NOR-Schaltung 212 ein 0-Signal nur während der Zeitspanne (t\ — f₃), während welcher

% das Ausgangssignal der NOR-Schaltung 210 ein 1 -Signal ist.

la Bei dem Umschalter 215 nach F i g. 6 ist das Ausgangssignal Tgleich Tß, wenn k=\, und das Ausgangssignal T

|v ist gleich Tß, wenn Jt=O. Ist dagegen Jt=I, bevor der Zeitpunkt ii erreicht ist, ist das Ausgangssignal Γ ein

fc 1 -Signal, und wenn zwischen f 1 und f3 das Signal Jt den Wert N ull hat, ist das Ausgangssignal Tein 1 -Signal. Daher ω

fe wird das Ausgangssignal Tß nur dann zu einem 0-Signal, wenn im Zeitpunkt h der Zustand k= 1 wieder

p hergestellt wird. Infolgedessen läßt der Umschalter 111 das Ausgangssignal der Addierschaltung 108 durch, um

ϊξ V_Cß schnell in den Gleichrichterbereich zu verlagern.

ä Wenn in der beschriebenen Weise Ss kleiner wird als Sr und wenn V_c., abnimmt, um in den Wechselrichterbe-

M reich überzugehen, ändert sich das Ausgangssignal Tß so, daß V_cß in den Gleichrichterbereich eintritt Wenn sich

•| V_Cß nach dem Zeitpunkt f₃ ändert, werden auch die Ausgangssignale Si und B₂ der Schaltungen 208 und 209

§ geändert, denen V^aIs Eingangssignal zugeführt wird, so daß in den Zeitpunkten /5 und ti jeweils ein 1-Signal

Das andere Umschaltsignal Τ_Λ wird in Abhängigkeit von den Signalen B₁, B₂ und Tß so erzeugt, daß der Umschalter 103 dann, wenn sich aus der Gleichung (4) ein O-Signal ergibt, das Ausgangssignal der Inverterschaltung 102 durchläßt Gemäß der Gleichung (4) tritt die Bedingung, daß T_a =0 jeweils auf, wenn Bß= 0 und Ji = 1 (d. h. wenn 7>= 1 und B₂=X) und wenn B\ = 0 (d. h. wenn Bi = 1). Gemäß F i g. 8 ist B\ im Zeitpunkt is ein 1 -Signal, so daS T_x ein O-Signal wird, um das Ausgangssignal der Inverterschaltung 102 durchzulassen. In diesem Zeitpunkt ist das Ausgangssignal der Inverterschaltung 102 positiv, das es sich um die Umkehrung des negativen Ausgangssignals (Sr—Sf<0) der Geschwindigkeits-Verarbeitungsschaltung 101 handelt Die Stromverarbeitungsschaltung 104 erzeugt die Steuerspannung V^, die bewirkt daß der in dem System fließende Strom Ifb gleich einem Sollwert wird (Ausgangssignal der Inverterschaltung 102). V_0x ist in diesem Zeitpunkt negativ, und

ίο daher wird der Stromrichter 20 als Wechselrichter betrieben. Für diesen Zeitpunkt ist das Steuerverf aliren beim Generatorbetrieb in Fig.2C dargestellt; der Stromrichter 20 wird als Wechselrichter betrieben, damit der Strom Ifb gleich dem Sollwert wird, der von Sr-Sf in der Stromverarbeitungsschaltung 104 abhängt, da der Gleichstrom /durch die Differenz Kf 2—Sa₂ der Spannungen an den betreffenden Stromrichtern bestimmt wird.

Im folgenden wird anhand von F i g. 8 die Umschaltung vom Vorwärtslauf im Generatorbetrieb auf den Motorbetrieb erläutert Es sei angenommen, daß infolge des Generatorbetriebs, bei dem der Stromrichter 21 als Gleichrichter und der Stromrichter 20 als Wechselrichter arbeitet, Sf abgenommen hat, und daß im Zeitpunkt t₂ die Bedingungen Sr>Sf eingetreten ist In diesem Fall wird zuerst der Stromrichter 21 auf den Betrieb als Wechselrichter und dann der Stromrichter 20 auf den Betrieb als Gleichrichter umgeschaltet, um auf den Motorbetrieb überzugehen.

Vor dem Zeitpunkt t₂ ist das Ausgangssignal der NOR-Schaitung 212 ein I-Signal, und der Umschalter 2!5 erzeugt das O-Ausgangssignal Tals Signal Tp. Da 7^=0, wird das Ausgangssignal der Addierschaitung 108 durchgelassen, so daß der Stromrichter 21 als Gleichrichter betrieben wird. Im Zeitpunkt t₂, wenn die Bedingung Sä > S_F erfüllt wird, geht das Ausgangssignal Tder Inverterschaltung 203 in ein 1 -Signal über, so daß 7> zu einem 1-Signal wird. Daher wird V^ schnell negativ, und der Wechselrichterbetrieb beginnt. Während sich V^ ändert gehen die Signale B\ und B₂ in den Zeitpunkten f6 und t» jeweils in ein 0-Si^nal über. Das durch die Gleichung (4) dargestellte Signal Γ wird zu einem 1-Signal, wenn mindestens eines der Signale Tß und B₂ ein 1-Signal ist und wenn Si ein 1-Signal ist. Diese Bedingung wird erfüllt, sobald der Zeitpunkt fs erreicht wird, in dem die Steuerspannung V^?für den vorher als Gleichrichter betriebenen Stromrichter 21 in den Wechselrichterbereich verlagert wird. (V^< £3). Nachdem bestätigt worden ist daß V_Cß in den Wechselrichterbereich verlagert worden ist, geht T_x in ein 1-Signal über, und der Umschalter 103 läßt das Ausgangssignal der Drehzahl-Regelstufe 101 durch, so daß V« bestimmt wird. Nach der Umschaltung wird der Gleichstrom / in Abhängigkeit von der Differenzspannung Κ,ι — Ks 1 bestimmt wie es in Fig.3C gezeigt ist. V_cx wird in den Gleichrichterbereich verlagert, um den Strom Ifb so zu regeln, daß er gleich dem durch Srsf bestimmten Sollwert wird.

Irr. folgenden wird der Rückwärtslauf des Motors betrachtet. Wenn die Bedingung Sr<0 im Zeitpunkt f9 erfüllt wird, geht das Signal T, das während der Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärtsrichtung ein 1-Signal ist, in ein 0-Signal über. Das Signal F, das bei positiver Geschwindigkeit ein 1-Signal ist, geht im Zeitpunkt fio in ein 0-Signal über, da sich die Drehzahl verringert, und es bleibt während des Rückwärtslaufs als 0-Signal erhalten. Da die Drehzahldifferenz Sr—Sf negativ wird, wird V_c„ schnell negativ, um in den Wechselrichterbereich einzutreten. Die Änderungen der Signale T, Fund V_c.» sind in diesem Fall ziemlich die gleichen wie bei der Erfüllung der Bedingungen Sr—Spim Zeitpunkt fi, und die übrigen Signale V_Cß, A, B\ und B₂ ändern sich in der gleichen Weise, wie sie sich nach dem Zeitpunkt fi änderten, als vom Motorbetrieb in der Vorwärtsrichtung auf den Generatorbetrieb übergegangen wurde. Mit anderen Worten, V_n, wird negativ gemacht, um den Stromrichter 20 als Wechselrichter zu betreiben, und sobald bestätigt worden ist, daß V_ca negativ geworden ist, wird V_Cß positiv gemacht, um den Stromrichter 21 als Gleichrichter zu betreiben.

Auf diese Weise wird die Verzögerung in der Vorwärtsdrehrichtung herbeigeführt, und nach dem Zeitpunkt fio beginnt der Rückwärtslauf. Bekanntlich ist es erforderlich, die Phasenfolge des Motors zu ändern, um vom Betrieb in der Vorwärtsrichtung auf den Betrieb in der Rückwärtsrichtung überzugehen. Zu diesem Zweck kann man die Zündfolge des motorseitigen Stromrichters 21 ändern; dies wird mit Hilfe der Zündschaltung 24 bewirkt. Da der Stromrichter 20 als Wechselrichter und der Stromrichter 21 als Gleichrichter betrieben wird, ist vor dem Zeitpunkt fio die Steuerspannung V_c,, negativ, während V_cg positiv ist. Um die Drehrichtung des Motors umzukehren, muß der Stromrichter 20 als Gleichrichter betrieben werden (V_cx>0), und der Stromrichter 21 muß als Wechselrichter betrieben werden (V_Cß<0). Dies geschieht, um den Stromrichter 21 als Wechselrichter zu betreiben, wenn V_cß>0 und als Gleichrichter, wenn V_Cß<0 ist, und zwar im Rückwärtslaufbereich (Sf<0). Die Zündschaltung arbeitet auf nicht dargestellte Weise so, daß auf den Gleichrichterbetrieb übergegangen wird, wenn beim Vorwärtslauf V_Cß> 0 ist, auf den Wechselrichterbetrieb, wenn beim Vorwärtslauf V_Cß< 0 oder beim Rückwärtslauf V_Cß>0 ist und auf den Gleichrichterbetrieb, wenn beim Rückwärtslauf V<^<0 ist. In der Praxis kann in Abhängigkeit von der Umkehrung des Drehzahl-Istwertes Sf der Steuerungsnacheilwinkel λ entsprechend der Größe von V_Cß geregelt werden, statt daß der Steuervoreilwinkel ^ entsprechend der Größe von V_Cß geregelt wird. Daher ändert sich V_Cß im Zeitpunkt fio nicht, doch wird der Stromrichter 21 in diesem Zeitpunkt auf den Betrieb als Wechselrichter umgeschaltet. Im Zeitpunkt fio wird V_m automatisch in den Gleichrichterbereich verlagert, da der Gleichstrom /durch die Differenz zwischen den Spannungen an den beiden Stromrichtern bestimmt wird, und daher folgt die Steuerspannung V₁ > der Änderung an dem Stromrichter 21, damit der Strom entsprechend der Drehzahl in den Regeleinheiten A und B zur Verfügung gestellt wird. Da der Stromrichter 21 als Wechselrichter betrieben wird, wird Κ·.ι notwendigerweise in den Gleichrichterbereich verlagert. Auf diese

bs Weise wird die Drehrichtung des Motors umgekehrt, und der Motor wird in der Rückwärtsrichtung beschleunigt, wobei ein in der Rückwärtsrichtung wirkendes Drehmoment erzeugt wird.

Im folgenden wird auf die Verzögerung bzw. das Abbremsen beim Rückwärtslauf im Zeitpunkt fn eingegangen. In diesem Zeitpunkt ist das Signal T, das während der Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärtsrich-

tung ein 1-Signal ist, ebenfalls ein 1-Signal. Als Vorwärtsdrehmoment wird ein Drehmoment in der Beschleunigungsrichtung des Motors bei dessen Vorwärtslauf bezeichnet, und daher ist beim Rückwärtslauf des Motors ein in Verzögerungsrichtung wirkendes Drehmoment ein in der Vorwärtsrichtung wirkendes Drehmoment Daher ist das Signal Tnur zwischen in und tu ein 1-Signal. Das Signal F, das beim Vorwärtslauf ein 1-Signal ist, ist über den gesamten Bereich während des Rückwärtslauf ein O-SignaL Mit dem Rückwärtslauf im Generatorbetrieb wird in Abhängigkeit davon begonnen, daß die Bedingungen | Sr \ < \Sf\ erfüllt wird. Zuerst ändert sich das Ausgangssignal der Drehzahl-Regelstufe 101, und V_M wird negativ, damit der Stromrichter 20 als Wechselrichter betrieben wird. Zwischenn fo und in ist das Signal A ein 1-Signal, während V_C1< ei ist Dagegen ist V_cß positiv, und daher haben die beiden Signale B\ und B₂ den Wert 1. Unter diesen Umständen hat das Ausgangssignal b der NOR-Schaltung 211, das durch die Gleichung (2) dargestellt wird, den Wert 1, da T, F, A, B\ und B₂ alle den Wert 1 haben, und der Wert 1 zwischen dem Zeitpunkt i_n, in dem die Geschwindigkeit geändert wurde, bis zum Zeitpunkt tn aufrechterhalten, in dem die Bedingung V_n,<ei erfüllt wird. Die NOR-Schaltung 212 erzeugt eir 1-Ausgangssignal nur dann, wenn die Ausgangssignale der beiden NOR-Schaltungen 210 und 211 jeweils O-Signale sind, und daher hat das genannte Signal zwischen den Zeitpunkten in und tn den Wert 0. Da zwischen t\ ι und fi2 das Ausgangssignal Tein 1 -Signal ist ist gemäß F i g. 6 das Ausgangssignal Tj ein 1 -Signal, wenn das Ausgangssignal k der NOR-Schaltung 212 ein 1-Signal ist. Da nach dem Zeitpunkt fi3 das Ausgangssignal k der NOR-Schaltung 212 ein 1 -Signal ist, wird das Ausgangssignal 7> zu einem 1 -Signal, und der Umschalter 111 gibt das Ausgangssignal der Addierschaltung 107 als V₁^ weiter. Da das Ausgangssignal der Addierschaltung 107 negativ ist, ist auch V_c/? negativ, und der Stromrichter 21 wird schnell auf den Gleichrichterbetrieb umgeschaltet. Da Vq#negativ ist, werden Äi und 5? zu 0-Signalen.

Wenn schließlich im Zeitpunkt t\₂ wieder eine Umschaltung auf den Motorbetrieb erfolgt ist das Ausgangssignal T ebenso wie das Ausgangssignal Tß ein 0-SignaI, und V_Cß ist positiv, so daß der Stromrichter 21 auf den Betrieb als Wechselrichter umgeschaltet wird. Sobald V_cj positiv wird, werden ßi und B₂ zu 1 -Signalen. Zwischen den Zeitpunkten i₎₂ und fis ist das Ausgangssignal der NOR-Schaltung 213 ein 1-Signal, und im Zeitpunkt f₎₅ wird T_x auf »0« zurückgesetzt. Daher läßt der Umschalter 103 das Ausgangssignal der Inverterschaltung 102 durch, und V_0x wird positiv. Danach wird der Stromrichter 20 als Gleichrichter betrieben.

Wie aus dem in F i g. 8 dargestellten Zeitplan ersichtlich ist, findet jeder Umschaltvorgang statt nachdem bestätigt worden ist daß die Steuerspannung für den Stromrichter, der vorher als Gleichrichter betrieben wurde, in den Wechselrichterbereich verlagert worden ist. Mit anderen Worten, wenn der Stromrichter 20 als Gleichrichter betrieben wurde, wird die Bedingung V_cx<e\ durch das Signal A bestätigt, und dann wird das Umschaltsignals Tß geändert, und zwar für den Vorwärtslauf von 1 nach 0 und für den Rückwärtslauf von 0 nach 1, und wenn der Stromrichter 21 als Gleichrichter betrieben wurde, wird die Bedingung V_Cß<ei durch das Signal B₂ bestätigt, und dann wird das Umschaltsignal T_x geändert, und zwar für den Vorwärtslauf von 0 nach 1 und für den Rückwärtslauf von 1 nachO.

Im folgenden wird auf zwei Weiterbildungen der Erfindung eingegangen. Die eine Weiterbildung ist auf eine schnelle Änderung der Steuerspannung V_ot gerichtet. Fig.9, die Fig.4 entspricht, zeigt eine schematische Darstellung dieser Weiterbildung. Gemäß F i g. 9 werden einer Steuerlogik Ffür V_c> die Eingangssignale T,F,B\, B₂ und ha zugeführt, so daß Schaltsignale F_x und F₁? dem Stromregler B zugeführt werden, dem auch ein Drehzahl-Absolutwertsignal | Sf\ zugeführt wird. Bei den Signalen Sf, F, Bu B₂ und Tkann es sich um die den Steuereinheiten D und E usw. zugeführten Signale handeln. F i g. 10 zeigt eine Ausführungsform des Stromreglers B und der Steuerlogik F. Dem Stromregler B wird ähnlich wie bei der Anordnung nach F i g. 4 der Stromverarbeitungsschaltung 104 das Ausgangssignal des Umschalters 103 und das Ausgangssignal Ifb des Stromdetektors 8 zugeführt woraufhin diese Signale verarbeitet werden, um einen Strom bereitzustellen, der die Drehzahldifferenz Sr—Sf repräsentiert, woraufhin die Steuerspannung V_c.\ erzeugt wird, die der Zündschaltung 9 zugeführt wird. Im folgenden wird die Wirkungsweise der zusätzlich vorhandenen Steuerlogik Ferläutert.

Um zu erreichen, daß der Kleinstwert des Ausgangssignals der Stromverarbeitungsschaltung 104 der Drehzahl des Motors entspricht, wird das Ausgangssignal | Sf\ der Absolutwertschaltung 105 der Steuerlogik F zugeführt. Um die Umschaltzeit zu verkürzen, werden außerdem die beiden nachstehend beschriebenen Signale der Stromverarbeitungsschaltung 104 zugeführt. Die Zufuhr des einen Signals erfolgt von einer Vorspannschaltung 117 aus über einen Analogschalter 115, der geschlossen wird, wenn der Betrieb während des Vorwärtslaufs von der Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärtsrichtung auf die Erzeugung eines Drehmoments in der Rückwärtsrichtung oder beim Rückwärtslauf von der Erzeugung eines Drehmoments in der Rückwärtsrichtung auf die Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärtsrichtung umgeschaltet wird, und das zweite Signal wird von einer Vorspannschaltung 116 aus über einen Analogschalter 114 zugeführt, der geschlossen wird, wenn der Betrieb beim Vorwärtslauf von der Erzeugung eines Drehmoments in der Rückwärtsrichtung auf die Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärtsrichtung oder beim Rückwärtslauf von der Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärtsrichtung auf die Erzeugung eines Drehmoments in der Rückwärtsrichtung umgeschaltet wird. Diese beiden Signale dienen dazu, die Steuerspannung V_CA schneller zu ändern, als es einer Zeitkonstante der Stromverarbeitungsschaltung 104 entspricht, wenn das Drehmoment umgeschaltet wird.

Zunächst wird im folgenden die Erzeugungsfunktion F für die Schaltsignale F, und Fp erläutert. Zu der Schaltung nach F i g. 10 gehören NOR-Schaltungen 218, 219, 220 und 221, UND-Schaltungen 223, 224 und 225, eine ODER-Schaltung 222, eine Inverterschaltung 227 und eine Verzögerungsschaltung 226. Das Signal F^ wird erzeugt, venn eine der NOR-Schaltungen 218 und 219 ein 1-Ausgangssignal erzeugt. Jeder der NOR-Schaltungen 218 und 219 liefert ein 1-Signal, wenn sämtliche Eingangssignale 0-Signale sind. Zwar sind die Veränderungen der Signale an verschiedenen Punkten in Fig. 12 in Abhängigkeit von der Zeit nicht dargestellt, doch sind diese Veränderungen für alle Eingangssignale aus F i g. 8 ersichtlich, und daher wird im folgenden auf F i g. 8 Bezug genommen. Die NOR-Schaltung 218, der die Eingangssignale Ti, Fund Si zugeführt werden, erzeugt ein 1-Signal, wenn der Betrieb während des Vorwärtslaufs von der Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärts-

richtung auf die Erzeugung eines Drehmoments in der Rückwärtsrichtung umgeschaltet wird (im Zeitpuntk ii oder fe), wie es in F i g. 9 gezeigt ist, d. h. während der Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt ft, in welchem das Ausgangssignal Tder Inverterschaltung 213 aus einem 1 -Signal in ein O-Signal übergeht, und dem Zeitpunkt fs, in welchem das Ausgangssignal B₁ der Detektorschaltung 208 aus einem O-Signal in ein 1-Signal übergeht Der NOR-Schaltung 219 werden die Eingangssignale T, Fund B₂ zugeführt, so daß ein 1-Signal erzeugt wird, wenn der Betrieb beim Rückwärtslauf von der Erzeugung eines Drehmoments in der Rückwärtsrichtung auf die Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärtsrichtung (im Zeitpunkt in) umgestellt wird, d. h. während der Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt in, in welchem das Ausgangssignal Tder Inverterschaltung 213 aus einem O-Signal in ein 1-Signal übergeht, und dem Zeitpunkt Ue, in welchem das Ausgangssignal B₂ der Inverterschaltung 205 aus einem 1-Signal in ein O-Signal übergeht Die ODER-Schaltung 222 erzeugt das 1-Signal F& wenn das Ausgangssignal der NOR-Schaltung 218 oder 219 ein 1 -Signal ist, um den Schalter 115 zu schließen, damit die Steuerspannung Vc der Stromverarbeitungsschaltung 104 seinen Kleinstwert annimmt, um den Stromrichter 20 auf den Betrieb als Wechselrichter umzuschalten, in diesem Zeitpunkt erzeugt die Vorspannschaltung 117 ein negatives Vorspannsignal. Der UND-Schaltung 223 werden die Signale T, Fund Bi zugeführt, so daß ein 1-Signal während der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₂ und fe erzeugt wird, während welcher der Betrieb im Vorwärtslauf von der Erzeugung eines Drehmoments in der Rückwärtsrichtung auf die Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärtsrichtung umgestellt wird. Der UND-Schaltung 224 «,-erden die Signale T, Fund B\ zugeführt, damit ein 1-Signal während der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t\₂ und fa erzeugt wird, während welcher der Betrieb im Rückwärtslauf von der Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärtsrichtung auf die Erzeugung eines Drehmoments in der Rückwärtsrichtung umgestellt wird. Der NOR-Schaltung 220 werden die Ausgangssignale der UND-Schaltungen 223 und 224 zugeführt, so daß ein O-Signal nur während der Zeitspannen zwischen den Zeitpunkten t₂ und r₈ sowie fi2 und fts erzeugt wird. Die Verzögerungsschaltung 226 verzögert das Ausgangssignal der NOR-Schaltung 220 um die Zeitspanne Td. Die Inverterschaltung 227 kehrt das Ausgangssignal der NOR-Schaltung 220 um, so daß ein 1-Signal erscheint, wenn dos Ausgangssignal der NOR-Schaltung 220 ein 0-Signal ist Der NOR-Schaltung 221 werden die Ausgangssignale der Verzögerungsschaltung 226 und der Inverterschaltung 227 zugeführt, um ein 1-Signal zu erzeugen, wenn beide Eingangssignale 0-Signale sind. Wird der Betrieb im Vorwärtslauf von der Erzeugung eines Drehmoments in der Rückwärtsrichtung auf die Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärtsricntung umgestellt erzeugt somit die NOR-Schaltung 221 das 1-Signal im Anschluß an den Zeitpunkt f₈ wäh-end der Zeitspanne Γα wenn das Ausgangssignal B₂ aus einem 1-Signal in ein O-Signal übergeht. Wird der Betrieb beim Rückwärtslauf von der Erzeugung eines Drehmoments in der Vorwärtsrichtung auf die Erzeugung eines Drehmoments in der Rückwärtsrichtung umgestellt, erzeugt die NOR-Schaltung 221 das 1-Signal nach dem Zeitpunkt fis während der Zeitspanne to, wenn das Ausgangssignal B₁ aus einem 0-Signal in ein 1-Signal übergeht. In der vorstehenden Beschreibung bezeichnen die Zeitpunkte (8 und fis die Zeitpunkte, in denen V_0x aus dem Wechselrichterbereich hin den Gleichrichterbereich zurück verlagert wird, wie es aus F i g. 8 ersichtlich ist Der UND-Schaltung 225 werden die Ausgangssignale der NOR-Schaltung 221 und der Detektorschaltung 227 zugeführt, so daß das 1-Signal F_x nur während der Zeitspanne Td erzeugt wird, und wenn I_Vß unter dem Bezugswert e< liegt um den Schalter 114 zu schließen, damit eine positive Vorspannung der Stromverarbeitungsschaltung 104 zugeführt wird, so daß das Ausgangssignal V_c, der Stromverarbeitungsschaltung 104 schnell zunimmt und eine schnelle Umschaltung des Stromrichters 20 auf den Betrieb als Gleichrichter bewirkt wird. Ist lffi> e₄, wird die schnelle Zunahme von V_0x (Zwangssteuerung) verhindert. Dies hat seinen Grund darin, daß die Spannung an dem Stromrichter 20 hinreichend höher ist als die Spannung an dem Stromrichter 21, und daß der Stromrichter 20 im Gleichrichterbereich arbeitet, so daß keine weitere Ausübung eines Zwangs erforderlich ist. Auf diese Weise bewirken das Ausgangssignal F₁Sder ODER-Schaltung 222 und das Ausgangssignal F_x der UND-Schaltung 225, daß die Umstellung des Drehmoments schnell abläuft, d. h. nicht von den Zeitkonstanten der Drehzahl-Regelstufe 101 und der Stromverarbeitungsschaltung 104 abhängt so daß eine weitere Abkürzung der Umschaltzeit erreicht wird.

Ferner ist ein Funktionsgenerator 302 vorhanden, dessen Ausgangssignal den Absolutwert | Sf | der Drehzahl anzeigt, und ein Minimalwertgenerator 303 erzeugt ein Signal, das verhindert, daß V_0x unter einen bestimmten Wert zurückgeht, damit verhindert wird, daß der Motorbetrieb infolge der schnellen Verringerung von V_m

so unstabil wird.

F i g. 11 zeigt eine andere Weiterbildung, die geeignet ist, Kommutationsfehler bei dem Stromrichter 21 zu verhindern. Die Zündwinkelsteuerung C nach F i g. 4 bestimmt den Steuervoreüwinkel β entsprechend der tatsächlichen Drehzahl Sf- Gemäß F i g. 11 ist der Steuervoreüwinkel β in Abhängigkeit vom Laststrom beim Motorbetrieb bzw. vom Generatorstrom beim Generatorbetrieb variabel, so daß unter allen Betriebsbedingungen ein optimaler Steuervoreüwinkel erreicht wird.

Zu der Schaltung nach Fig. 11 gehören Analogschalter 118 und 119 sowie Inverterschaltungen 120 und 121. Der Schalter 118 wird während des Motorbetriebs (Vorwärtsdrehmoment beim Vorwärtslauf oder Rückwärtsdrehmoment beim Rückwärtslauf) geschlossen, um das Strom-Istwertsignal /rader Addierschaltung 107 und das Signal — Ifb, das durch die Inverterschaltung 120 umgekehrt worden ist, der Addierschaltung 108 zuzuführen.

Der Schalter 119 wird während de.« Generatcrbetriebs (Rückwärtsdrehmoment beim Vorwärtslauf oder Vorwärtsdrehmoment beim Rückwärtslauf) geschlossen, um das Stromsignal Ifb der Addierschaltung und das Signal — /fs. das durch die Inverterschaltung 121 umgekehrt worden ist, der Addierschaltung 107 zuzuführen. Auf diese Weise wird das Ausgangssignal V^ der Verarbeitungsschaltung 112 entsprechend dem Strom geändert, um den Steuervoreüwinkel β des Stromrichters 21 so zu vergrößern, daß ein Versagen der Stromrichter 20 und 21 bezüglich der !Commutation verhindert wird.

Im folgenden wird die Verbesserung der Kennlinie nach F i g. 7F durch die Schaltung nach F i g. 11 erläutert. Beim Motorbetrieb in der Vorwärtsrichtung wird der Schalter 118 geschlossen, und der Umschalter 111 steuert das Ausgangssignal der Addierschaltung 107, um die positive Vorspannung zur Wirkung zu bringen. Daher wird

die Kennlinie in der Richtung von a parallel verlagert, wenn der Strom Ifb zunimmt Beim Generatorbetrieb in der Vorwärtsrichtung wird der Schalter 119 geschlossen, und der Umschalter 111 steuert das Ausgangssignal der Addierschaitung 108, um die positive Vorspannung zur Wirkung zu bringen. Daher wird die Kennlinie parallel zu der Richtung b verlagert, wenn der Stroi j Ifb zunimmt. Beim Motorbetrieb im Rückwärtslauf wird der Schalter 118 geschlossen, und der Umschalter ill steuert das Ausgangssignal der Addierschaltung 108, um die negative s Vorspannung zur Wirkung zu bringen. Daher wird die Kennlinie gemäß F i g. 7F in Richtung des Pfeils c parallel verlagert Beim Generatorbetrieb im Rückwärtslauf wird der Schalter 119 geschlossen, und der Umschalter 111 steuert das Ausgangssignal der Addierschaltung 107, um die negative Vorspannung zur Wirkung zu bringen. Daher wird die Kennlinie in Richtung des Pfeils d parallel verlagert

Nachdem bestätigt worden ist daß die Steuerspannung des einen Stromrichters in den Wechselrichterbereich io verlegt worden ist wird gemäß der vorstehenden Beschreibung der andere Stromrichter auf den Betrieb als Gleichrichter umgeschaltet Man kann dies durch ein anderes Signal ersetzea das der Steuerspannung gleichwertig ist Beispielsweise kann man ein Signal überwachen, das durch eine direkte Erfassung des Zündwinkels gewonnen wird: gemäß einem weiteren Beispiel kann man die Polaritätsumkehr der Gleichspannung an dem Stromrichter als Triggersignal benutzen, um den anderen Stromrichter auf den Betrieb als Gleichrichter umzu- 15 schalten, da keine wesentliche zeitliche Verzögerung zwischen der Steuerspannung und der Stromrichterspannung auftritt

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

20

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Regelanordnung für einen Gleichstromantrieb mit elektronischer Kommutierung, mü

— einem netzseitigen Stromrichter (20),

— einem Gleichstromzwischenkreis,

— einem motorseitigen Stromrichter (21),

— einem Motor (22),

— einem Drehzahlregler (A), der in Abhängigkeit von einem Drehzahl-Sollwert (Sp) und einem Drehzahl-Istwert (Sf) ein Ausgangssignal erzeugt,

— einem Stromregler (B), der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Drehzahlreglers (A) und einem Netzstrom-Istwert (Ifb) eine netzseitige Steuerspannung (Ve») erzeugt,

— einer netzseitigen Zündschaltung (9), die die Zündwinkel des netzseitigen Stromrichters (20) in Abhängigkeit von der netzseitigen Steuerspannung (V_n) steuert,

— einer Zündwinkelsteuerung (C) und einer motorseitigen Zündschaltung (24), die die Zündwinkel des

motorseitigen Stromrichters (21) in Abhängigkeit von der Stellung des Läufers des Motors (22) steuern,

gekennzeichnet durch

2c — eine erste Steuereinheit (E), die ein erstes Umschaltsignal (Tp) erzeugt,

— wenn entweder die netzseitige Steuerspannung (V_n) dem Wechselrichterbetrieb des netzseitigen Stromrichters (20) entspricht und das Drehmoment am Motor (22) bei Vorwärtslauf rückwärts gerichtet ist, oder

— wenn die netzseitige Steuerspannung (V_n) dem Gleichrichterbetrieb des netzseitigen Stromrichters (20) entspricht und

das Drehmoment am Motor (22) bei Rückwärtslauf rückwärts gerichtet ist,

— eine zweite Steuereinheit (D), die ein zweites Umschaltsigna! (Τ_Λ) erzeugt,

— wenn entweder eine der motorseitigen Zündschaltung (24) zuzuführende motorseitige Sieuerspannung (V_c/), die in Abhängigkeit vom Drehzahl-Istwert (Sf) in der Zündwinkelsteuerung (C)gebildet

wird, dem Gleichrichterbetrieb des motorseitigen Stromrichters (21) und die netzseitige Steuerspannung (V_n) dem Wechselrichterbetrieb des netzseitigen Stromrichters (20) bei Vorwärtslauf des Motors (22) entspricht, oder

— wenn die motorseitige Steuerspannung (V_cp) dem Wechselrichterbetrieb des motorseitigen Stromrichters (21) und die netzseitige Steuerspannung (V„) dem Gleichrichterbetrieb des netzseitigen Stromrichters (20) bei Rückwärtslauf des Motors (22) entspricht,

— einen ersten Umschalter (103), der beim Anliegen des zweiten Umschaltsignals (T_x) die netzseitige Steuerspannung (V_n) in einen Bereich schaltet, der dem Gleichrichterbetrieb des netzseitigen Stromrichters (20) entspricht und

— einen zweiten Umschalter (111), der beim Anliegen des ersten Umschaltsignals (Tp) die motorseitige Steuerspannung (V_cp) in einen Bereich schaltet, der dem Gleichrichterbetrieb des motorseitigen Stromrichters (21) entspricht.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Betriebsarten der Stromrichter (20, 21) in Abhängigkeit von den Zündwinkeln des netzseitigen Stromrichters (20) und den Zündwinkeln des motorseitigen Stromrichters (21) erfolgt.

3. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Betriebsarten der Stromrichter (20, 21) in Abhängigkeit von der netzseitigen Steuerspannung (V_c,) und der motorseitigen Steuerspannung (V_cj) erfolgt.

4. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Betriebsarten der Stromrichter (20, 21) in Abhängigkeit von den jeweiligen Spannungen an den jeweiligen Gleichspannungsseiten der Stromrichter (20,21) erfolgt.

5. Regelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

— eine Steuerlogik (F), die bei einem Wechsel der Drehmomentrichtung Schaltsignale (F_x, Fp) erzeugt, und durch

— Schalter (114,115), die beim Anliegen eines Schaltsignals (F_x, Fp) der Stromregelspannung (aus 104) im

Stromregler (B) eine Vorspannung aufprägen, die eine schnelle Änderung der netzseitigen Steuerspannung (V_n) bewirkt (F i g. 9,10)

6. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlregler (A) eine Drehzahlregelstufe (101) enthält, deren Ausgangssignal direkt und invertiert dem ersten Umschalter (103) zugeführt ist (F ig. 5).

7. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Umschalter (111) der über ein Schwellwertelement (16) geführte Absolutwert des Drehzahl-Istwertes (Sf) direkt und invertiert jeweils nach Addition eines Vorspannwertes zugeführt ist (F i g. 5).

8. Regelanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Netzstrom-Istwert (Ifb) über

stromrichtungsabhängige Schalter (118, 119) jeweils direkt und invertiert als weiterer Summand dem Absolutwert des Drehzahl-Istwertes (Si) hinzuaddiert wird (F ig. 11)-