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Verfahren und Schaltungsanordnung zur Steuerung oder Rege-
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lung von Drehfeldmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Steuerung oder Regelung von Drehfeldmaschinen, die eine Stator- und Rotor-Drehstromwicklung
aufweisen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich
weiterhin auf eine Drehfeldmaschinen-Schaltungsanordnung für die Steuerung oder
Regelung von Betriebszuständen mit unterschiedlichen Drehzahlen, insbesondere auf
eine drehzahlgeregelte Antriebseinrichtung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
7.
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Verfahren und Schaltungsanordnungen der vorgenannten Art sind bekannt
aus der DE-OS 24 13 266 sowie aus A.Läuger, Proceedings of the 2nd IFAC-Symposium,
Düsseldorf 1977, 5. 619 bis 626, Pergamon Press 1977. Es handelt sich hierbei um
dpppeltgespeiste, d.h. über die Stator- und Rotorwicklung leistungaufnehmende oder-abgebende
Drehfeldmaschinen, die sich im wesentlichen entsprechend wie Synchronmaschinen verhalten
und gelegentlich auch als solche oder als kommutatorlose Gleichstrommaschinen bezeichnet
werden. Gegenüber einem Betrieb als Induktionsmaschine besteht der Unterschied darin,
dass Frequenz und Drehsinn des Rotor-Drehfeldes nicht durch Schlupf gegenüber dem
Stator-Drehfeld, sondern durch Ein-
prägung von aussen bestimmt
sind. Die als vorzeichengerechte Differenz zwischen eingeprägt er Stator- und Rotor-Drehfeldfrequenz
gegebene Drehzahl bzw. Drehfrequenz kann daher als die jeweilige Synchrondrehzahl
aufgefasst werden. Im übrigen sind Stator- und Rotorwicklung auch hier hinsichtlich
des Leistungsaustausches gleichwertig und können daher vertauscht werden, sofern
die damit verbundene Drehrichtungsänderung des Rotors berücksichtigt wird. Gleichzeitige
Drehsinnumkehr von Stator- und Rotor-Drehfeld (bezüglich der betreffenden Wicklung)
bedeutet also Drehsinnumkehr des Rotors (bezüglich der Umwelt), d.h. mechanische
Drehrichtungsumkehr.
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Bei den bekannten Verfahren und Schaltungsanordnungen der vorgenannten
Art werden Stator- und Rotorwicklung mit Drehfeldern gleichen Drehsinnes betrieben,
also beide rechtsläufig oder beide linksläufig, so dass die mechanische Drehrichtung
(Rotor-Drehsinn bezüglich Umwelt) bei überwiegendem Betrag der Stator-Drehfeldfrequenz
gleich dem Drehsinn des Statorfeldes und bei überwiegendem Betrag der Rotor-Drehfeldfrequenz
entgegengesetzt zum Drehsinn des Rotorfeldes und damit wiederum entgegengesetzt
zum Drehsinn des Statorfeldes ist. Die Maschine läuft also bei überwiegender Statorfrequenz
mit dem Statorfeld und bei überwiegender Rotorfrequenz gegen das Statorfeld. In
Anlehnung an den letztgenannten Fall wird die gesamte vorliegende Betriebsart gelegentlich
auch als gegensynchron bezeichnet. Wie eine Bilanz von Stator-, Rotor- und Wellenleistung
zeigt, ist der Leistungsfluss zwischen Statorwicklung und zugehöriger Quelle einerseits
sowie Rotorwicklung und zugehöriger Quelle andererseits bei dieser Betriebsart immer
entgegengesetzt gerichtet, so dass sich bei Leistungsrückführung über eine
Kaskadenschaltung
üblicher Art eine Zirkulation einer der beiden Leistungen ergibt. Mechanische Leistungsabgabe
(Motorbetrieb) ist demgemäss bei entsprechender Frequenzsteuerung eines Drehfeldes
zwischen Stillstand und Maximaldrehzahl möglich, wobei die veränderliche Frequenz
im ganzen Verstellbereich grösser als die festgehaltene Frequenz ist.
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Dies ermöglicht eine Kaskadenschaltung mit unmittelbarem Netzanschluss
einer Wicklung und Netzanschluss der anderen Wicklung über einen maschinenseitig
frequenzgesteuerten Umrichter, beispielsweise einen Zwischenkreis-Umrichter, wobei
infolge der vergleichsweise hohen veränderlichen Frequenz immer ausreichende Spannung
der betreffenden Wicklung für eine Fremdführung, insbesondere Maschinenführung (maschinenseitige
Kommutierung) zur Verfügung steht. Als Nachteilig ist anzusehen, dass für die Maximaldrehzahl
ein vergleichsweise hoher Betrag der veränderlichen, im allgemeinen mittels eines
Stromrichters erzeugten Drehfeldfrequenz erforderlich ist. Dies hat erhöhten Aufwand
hinsichtlich der Stromrichterventile sowie u.U. der Zündsteuerung zur Folge. Ausserdem
muss dieser Stromrichter, wie die Leistungsbilanz dieser Betriebsart zeigt, für
die Summe von Stator-und Rotorleistung ausgelegt sein, was insbesondere bei hohen
Frequenzen aufwendig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens und
einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art, mit der bei gleicher Festfrequenz
und Maximaldrehzahl ein niedrigerer Maximalwert der veränderlichen Frequenz ausreicht.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch die im Patentanspruch
1 bzw. im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmale. Hierbei wird also inner-
halb
des gesamten Drehzahlbereiches bei einer vorgegebenen Grenzdrehzahl von einer Betriebsart,
die dem bekannten gegensynchronen Lauf entspricht, zu einer Betriebsart umgeschaltet,
die üblicherweise als übersynchroner Lauf bezeichnet wird und bei entsprechender
Einstellung der Leistungsflüsse ebenfalls Motorbetrieb ermöglicht. Die Rotor-Drehrichtung
bleibt dabei infolge der Drehsinnumschaltung eines Drehfeldes, vorzugsweise des
Festfrequenz-Drehfeldes, unverändert, während die Frequenz des anderen Drehfeldes
herabgesetzt und für eine weitere Drehzahlerhöhung von dem niedrigeren Umschaltwert
wieder erhöht wird. Damit ergibt sich für die Maximaldrehzahl eine vergleichsweise
niedrige Drehfeldfrequenz. In der zweiten Betriebsart mit gegensinnigen Drehfeldern
im Stator und Rotor ergibt sich im übersynchronen Betrieb eine Leistungsbilanz mit
gleichsinnigem Leistungsfluss in Stator und Rotor, so dass die mechanische Leistung
der Summe beider Drehfeldleistungen entspricht und bei Kaskadenschaltung eine Leistungszirkulation
entfällt. Wenn also eine der Wicklungen unmittelbar und die andere über einen Umrichter
am Netz liegt, so ist letzterer nur für einen Bruchteil der mechanischen Leistung
auszulegen.
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Ferner wird zweckmässig die obere Grenze des ersten Drehzahlbereiches
so gelegt, dass vor der Umschaltung der Betrag der jeweils grösseren Drehfeldfrequenz
ausreichend höher als der doppelte Betrag der jeweils kleineren Drehfeldfrequenz
liegt.
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Dann ergibt sich nach dem Umschalten für die herabgesetzte Frequenz
ein Betrag entsprechend einer ausreichenden Wicklungsspannung für die Fremdführung
bzw. Maschinenführung des Stromrichters. Es wird also der Vorteil der Vermeidung
von
selbstgeführten bzw. zwangskommutierten Stromrichtern mit ihrem
hohen Schaltungsaufwand erhalten. Eine Drehrichtungsänderung kann in vorteilhaft
einfacher Weise durch Drehsinnumkehr beider Felder erreicht werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierin zeigt: Fig. 1 das
Prinzipschema einer Drehfeldmaschinen-Schaltungsanordnung mit Doppel speisung und
Drehsinnumschaltung eines Feldes, Fig. 2 ein'Diagramm des Drehmomentes M über der
auf die Statorfrequenz fST bezogenen Drehfrequenz n mit den verschiedenen möglichen
Betriebsarten einer doppelt gespeisten Drehfeldmaschine, Fig. 2a und 2b je für eine
Drehrichtung ein Diagramm der Stator- und Rotorspannung UST, URO über der Drehfrequenz
fn mit Betriebsartumschaltung an der Grenze zwischen zwei Drehzahlbereichen I und
II, Fig. 3 und 4 je ein Diagramm der Rotor- bzw. Statorspannung über der Drehfrequenz
f mit Betriebsartumschaltung n und Drehrichtungsumschaltung für variable Rotorfrequenz
bzw. Statorfrequenz, Fig. 5 das Prinzipschema einer Schaltungsanordnung nach der
Erfindung mit Umrichterkaskade und Drehzahlsteuerung,
Fig. 6a und
6b jeweils ein Schema der Leistungsbilanz in.
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beiden Drehzahlbereichen bzw. Betriebsarten für eine Schaltungsanordnung
nach Fig. 5 und Fig. 7 das Wirkschaltbild einer erfindungsgemässen Schaltungsanordnung
mit Drehzahl-Regelkreis und verschiedenen Hilfsregelkreisen.
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In den Ausführungsbeispielen ist der Uebersichtlichkeit halber im
allgemeinen eine feste Statorfrequenz in Verbindung mit variabler Rotorfrequenz
angenommen. Nicht nur können diese Verhältnisse grundsätzlich umgekehrt werden,
vielmehr ist gegebenenfalls milch ein Betrieb mit Veränderung oder Umschaltung beider
Drehfeldfrequenzen möglich, etwa im Interesse bestimmter Drehzahl- und Frequenzabstufungen,
z.B. mit Hilfe von polumschaltbaren Wicklungen u. dgl.. Ferner ist es grundsätzlich
möglich, etwa im Bereich des Drehzahl-Nulldurchganges, zusätzlich andere als die
beiden hauptsächlich vorgesehenen Betriebsarten bzw.
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Leistungsbilanzen einzustellen oder zu durchlaufen. Wesentlich ist
in jedem Fall der Uebergang von einer Betriebsart mit gleiehsinnigen zu einer solchen
mit gegensinnigen Drehfeldern.
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Nach Fig.-l ist eine doppelt gespeiste Drehfeldmaschine DM statorseitig
über eine Drehsinn-Umsteuereinrichtung DUS mit einer Drehstromquelle DQS und rotorseitig
mit einer Drehstromquelle DQR verbunden. Die in der Statorwicklung WST herrschende
Drehfeldfrequenz fST wird mit der in einem Drehzahl-Messglied M ermittelten Drehzahl
bzw. der Drehn frequenz f in einem Rotorfrequenz-Messglied MfRo zur Rotor-
frequenz
RO überlagert und zur Synchronisierung des in der Rotorwicklung WRO herrschenden
Drehfeldes verwendet. Die Betriebsartumschaltung wird in Abhängigkeit von der Drehfrequenz
fn durch eine Drehzahlbereichs-Umschalteinrichtung BU mittels eines Bereichs-Umsteuersignals
5u ausgelöst. Die Abhängigkeit zwischen s und f ist schematisch innerhalb u n des
Blockes dieser Umschalteinrichtung angedeutet, und zwar mit einer Hystereseschleife
zur Vermeidung hoher Schaltfrequenzen im Uebergangsbereich.
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In Fig. 2 entsprechen die Bereiche A und D der Betriebsart mit gleichsinnigen
Drehfeldern, wobei A für aufgenommene mechanische Leistung (Bremsbetrieb) und D
für abgegebene mechanische Leistung (Motorbetrieb) gilt. Die Bereiche B und E gelten
für gegensinnige Drehfelder mit mechanischer Leistungsabgabe in B und mechanischer
Leistungsaufnahme in E. Die Bereiche C und F entsprechen der im vorliegenden Fall
verwendeten zweiten Betriebsart, ebenfalls mit gegensinnigen Drehfeldern, jedoch
mit bezüglich der Statorfrequenz höherer Rotorfrequenz im motorischen Bereich C
und im wesentlichen auch im generatorischen Bereich F. Wenn von der Drehsinn-Umschaltung
des Statorfeldes der UebersichtlichkeitXhalber abgesehen wird, so entspricht der
Uebergang von der ersten in die zweite Betriebsart beim Hochlaufen im Motorbetrieb
einem Uebergang aus dem Bereich D in den Bereich C. Der Betriebspunkt wandert also
beim Hochlaufen zunächst im Bereich D von rechts nach links und sodann im Bereich
C von links nach rechts.
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In Fig. 2a und 2b sind die Verhältnisse im einzelnen dargestellt,
und zwar einschliesslich der für die Frequenzen fS
fRO und f geltenden,
jeweils Betrag und Drehsinn wiedergebenn den Zeiger und ihrer Verknüpfung im Sinne
der Schlupfgleichung fn = fST fRO Im Drehzahlbereich I entsprechend dem Betriebszustand
D gemäss Fig. 2 innerhalb der Betriebsart A/D variiert die Drehfrequenz zwischen
den Werten fnl und fn2 wobei im letztgenannten Bereich die Umschaltung in den Drehzahlbereich
II mit Uebergang zum Betriebszustand C gemäss Fig. 2 innerhalb der Betriebsart C/F
erfolgt. Diese Umschaltung erfolgt mit ausreichendem Abstand oberhalb einer Drehfrequenz
- fns bei welcher die Rotorfrequenz dem doppelten Betrag der Statorfrequenz entspricht.
Die Rotorspannung URO geht also bei der Umschaltung nur auf einen endlichen Wert
zurück, der dem Kommutierungsspannungsbedarf eines speisenden Stromrichters entspricht.
Anschliessend steigt die Rotorspannung mit steigender Rotorfrequenz und steigendem
Drehzahlbetrag wieder an. Weiter ist angedeutet, dass der Bereich I den Stillstand
übergreift, was eine für manche Anwendungen zweckmässige Erweiterung des Betriebszustandes
darstellt. Hier ist der Betrag der Rotorfrequenz kleiner als derjenige der Statorfrequenz,
beide Drehfelder sind aber gleichsinnig.
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In Fig. 2b sind die entsprechenden Verhältnisse mit Drehrichtungsumkehr
angedeutet.
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In Fig. 3 und 4 ist die Abhängigkeit der Rotorspannung URO bzw. der
Statorspannung UST von der Drehfrequenz f jeweils für feste Statorfrequenz f und
veränderliche Rotorfrequenz ST bzw. umgekehrt für feste Rotorfrequenz fR0 und veränderliche
Statorfrequenz mit Drehrichtungsumschaltung im Stillstand und
hystereseartiger
Ueberlappung der Drehzahlbereiche I und II angedeutet. Die Gleichartigkeit der Verhältnisse
unter Berücksichtigung der Drehrichtungsumkehr für Vertauschung von Stator und Rotor
sind aus dieser Darstellung ersichtlich.
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Mit ansteigendem Betrag der Drehfrequenz erfolgt die Umschaltung von
I nach II jeweils bei einem Drehfrequenz-Grenzwert, der - wie durch die Umschaltpfeile
angedeutet - höher liegt als der Drehfrequenz-Grenzwert für den umgekehrten Uebergang
von II nach I. Bei einer Drehzahlsteuerung oder Drehzahlregelung im Uebergangsbereich
mit Drehzahlschwankungen innerhalb der Hysteresebreite wird dadurch ein unerwünscht
häufiges Umschalten zwischen beiden Bereich vermieden und damit ein gleichmässiger
Steuer- bzw. Regelvorgang gewährleistet.
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Bei der Ausführung nach Fig. 5 wird die statorseitige Drehstromquelle
DQS durch ein Drehstromnetz N und die rotorseitige Drehstromquelle DQR durch einen
in Kaskade an das Netz angeschlossenen Zwischenkreis-Umrichter mit maschinenseitigem
Stromrichter SRM, Zwischenkreis Z und netzseitigem Stromrichter SRN gebildet. Wie
durch Pfeile schematisch angedeutet, erfolgt die Taktung der beiden Stromrichter
vom Drehstromkreis des Rotors bzw. vom Netz aus. Damit ist der Synchronbetrieb entsprechend
der Schlupfbeziehung f = fST f n ST fRO selbsttätig erfüllt. Für die Aenderung der
Drehzahl über die Rotorfrequenz ist eine schematisch angedeutete Frequenz steuereinrichtung
SFR vorgesehen, die - wie noch näher gezeigt wird - als Drehzahlregelkreis ausgestaltet
sein kann.
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In Fig. 5 sind ZählpReile für die Netzleistung PN, die Statorleistung
P1, die Rotorleistung P2 und die mechanische Wellen-
leistung Pn
eingetragen. Bei dieser Vorzeichenübereinkunft hat die Statorleistung jeweils bei
einer Drehrichtung, die gleichsinnig zum Statorfeld als positiv gerechnet wird,
gleiches Vorzeichen und damit bezüglich der Maschine umgekehrte Richtung in Bezug
auf die Wellenleistung. Ferner hat die Rotorleistung bei positivem Vorzeichen der
Differenz fST r f gleiches Vorzeichen, also bezüglich der Maschine umgekehrte Richtung
in Bezug auf die Statorleistung.
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Damit ergeben sich für die Drehzahlbereiche I und II im Motorbetrieb
gemäss Fig. 6a bzw. Fig. 6b die dort durch Richtungspfeile angegebenen Leistungsflussrichtungen
innerhalb der graphisch veranschaulichten Leistungsbilanzen. Im Bereich I ergibt
sich demgemäss eine von der Maschine abgegebene, also negative Statorleistung P1,
die über das Netz N und den Zwischenkreis-Umrichter SRN, Z, SRM zurück zur Maschine
zirkuliert. Ausserdem überträgt der Umrichter innerhalb der von ihm getragenen,
der Maschine zufliessenden und daher negativen Rotorleistung P2 einen Leistungsanteil,
welcher der Netzleistung PN und der Wellenleistung P entspricht. Im Beispielsfall
mit einem angenommenen Wert n fST rRO = 2 muss der Umrichter also für die doppelte
Wellenleistung dimensioniert sein. Ein solcher Wert wird erfindungsgemäss praktisch
nicht erreicht, weil vorher der Uebergang zum Bereich II mit Umkehrung des Drehsinnes
mittels der Umsteuereinrichtung DUS erfolgt. In diesem Bereich sind die Leistungen
P1 und P2 gleichsinnig zur Maschine hin gerichtet, so dass der Stromrichter mit
P2 nur einen Bruchteil der Netzleistung PN und damit der Wellenleistung Pn übertragen
muss, während der restliche Teil unmittelbar vom Netz über die Maschine in Wellenleistung
umgesetzt wird. Im
angenommenen Beispiel mit fST - fR0 = -1 entspricht
also die Rotor- und Umrichterleistung nur der halben Netz- und Wellenleistung.
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Die Schaltung nach Fig.7 stellt eine Weiterbildung der schematisch
in Fig.5 wiedergegebenen Anordnung mit Drehzahlregelung Stromregelung dar, hier
beispielsweise mit dem Umrichterstrom, und zwar speziell dem Zwischenkreisstrom
I , als HilSsregelgrösse. Hierfür ist ein Sollwert-Istwertvergleicher SIV1 mit nachgeordnetem
Regler R1 sowie einem Steuersatz ZP N für die Erzeugung der Zündimpulse des netzseitigen
Stromrichters SRN vorgesehen. Zur netz synchronen Taktung steht ZP N ferner in Steuerverbindung
mit dem Netzanschluss von SRN. Gleiches gilt im übrigen für den Steuersatz ZPM von
SRM mit Bezug auf den Rotor-Drehstromkreis.
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Der überlagerte Drehzahl-Regelkreis weist einen Sollwert-Istwertvergleicher
SIV2 mit nachgeordnetem Umpolschalter SI1 für das Stellgrössensignal bzw. die Sollwert-Istwertdifferenz
sowie mit nachfolgendem Regler R2 auf, welch letzterer die Führungsgrösse des unterlagerten
Stromregelkreises an SIV1 liefert. Die Drehfrequenz f als Regelgrösse bzw. Istwertn
signal wird in einer die Schlupfbeziehung realisierenden Messschaltung Mfn, die
mit fST und fR0 beaufschlagt wird. Ein willkürlich steuerbarer Drehzahl-Sollwertgeber
GS liefert ein posin tives Betragssignal an SIV2, während eine Drehrichtungsumkehr
durch ein willkürliches Richtungssignal r über eine Drehrichtungs-Umschalteinrichtung
RU zur Vorzeichenumkehr an SI1 eingeleitet wird. Dieses Signal gelangt auch zur
Drehsinn-Umsteuereinrichtung DUR von SRM in der Synchronsteuerverbindung zur rotorfrequenten
Taktung dieses Stromrichters über ZP M sowie
ferner zu einem dem
Betriebsart- bzw. Drehzahlbereichs-Umschalter BU nachgeordneten Umpolschalter SI2
zur gleichzeitigen Umkehr beider Drehfelder. Innerhalb von RU ist eine Auslösesperre
mit einem Grenzwert schalter Gr und einer Logikschaltung LO vorgesehen, mittels
deren ein Umsteuerbefehl bei zu grossen Drehzahlwerten bis zu einer ausreichenden
Drehzahlabsenkung auf einen den Stillstand einschliessenden Bereich blockiert wird.
Die Umschaltung zwischen den Drehzahlbereichen bzw. Betriebsarten I und II erfolgt
mittels BU in Abhängigkeit von n über die im Schaltungsblock von BU angedeutete
Funktion des Umschaltsignals s von u Für den Stromrichter SRM ist ferner ein Ventilschonzeit-Hilfsregelkreis
mit einem Sollwert-Istwertvergleicher SIV3 und Regler R vorgesehen, dessen Stellgrössensignal
st auf 3 ZPM einwirkt. Die Regelgrösse tist der Ventilschonzeit wird über eine Messschaltung
Mt vom Stromrichter SRM abgeleitet, der Sollwert t von aussen vorgegeben. Wesentlich
ist eine über ein Summierglied SU dem Stllgrössensignal st überlagerte oder auch
in nicht dargestellter Weise den Sollwert erhöhende Störgrössenaufschaltung, die
hier zu einer bezüglich des Ventilstromes oder einer zugeordneten Grösse gleichsinnigen
Veränderung der Schonzeit führt. Vorteilhaft ist vielfach insbesondere eine Abhängigkeit
der Schonzeit gleichsinnig zu einer dem Ventilstrom oder einer entsprechenden Grösse
zeitlich nachgebend, d.h. differentiell, zugeordneten Grösse. Im Beispiel ist 1
als den Ventilstrom abbildende Grösse verwendet. Es kann z aber auch in nicht näher
dargestellter Weise mit Hilfe einer ganz entsprechenden Störgrössenaufschaltung
eine gegensinnige Abhängigkeit der Schonzeit von der Ventil-Sperrspannung oder einer
zugeordneten Grösse erreicht werden.
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Endlich ist im Beispiel ein Feldschwächungs-Hilfsregelkreis mit einem
Sollwert-Istwertvergleicher SIV4 und Regler R4 sowie mit einem richtungsabhängigen
Begrenzungsglied GF vorgesehen. Das Stellgrössensignal sF dieser Regelung wird durch
Vergleich einer der Umrichterspannung zugeordneten Regelgrösse Uist mit einem vorgegebenen
Grenzwert U erzeugt und in GF g in ein modifiziertes Stellgrössensignal 5Fm umgesetzt,
das nur im positiven Bereich von sF wirksam ist. Der Eingriff in die hier zur Feldschwächung
unterlagerte Schonzeit- bzw.
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nun Löschwinkelregelung erfolgt durch Ueberlagerung von 5Fm additiv
in SIV4 und/oder über eine Dioden-Prioritätsschaltung DP mittels des Summiergliedes
SU der Strom-Störgrössenaufschaltung.
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Diese Hilfsregelkreise ermöglichen in ihrer Kombination, gegebenenfalls
für geringere Anforderungen aber auch jeweils für sich in Verbindung mit einer Drehzahlregelung
oder -steuerung einen störungsfreien Betrieb unter den verschiedenen Einsatzbedingungen.