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Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl eines
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Gleichstrommotors in beiden Richtungen Die Erfindung bezieht sich
auf das Gebiet der Elektrotechnik und ihre Anwendung ist in Einrichtungen mit Gleichstromumkehrantrieben,
insbesondere bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, möglich und zweckmäßig.
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In Schaltungsanordnungen zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors
in beiden Richtungen erfolgt das direkte Ansteuern des Motors bzw. das Zuschalten
der Betriebsspannung über steuerbare Halbleiterelemente. Bei der Verwendung von
Thyristorumkehrstromrichtern in Brückenschaltung können die Thyristoren in Antiparallel
oder Kreuzschaltung angeordnet sein, und es ist ständig erforderlich, den Motor
über die Stromrichtergruppen zu betreiben. Dabei bestimmt der Aqittelwert der Stromrichterausgangsspannung
die Drehzahl und Drehrichtung des Motors.
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Zu diesem Zweck werden sowohl kreisstromfrei arbeitende als auch kreisstrombehaftete
Umkehrstromrichteranordnungen in den Regelkreisen verwendet.
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Aus der DT-AS 20 17 791, H Q2p 7/24 ist die Lösung einer Regeleinrichtung
für einen Stromrichterantrieb im kreisstromfreier Gegenparallelschaltung bekannt,
die einen Stromregler mit mindestens einem I-Glied für die Stromrichtergruppen beider
Drehmomentenrichtungen enthält. Zur Verkürzung der Anregelzeit nach der Umschaltung
von einer Stromrichtergruppe auf die andere wird der Stromreg-ler so ausgebildet,
daß er beim Absinken des Stromistwertes unterhalb eines als Stromansprechgrenze
einstellbaren Wertes eine wesentlich kürzere Integrationszeit als bei einem Stromistwert
oberhalb dieses Wertes aufweist. Dem Stromreg-ler ist weiterhin eine Umschalteinrichtung
zugeordnet, die die Integrationskonstante des I-Gliedes beim Über- oder Unterschreiten
der Stromansprechgrenze durch den Stromistwert ändert. Die Umschalteinrichtung selbst
besteht aus einem Komparator oder einem als Komparator geschalteten Verstärker sowie
einem elektronischen Schalter, der vom Komparator bzw. vom Verstärker aus gesteuert
wird.
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Der Komparator arbeitet so, daß eine der einstellbaren Stromansprechgrenze
entsprechende Spannung und eine dem Istwert entsprechende Spannung zugeführt wird
und beim Über- oder Unterschreiten der Stromansprechgrenze durch den Stromistwert
in jedem Falle eine Änderung des Ausgangssignales des Komparators erfolgt Kritisch
bei dieser Anordnung ist die Anregel- oder Totzeit beim Umschalten von einer Stromrichtergruppe
auf die andere, da in dieser Zeit die Anordnung führungslos arbeitet.
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Die daraus entstehenden Fehler bei der Regelung können zu unzulässig
großen Stromspitzen führen.
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In der bekannten Anordnung kann dieser Mangel nur durch einen größeren
Aufwand beim Aufbau des Stromreglers in Verbindung mit dem Komparator verringert
werden.
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Bei der Erfassung des Istwertes des Motor ankers tromes wird nur ein
Signal bei Erreichen der Bückgrenze oder eines Stromwertes unterhalb der Bückgrenze
ausgegeben. Dadurch wird die Anregelzeit nach jeder Umschaltung zwar verkürzt, jedoch
erfordert die Umschaltung selbst immer noch eine bestimmte Totzeit.
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In der DT-OS 15 88 493, 21c 59/10, ist eine Anordnung zur kreisstrombehafteten
Regelung eines in beiden Drehrichtungen betriebenen Gleichstrommotors beschrieben.
Dabei wird eine Zweistromrichter-Umkehrschaltung über einen gemeinsamen Stromregler,
zwei Verstärkeranordnungen und Impulssteuergeräte angesteuert, Bei einer solchen
Schaltung sind zu jedem Zeitpunkt beide StromriQhter auf die Spannung der Last eingestellt,
indem der enstehende Kreisstrom über zwei Drosseln begrenzt wird. Auf diese Weise
können beide Stromrichter ohne Verzögerung oder Totzeit den Laststrom übernehmen.
Außerdem verhindert der vorhandene Kreisstrom als Grundbelastung einen'Betrieb der
Stromrichter im Bückbereich, Nachteilig sind bei dieser kreisstrombehafteten Anordnung
der erhebliche steuerungstechnische Aufwand zum Regeln und Begrenzen des ICreisstromes
in der benötigten Größe mit der erforderlichen Genauigkeit, Dazu muß eine größere
Anzahl zusatzlicher Drosseln eingesetzt werden.
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Diese beiden bekannten Schaltungsarten unterscheiden sich dadurch,
daß kreisstrombehaftete Schaltungen bessere dynamische paramier, besonders in der
Umschaltphase bei Polaritätsänderungen des Stromsollwertes aufweisen, und der Stromregelkreis
ständig im Eingriff ist, um die Stromsollwertänderung in Betrag und Rictltung sofort
zu übernehmen. Dagegen besitzen kreisstromfreie Schaltungen immer Totzeiten in der
Umschaltphase,
und es müssen oft mit aufwendigen technischen Mitteln
der Stromregler gesperrt oder zur Vermeidung von Stromstößen in den Wechselrichterbetrieb
geschaltet werden. Das hewirkt im Betrieb eine Verschlechterung der Dynamik bei
Drehrichtungsänderungen. Diese Schaltungen entsprechen damit nicht den Anforderungen
an reaktionsschnelle Antriebe, besonders für Vorschubantriebe mit überlagertem Lagerregelkreis
für Werkzeugmaschinen.
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Zweck der Erfindung ist es, für die Schaltungsanordnung dex Aufwand
an Baugruppen zu senken und eine schnell wirksame Regelung der Drehzahl einesGleichstrommotors
in beiden Richtungen mit maximaler Sicherheit und Genauigkeit zu gewährleisten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zum kontinuierlichen Regeln der Drehzahl eines über einen Thyristorumkehrstromrichter
aus einem Drehstromnetz gespeisten Gleichstrommotors in beiden Richtungen ohne das
Auftreten von Totzeiten mit einffl Drehzahlregelkreis und einem diesen unterlagerten
Stromregelkreis durch einen minimalen Einsatz von Baugruppen zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Kommandoschaltung
zum Umschalten der beiden Stromrichtergruppen durch ihren ersten und zweiten Eingang
Uber eine Erkennungseinheit zum Erzeugen eines der Polarität des Stromsollwertes
entsprechenden Signales mit dem Drehzahlregler und durch ihren dritten Eingang mit
einer Strommeßeinheit zum ständigen Überwachen des Istwertes vom Ankerstrom des
Gleichstrommotors verbunden sind.
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Die Kommandoschaltung wird dabei zweckmäßig mit Logikbausteinen realisiert.
An den Eingang der Strommeßeinheit ist weiterhin der eine Ausgang einer Stromerfassungseinheit
angeschlossen. Die dient der Erfassung des durch den l.Fotoranker fließenden momentanen
Stromes und der Erzeugung eines geeigneten Signal es für die Strommeßeinheit. Dazu
können zum Beispiel ein mit einer Gleichrichteranordnung und Bürde abgeschlossener
Stromwandler eingesetzt werden.
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Die Stromerfassungseinheit liegt zwischen dem Drehstromnetz und den
beiden Stromrichtergruppen An den anderen Ausgang der Strommeßeinheit ist eine Vorzeicheneinheit
zur Festlegung der Polarität des Stromistwertes für den Sol 1-/Istwertvergleicher
des Stromregelkreises angeschlossen, mit dessen Eingang der Ausgang der-Vorzeicheneinheit
zur Pestlegung der Polarität des Stromistwertes verbunden ist. Der andere Eingang
der Vorzeicheneinheit ist an den ersten Ausgang der Kommandoschaltung angeschlossen,
die durch ihren zweiten Ausgang mit einer Steuerspannungseinheit zur Festlegung
des Vorzeichens der Steuerspannung und durch ihren dritten Ausgang mit einem Steuersatz
verbunden ist. An den Eingang des Steuersatzes ist der Ausgang der Steuerspannungseinheit
angeschlossen, und die Ausgänge des Steuersatzes sind über zwei Kopplungseinheiten
mit den zugehörigen Steuereingängen der Thyristoren in den beiden Stromrichtergruppen
verbunden.
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Die Erzeugung und Verteilung der Zündimpulse auf die beiden Stromrichtergruppen
erfolgt durch eine Verarbeitung der Steuerspannung und der Signale ' aus der Kommandoschaltung
im Steuersatz.
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Die Erfindung soll nachfolgend an einem AusführungsbeisWel näher erläutert
werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: das Blockschaltbild einer Anordnung
zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit Thyristorumkehrstromrichtergruppen,
Fig.
2: eine Zusammenstellung von einzelnen für die Arbeit der Anordnung charakteristischen
zeitlich parallel entstehenden Signalverläufe.
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In Fig. 1 ist eine Kommandoschaltung KS über ihren ersten und zweiten
Eingang an eine Erkennungseinheit PEE zum Feststellen der Polarität und Betrag des
Stromsollwertes Soll7 der am Ausgang des Drehzahlreglers DR in Form einer Spannung
abgegeben wird. Am zweiten Eingang dieser Kommandoschaltung KS liegt eine Strommeßeinheit
SE, die mit einem Ausgang einer Stromerkennungseinheit SEE vorhanden ist.
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Die Ausgänge der Kommandoschaltung KS sind an eine Vorzeicheneinheit
VE zur Festlegung der Polarität des Stromistwertes Iist an eine Steuerspannungseinheit
STU lmd an einen Steuersatz STS geführt. Die Erkennungseinheit PEE ist eingangsseitig
an den Ausgang des Drehzahlreglers DR angeschlossen, der über einen Soll-/Istwertvergleicher
SIV zum Eingang eines Stromreglers SR geführt ist.
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Weiterhin ist die Vorzeicheneinheit VEs deren Eingang mit dem zweiten
Ausgang der Stromerfassungseinheit SEE verbunden ist, an den Soll-/Istwertvergleicher
SIV angeschlossen.
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Vom Ausgang des Stromreglers SR führt eine leitung über die Steuerspannungseinheit
STU zum zweiten Eingang des Steuersatzes STS. Die beiden Ausgänge des Steuersatzes
STS sind über Koppel einheiten KE 1; KE 2 zu jeweils einer von den beiden Stromrichtergruppen
SG 1; SG 2 geführt, die einerseits über die Stromerfassungseinheit SEE mit dem Drehstromnetz
DN und andererseits mit einem Gleichstrommotor GM verbunden sind.
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An den Gleichstrommotor GM ist ein Drehzahlmesser DM angekoppelt,
dessen Ausgang zu dem Eingang des Drehzahlreglers DR geführt ist.
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Fig. 2 enthält eine Übersicht über einzelne in der Anordnung gleichzeitig
existierender Signalverläufe.
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Pür einen ausgewählten Zeitabschnitt to bis t3 sind die Verläufe für
den Stromsollwert Isoll, für die Ausgangssignale AS 1; AS 2 der polaritätserkennungseinheit
PEE an den Ausgängen A 1, A 2 und für den Ankerstrom IA des Gleichstrommotors GM
dargestellt.
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Aus den ignalverläufen sind drei charakteristische Betriebszustände
der Schaltungsanordnung kennzeichnende Phasen P 1; P 2; P 3 zu erkennen.
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In der ersten Phase P 1 vom Zeitpunkt % bis t1 liegt der Stromsollwert
Isoll im Bereich + ISO11 > {SWt und zum ersten Ausgang A 1 der Polaritätserkennungseinheit
PEE tritt ein erstes Ausgangssignal AS 1 aus. Die erste Stromrichtergruppe SG 1
wird ständig gezündet, und als Ankerstrom IA fließt ein Gleichstrom mit positiver
Amplitude.
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Während der zweiten Phase P 2 vom Zeitpunkt t1 bis t2 wechselt der
Stromsollwert 1soll in den Bereich /Isoll/</SW/ und am Ausgang A 2 der Polaritätserkennungseinheit
PEE erscheint ein zweites Ausgangssignal AS 2 Das bewirkt ein abwechselndes Einschalten
der beiden Stromrichtergruppen SG 1 SG 2 und der Ankerstrom wird zu einem pulsierenden
Gleichstrom mit wechselnder Polarität.
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In der dritten Phase P 3 vom Zeitpunkt t2 bis t3 verbleibt der Stromsollwert
Isoll im Bereich - I5011>/SW/ und am zweiten Ausgang A 2 der Polaritätserkennungseinheit
PEE erscheint ein zweites Ausgangssignal AS 2. Der Ankerstrom 1A fließt als Gleichstrom
mit negativer Amplitude und die zweite Stromrichtergruppe SG 2 bleibt ständig gezündet.
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An die ditte Phase P 3 schließt sich erneut die erste Phase P 1 an.
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Die Anordnung arbeitet auf folgende Weise.
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Vom Drehzahlregeler DR wird an seinem Ausgang ein Stromsollwert 15011
abgegeben, der einerseits in der Polaritätserkennungseinheit PEE ausgewertet und
andererseits dem Soll-/ Istwertvergleicher SIV des Stromregelkreises zugeführt wird.
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In der Polaritätserkennungseinheit PEE wird durch Vergleichen festgestellt,
wenn der Stromsollwert 1soll einen negativen oder positiven fest eingestellten Schwellwert
-SW; +SW erreicht. Durch die Stromsollwertänderung ergeben sich drei Phasen p 1,
P 2, P 3, wobei in der ersten und dritten phase P 1; p 3 die Anordnung im 6-puls-Betrieb
mit einem Links- bzw. Rechtslauf des Motors arbeitet und im Dreipulsbetrieb in der
zweiten Phase P 2 die beiden Stromrichtergruppen SG 1; SG 2 abwechselnd betrieben
werden. Beim Erkennen einer dieser drei Betriebszustände in der polaritätserkennungseinheit
PEE infolge von Stromsollwertänderungen werden an den Ausgängen A 1; A 2 logische
Signale AS 1; AS 2 abgegeben.
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Diese Signale AS 1; AS 2 und ein dem Istwert des im Anker des Gleichstrommotors
GM fließenden Stromes IA proportionalen Signal aus der Strommeßeinheit SME gelangen
in die Kommandoschaltung KS, in der Signale für die Vorzeicheneinheit VE zur Festlegung
des Vorzeichens für den Stromistwert 1ist' die Steuerspannungseinheit STU zur Festlegung
des Vorzeichens der Steuerspannung und den Steuersatz STS erzeugt werden.
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Im Steuersatz STS werden aus der Steuerspannung und einem Signal aus
der Kommandoschaltung KS Zündimpulse für die Thyristoren in den beiden Stromrichtergruppen
SG 1; SG 2 abgeleitet. Die Zündimpulse werden über die Kopplungseinheiten KE 1,
KE 2 zu den Steuerelektroden der Thyristoren in den beiden Stromrichtergruppen SG
1; SG 2 gleitet und dienen zu deren Einschalten. Die Thyristoren sind in einer Antiparallelbrückenschaltung
angeordnet, bei der auf der einen Seite über eine Stromerfassungseinheit SEE ihre
Versorgung mit der Betriebsspannung aus einem Drehstromnetz DN erfolgt, und auf
der anderen Seite der Gleichstrommotor GM angeschlossen ist. Die Eingangsgrößen
für den Drehzahlregler DR, den Soll-/Istwertvergleicher SIV und die Kommandoschaltung
KS müssen die Istwerte für die Drehzahl und den Ankerstrom IA erfaßt und an die
zugehörigen Eingänge der Einheiten übertragen werden.
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Dazu ist zunächst als Drehzahlmesser DM, z. B. ein Tachogenerator,
fest mit der WeLle des Gleichstrommotors GM gekoppelt, und das gewonnene Signal
wird dem Drehzahlregler DR zugeführt.
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Weiterhin wird in der Stromerfassungseinheit SEE, die beispielsweise
aus einem Stromwandler und einer Gleichrichteranordnung besteht, der Istwert des
Ankerstromes IA erfaßt und das erzeugte qleichspannungssignal einer seits zur Strommeßeinheit
SME sowie andererseits über die Vorzeicheneinheit VE als Stromistwert list zum Soll-/
Istwertvergleicher SIV geleitet.
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Durch den Vergleich von Stromsollwert 15011 und Stromistwert 1ist
wird das Eingangssignal für den Stromregler SR gewonnen.
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Zur Verdeutlichung der Arbeitsweise dient auch Fig. 2 mit der Darstellung
einzelner Signalverläufe. Dabei sind deutlich drei charakteristische Betriebszustände
zu erkennen, denen die drei Phasen P 1; P 2; P 3 entsprechen.
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Die Übergänge aus den einzelnen Betriebszuständen erfolgen strom-
oder richtungsabhängig ohne Totzeit, Damit wird eine kreisstromfreie Schaltung realisiert,
die ohne Verwendung von Kreisstromdrosseln mit nur einem Ansteuerkanal für zwei
antiparallel angeordnete Stromrichtergruppen so 1, SG 2 arbeitet.
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Die Schaltungsanordnung beinhaltet auf diese Weise alle Vorteile einer
kreisstrombehafteten Schaltung, insbesondere eine dauernde Führung des Stromreglers,
wobei die Nachteile bezüglich des Bauelementeaufwandes beseitigt wurden.