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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Merkmalen. Eine solche ist bekannt durch die DE-OS 15 88 493.
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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 Mittelwert der Stromrichterausgangsspannung die Drehzahl und Drehrichtung des Motors.
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Zu diesem Zweck werden sowohl kreistromfrei arbeitende als auch kreisstrombehaftete Umkehrstromrichteranordnungen in den Regelkreisen verwendet.
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Aus der DE-AS 20 17 791 ist eine 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 Stromregler 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 Stromregler 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. 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.
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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. 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. Bei der Erfassung des Istwertes des Motorankerstromes wird nur ein Signal bei Erreichen der Lückgrenze oder eines Stromwertes unterhalb der Lückgrenze 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 DE-OS 15 88 493 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 Stromrichter auf die Spannung der Last eingestellt, indem der entstehende 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 Lückbereich. Nachteilig sind bei dieser kreisstrombehafteten Anordnung der erhebliche steuerungstechnische Aufwand zum Regeln und Begrenzen des Kreisstromes in der benötigten Größe mit der erforderlichen Genauigkeit. Dazu muß eine größere Anzahl zusätzlicher Drosseln eingesetzt werden.
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Diese beiden bekannten Schaltungsarten unterscheiden sich dadurch, daß kreisstrombehaftete Schaltungen bessere dynamische Parameter, besonders in der Umschaltphase bei Polaritätsänderungen des Stromsollwertes aufweisen, und der Stromregelkreis ständig im Eingriff ist, um die Stromsollwertänderung in Betrag und Richtung 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 bewirkt 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 den Aufwand an Baugruppen zu senken und eine schnell wirksame Regelung der Drehzahl eines Gleichstrommotors in beiden Richtungen mit maximaler Sicherheit und Genauigkeit zu gewährleisten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan -ordnung zum kontinuierlichen Regeln der Drehzahl eines über einen Thyristorumkehrstromrichter aus einem Drehstromnetz gespeisten Gleichstrommotors in beiden Richtungen ohne das Auftreten von Totzeiten mit einem Drehzahlregelkreis und einem diesen unterlagerten Stromregelkreis durch einen minimalen Einsatz von Baugruppen zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.
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Die Kommandoschaltung wird dabei zweckmäßig mit Logikbausteinen realisiert. An den Eingang der Strommeßeinheit ist weiterhin der eine Ausgang einer Stromerkennungseinheit angeschlossen. Sie dient der Erfassung des durch den Motoranker fließenden momentanen Stromes und der Erzeugung eines geeigneten Signales für die Strommeßeinheit. Dazu können zum Beispiel ein mit einer Gleichrichteranordnung und Bürde abgeschlossener Stromwandler eingesetzt werden. Die Stromerkennungseinheit 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 Soll-/ Istwertvergleicher des Stromregelkreises angeschlossen, mit dessen Eingang der Ausgang der Vorzeicheneinheit zur Festlegung 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. 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 Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:
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Fig. 1: das Blockschaltbild einer Anordnung zum Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors mit Thyristorumkehrstromrichtergruppen,
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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 Polaritätserkennungseinheit PEE zum Feststellen von Polarität und Betrag des Stromsollwertes I soll , der am Ausgang des Drehzahlreglers DR in Form einer Spannung abgegeben wird. Am dritten Eingang dieser Kommandoschaltung KS liegt eine Strommeßeinheit SME, die mit einem Ausgang einer Stromerkennungseinheit SEE verbunden ist. Ein erster Ausgang der Kommandoschaltung KS ist an eine Vorzeicheneinheit VE zur Festlegung der Polarität des Stromistwertes I ist ein zweiter an eine Steuerspannungseinheit STU und ein drittes an einen Steuersatz STS geführt. Die Polaritätserkennungseinheit 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 VE, deren anderer Eingang mit dem zweiten Ausgang der Stromerfassungseinheit SEE verbunden ist, mit ihrem Ausgang an den Soll-/Istwertvergleicher SIV angeschlossen. 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 Koppeleinheiten 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. 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. Für einen ausgewählten Zeitabschnitt t 0 bis t 3 sind die Verläufe für den Stromsollwert I soll , für die Ausgangssignale AS 1; AS 2 der Polaritätserkennungseinheit PEE an den Ausgängen A 1, A 2 und für den Ankerstrom I A des Gleichstrommotors GM dargestellt.
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Aus den Signalverläufen sind drei charakteristische Betriebs -zustände der Schaltungsanordnung kennzeichnende Phasen P 1; P 2; P 3 zu erkennen. In der ersten Phase P 1 vom Zeitpunkt t 0 bis t 1 liegt der Stromsollwert I soll im Bereich + I soll > /SW/ 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 I A fließt ein Gleichstrom mit positiver Amplitude. Während der zweiten Phase P 2 vom Zeitpunkt t 1 bis t 2 wechselt der Stromsollwert I soll in den Bereich /I soll / < /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. In der dritten Phase P 3 vom Zeitpunkt t 2 bis t 3 verbleibt der Stromsollwert I soll im Bereich -I soll > /SW/ und am zweiten Ausgang A 2 der Polaritätserkennungseinheit PEE erscheint ein zweites Ausgangssignal AS 2. Der Ankerstrom I A fließt als Gleichstrom mit negativer Amplitude und die zweite Stromrichtergruppe SG 2 bleibt ständig gezündet. An die dritte Phase P 3 schließt sich erneut die erste Phase P 1 an.
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Die Anordnung arbeitet auf folgende Weise. Vom Drehzahlregler DR wird an seinem Ausgang ein Stromsollwert I soll 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 Strommsollwert I soll 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 Gleichpuls-Betrieb mit einem Links- bzw. Rechtslauf des Motors arbeitet und im Wechselpulsbetrieb 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. Diese Signale AS 1; AS 2 und ein dem Istwert des im Anker des Gleichstrommotors GM fließenden Stromes I A 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 I ist , 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 geleitet 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 I A 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 I A erfaßt und das erzeugte Gleichspannungssignal einerseits zur Strommeßeinheit SME sowie andererseits über die Vorzeicheneinheit VE als Stromistwert I ist zum Soll-/ Istwertvergleicher SIV geleitet.
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Durch den Vergleich von Stromsollwert I soll und Stromistwert I ist 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. 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 SG 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.