-
-
Steuerverfahren und Steuersatz für einen Zweipuls-Strom-
-
richter Die Erfindung bezieht sich auf Steuerverfahren und einen Steuersatz
für einen Zweipuls-Stromrichter gemåX dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Ein derartiges Steuerverfahren und ein derartiger Steuersatz für einen
Zweipuls-Stromrichter sind aus der BBC-Druckschrift DHS 70170D "Veritron-Doppelstromrichter,
Typenreihe GAB für kreisstromfreien Umkehrbetrieb, Einphasenanschluß 10A..,65A,
1977 bekannt.
-
Die dort beschriebenen Doppelstromrichter mit zwei gegenparallel geschalteten
Einphasenbrücken sind für kreisstromfreien Umkehrbetrieb bestimmt. Das Haupteinsatzgebiet
ist die Drehzahlregelung von Gleichstrommaschinen im Vier-Quadranten-Betrieb, z.B.
für Fahr- und Hubantriebe bei Regalförderzeugen. Dabei ist Treiben und Bremsen bei
einer Stromrichtung in beiden Drehrichtungen möglich, z.B. Treiben im Motorbetrieb-Rechtslauf
(I.
-
Quadrant, Gleichrichten) und Wechselrichten im Generatorbetrieb-Linkslauf
(IV. Quadrant, Wechselrichten).
-
Dabei hat sich herausgestellt, daM beispielsweise bei Hubantrieben
ein Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit bzw. Drehzahl im Bereich kleiner Ströme
nicht möglich ist, da infolge der vom, Antrieb erzeugten Gegenspannung der auf 150...
1700el begrenzte Steuerwinkelbereich nicht ausreicht. Es ergibt sich infolgedessen
ein fortwährendes Umschalten zwischen Brems- und Fahrbetrieb bei fortwährender Stromrichtungsumkehr
und fortwährender Drehzahländerung.
-
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein Steuerverfahren
und einen Steuersatz für einen Zweipuls-Stromrichter der eingangs genannnten Art
anzugeben, das bzw. der auch bei kleinen Strömen den Betrieb eines vom Zweipuls-Stromrichter
gespeisten Antriebs mit konstanter Drehzahl ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird bezüglich des Steuerverfahrens durch die im Anspruch
1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die Aufgabe wird bezüglich des Steuersatzes
durch die im Anspruch 5 oder 6 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
-
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß das Steuerverfahren und der Steuersatz universell für Geradeaus-Stromrichter
als auch für "Umkehrstromrichter" einsetzbar sind, wobei auch bei Gegenspannung
des Antriebs und kleinen einzustellenden Drehmomenten bzw. Strömen ein Betrieb mit
konstanter Drehzahl oder Geschwindigkeit ermöglicht wird.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 einen aus zwei gegenparallel geschalteten Zweipuls-Stromrichtern
bestehenden Doppelstromrichter mit Steuer- und Regeleinrichtung, Fig. 2 den Betrieb
eines Zweipuls-Stromrichters im I.
-
bzw. III. Quadranten bei maximaler Gegenspannung, Fig. 3 den Betrieb
eines Zweipuls-Stromrichters im I.
-
bzw. III. Quadranten ohne Gegenspannung, Fig. 4 den Betrieb eines
Zweipuls-Stromrichters im IV. bzw. II. Quadranten bei maximaler Gegenspannung, Fig.
5 eine erste Variante eines Steuersatzes mit erweitertem Steuerbereich, Fig. 6 den
zeitlichen Verlauf interessierender Größen zum Steuersatz gemäß Fig. 5, Fig. 7 interessierende
Signale im digitalen Phasenregelkreis, Fig. 8 eine zweite Variante eines Steuersatzes
mit erweitertem Steuerbereich, Fig. 9 den zeitlichen Verlauf intere-ssierender Größen
zum Steuersatz gemäß Fig. 8, Fig. 10 Einzelheiten der Impulserzeugung.
-
In Fig. 1 ist ein Doppelstromrichter mit zwei gegenparallel geschalteten
Zweipuls-Stromrichtern in Brückenschaltung 1, 2 für kreisstromfreien Umkehrbetrieb
dargestellt. Der Zweipuls-Stromrichter 1 besteht aus den vier steuerbaren Stromrichterventilen
vl.1, v1.2, v1.3, v1.4 und der Zweipuls-Stromrichter 2 weist die vier steuerbaren
Stromrichterventile v2.1, v2.2, v2.3, v2.4 auf. Zwischen den gemeinsamen Phasenanschlüssen
Ll, L2 der beiden Zweipuls-Stromrichter 1, 2 liegt die Netzspannung UVT an. Die
miteinander verbundenen Gleichspannungsanschlüsse der Zweipuls-Stromrichter 1, 2
sind mit der Reihenschaltung einer Gleichstrommaschine M und einer
Glättungsinduktivität
L beschaltet. Die zwischen den Gleichspannungsanschlüssen der Zweipuls-Stromrichter
1, 2 liegende Verbraucherspannung ist mit Udi « und der in die Gleichstrommaschine
M fliegende Verbraucherstrom ist mit Id bezeichnet. Von der Gleichstrommaschine
M kann die Gegenspannung EMK induziert werden.
-
Zur Regelung der Drehzahl der Gleichstrommaschine M ist ein Drehzahlregler
3A vorgesehen. Dieser empfängt über eine vorgeschaltete Vergleichsstelle 4 die Drehzahl-Differenz
n5011 - nist bzw. nist - nsoll (je nach Drehrichtung der Maschine M), wobei der
Drehzahl-Sollwert nsoll beliebig vorgebbar und der Drehzahl-Istwert nist der Gleichstrommaschine
M mittels einer Drehzahlerfassungseinrichtung 5 direkt erfaßbar sind. Der am Ausgang
des Drehzahlreglers 3A anstehende Strom-Sollwert Ist11 wird über einen zwischengeschalteten
Polaritätswender 6A einer Vergleichsstelle 6B zugeführt. Als weiteres Eingangssignal
liegt der Vergleichsstelle 6B der mit Hilfe eines Stromwandlers 7 erfaßte Strom-Istwert
Iist an. Die Vergleichsstelle 6 leitet die Stromdifferenz Iist - ISO11 einem Stromregler
8 zu, der ausgangsseitig eine Steuergleichspannung USt an einen Komparator 9 abgibt.
Dem Komparator 9 liegt als zweite Eingangsgröße die Ausgangsspannung eines Sägezahngenerators
10 an.
-
Der Sägezahngenerator 10 wird über eine Synchronisationseinrichtung
11 in Abhängigkeit der Netzspannung UVT synchronisiert und gibt eine sägezahnförmige
Spannung doppelter Netzfrequenz 2fVT ab, wobei die Spannungsflanken jeweils zwischen
0° und 1800el kontinuierlich ansteigen. Das Ausgangssignal des Komparators 9 wird
einem Umschalter 12 zugeführt, der je nach vorliegendem Stromrichtungssignal RS
entweder einen Impulserzeuger 13A zur Ansteuerung des Zweipuls-Stromrichters 1 oder
einen Impulserzeuger 14A zur Ansteuerung des Zweipuls-Stromrich-
ters
2 aktiviert. Den Impulserzeugern 13A bzw. 14A sind jeweils Umschalter 13B bzw. 14B
nachgeschaltet.
-
Die zur Halbwellen-Umschaltung dienenden Umschalter 13B und 14B werden
von der Syn-chnnisationseinrichtung 11 angesteuert. Der erste, Zündlmpulse Z1 führende
Umschaltkontakt des Umschalters 13B ist mit den Steueranschlüssen der Ventile V1.1
und V1.2 verbunden, während die Steueranschlüsse der Ventile V1.3 und V1.4 an den
zweiten Umschaltkontakt angeschlossen sind und mit Zündimpulsen Z2 beaufschlagt
werden. Der erste, Zündimpulse Z3 führende Umschaltkontakt des Umschalters 14B ist
mit den Steueranschlüssen der Ventile V2.1 und V2.2 verbunden, während die Steueranschlüsse
der Ventile V2.3 und V2.4 an den zweiten Umschaltkontakt angeschlossen sind und
mit Zündimpulsen Z4 beaufschlagt werden.
-
Bei der eingezeichneten Stromrichtung von Id werden im Bereich positiver'Spannung
UVT (L1 positiver als L2) Zündimpulse Z1 und im Bereich negativer Spannung UVT (L1
negativer als L2) Zündimpulse Z2 durchgeschaltet. Bei einer Stromrichtung von Id
entgegen dem eingezeichneten Sinn werden im Bereich positivier Spannung UVT Zündimpulse
Z3 und im Bereich negativer Spannung UVT2ündimplse Z4 durchgeschaltet.
-
Da das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 3A bipolar ist (+/-Isoll),
wird über einen Komparator 3B die Polarität des Drehzahlregler-Ausgangs bestimmt.
Der Komparator 3B kann mit einer einstellbaren Hysterese versehen sein.
-
Das Ausgangssignal des Komparators 3B entspricht der momentan geforderten
Stromrichtung und wird über einen Schalter 3C an einen Stromrichtungsspeicher 3D
weitergegeben. Das ausgangsseitig am Stromrichtungsspeicher 3D anstehende Stromrichtungssignal
RS wird sowohl dem Polaritätswender bA als auch dem Steuereingang des Umschal-
ters
12 zugeführt und bestimmt somit die Stellung des Umschalters 12, d. die Auswahl
der Brücke.
-
Die Verstärkung des Polaritätswenders 6A wird je nach vorliegendem
Stromrichtungssignal RS mit +1 der -1 bewertet, so daß der an die Vergleichsstelle
6B abgegebene Strom-Sollwert 15011 stets negativ ist.
-
Da die Stromrichtungs-Umkehr nur im stromlosen Zustand erfolgen darf,
ist ein mit dem StneIstwert 1ist beaufschlagter, den Schalter 3C ansteuernder Strommelder
3E vorgesehen. Der Strommelder 3E gibt bei fließendem Strom ein Stromsignal SS an
den Schalter 3C ab, was zur Öffnung des Schalters 3C führt. Ändert sich bei anstehendem
Stromsignal SS die Polarität von 15011 am Ausgang des Drehzahlreglers 3A, dann schaltet
der Komparator 3C zwar um, kann jedoch wegen des geöffneten Schalters 3C seinen
Ausgangszustand nicht an den Stromrichterungsspeicher 3D weitergeben. Somit wird
der Ausgang des Polaritätsmelders 6A positiv, bis das Stromsignal SS verschwindet.
-
Folglich wird der Schalter 3C geschlossen, der Stromrichtungsspeicher
3D speichert die neue Richtung ab und der Strom kann wieder aufgebaut werden.
-
Zur Begrenzung der vom Stromregler 8 an den Komparator 9 abgegebenen
Steuerspannung USt ist ein Begrenzer 15 vorgesehen. Mit Hilfe des Begrenzers 15
läßt sich der durch die Steuerspannung USt vorgegebene Steuerwinkel beispielsweise
auf 1500 bzw. in Abhängigkeit des Stromes Id auf einen Bereich 150...1700 begrenzen.
-
Die möglichen Betriebsarten der durch den Doppelstromrichter versorgten
Gleichstrommaschine M können mit Hilfe der vier Quadranten des Drehmoment-Drehzahl-Diagrammes
dargestellt werden. Im I. Quadranten arbeitet der Zweipuls-Stromrichter 1 im Gleichrichterbetrieb
und die
Maschine M treibt im Motorbetrieb-Rechtslauf an. Im II.
-
Quadranten arbeitet der Zweipuls-Stromrichter 2 im Wechselrichterbetrieb
und die Maschine M wird im Generatorbetrieb-Rechtslauf gebremst. Im III. Quadranten
arbeitet der Zweipuls-Stromrichter 2 im Gleichrichterbetrieb und die Maschine M
treibt im Motorbetrieb-Linkslauf an. Im IV. Quadranten arbeitet der Zweipuls-Stromrichter
1 im Wechselrichterbetrieb und die Maschine M wird im Generatorbetrieb-Linkslauf
gebremst. Im Betrieb ist dabei immer nur ein Zweipuls-Stromrichter. Zur Strom- bzw.
Momentenumkehr werden die Zündimpulse vom einen auf den anderen Zweipuls-Stromrichter
umgeschaltet.
-
In Fig. 2 ist der Betrieb des Zweipuls-Stromrichters 1 im Motorbetrieb-Rechtslauf
der Gleichstrommaschine M im I. Quadranten (bzw. des Zweipuls-Stromrichters 2 im
III.
-
Quadranten bei Motorbetrieb-Linkslauf) dargestellt. Die von der Gleichstrommaschine
M induzierte Gegenspannung EMK weist ihren maximalen Wert auf. Im einzelnen sind
die Netzspannung UVT (UL1-L2 und UL2~L1) und der Verlauf der Verbraucherspannung
Udig in Abhängigkeit verschiedener Steuerwinkel OQ = 600, 900, 1200, 1400, 1500
gezeigt. Bei einem Steuerwinkel kX = = 600 ergibt sich der unter a.2 angegebene
Verbraucherstrom Id. Bei Steuerwinkeln oC = 900, 1200, 1400 ergeben sich die unter
b.2, c.2, d.2 angegebene Verbraucherströme Id. Bei einem Steuerwinkel oC = 1500
stellt sich ein Verbraucherstrom Idmin =0 ein. Um Werte zwischen den beiden Grenzwerten
maximale Verbraucherspannung Udi max - minimale Verbraucherspannung Udi α
min = ° bzw. maximaler Verbraucherstrom Idmax - minimaler Verbraucherstrom 1dmin
= 0 einstellen zu können, ist ein Steuerbereich von O t c> < 1500 erforderlich.
-
In Fig. 3 ist ebenfalls der Betrieb des Zweipuls-Stromrichters 1 im
Motorbetrieb-Rechtslauf der Gleichstromma-
schine M im I. Quadranten
(bzw. des Zweipuls-Stromrichters2im III. Quadranten bei Motorbetrieb-Linkslauf)
dargestellt, jedoch weist die Gegenspannung EMK den Wert O auf. Es sind die Netzspannung
UVT (mit UL1-L2 und UL2-L1) und der Verlauf der Verbraucherspannung UdioC in Abhängigkeit
verschiedener Steuerwinkel & = 900, 1200, 1500, 1600, 1700 gezeigt. Bei Steuerwinkeln
= = 900, 1200, 1500, 1600, 1700 ergeben sich die unter a.3, b.3, c.3, d.3, e.3 angegebenen
Verbraucherströme Id. Um Verbraucherströme kleiner als c.3 einstellen zu können,
muß das aus der eingangs erwähnten BBC-Druckschrift S. 6, 7, 11 bekannte Verfahren
der "stromabhängigen Wechselrichter-Grenzlage" eingesetzt werden, d.h.
-
der Steuerbereich wird stromabhängig über α = 1500 hinaus bis
maximal > = 1700 verschoben. Damit kann als kleinster Strom Idmin der unter e.3
angedeutete Strom eingestellt werden. Ein Verbraucherstrom Id = 0 ergibt sich bei
einem Steuerwinkel oC = 180°.
-
In Fig. 4 ist der Betrieb des Zweipuls-Stromrichters 1 im Generatorbetrieb-Linkslauf
der Gleichstrommaschine M im IV. Quadranten (bzw. des Zweipuls-Stromrichters 2 im
II. Quadranten bei Generatorbetrieb-Rechtslauf) dargestellt. Die von der Gleichstrommaschine
M induzierte Gegenspannung EMK weist ihren maximalen Wert auf. Es sind die Netzspannung
UVT (mit UL1-L2 und UL2-L1) und der Verlauf der Verbraucherspannung Udiα in
Abhängigkeit verschiedener Steuerwinkel cC = 1200, 1500, 1600, 1700, 2100 gezeigt.
Bei Steuerwinkeln α = 1200, 1500, 1600, 1700 ergeben sich die unter a.4, b.4,
c.4, d.4 angegebenen Verbraucherströme Id, d.h. trotz des Einsatzes des Verfahrens
der "stromabhängigen Wechselrichter-Grenzlage" im Bereich bis 1700 verbleibt ein
verhältnismäßig hoher, in d.4 angedeuteter Reststrom. Ein Verbraucherstrom Idmin
= 0 ist erst bei einem Steuerwinkel von 2100 möglich, wenn maximale Gegenspannung
vorliegt.
-
Aus dem unter den Figuren 2 bis 4 erläuterten Betriebsverhalten eines
Zweipuls-Stromrichters an einer Gleichstrommaschine ergibt sich, daß die Gleichstrommaschine
unter bestimmten Betriebsbedingungen trotz des Einsatzes des Verfahrens der "stromabhängigen
Wechselrichter-Grenzlage nicht mit konstanter Drehzahl betrieben werden kann. Derartige
Betriebsbedingungen treten beispielsweise auf, wenn die Gleichstrommaschine als
Gleichstrom-Nebenschlußmotor ausgeführt ist und zum Antrieb eines Aufzuges dient.
-
Falls die Aufzugslast mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit abwärts
gefahren werden soll, wird unter Berücksichtigung des Lastgewichtes, der Reibverluste
und eines Gegengewichtes ein relativ kleines Drehmoment an der Motorwelle in Richtung
"aufwärts" gefordert, d.h.
-
der Zweipuls-Stromrichter 1 ist im IV. Quadranten (Generatorbetrieb-Linkslauf,
Wechselrichten) bei relativ kleinem Verbraucherstrom zu betreiben. Der Stromregler
8 versucht, diesen kleinen Strom - der im Bereich d.4...-e.4 gemäß Fig. 4 liegt
- einzustellen. Trotz Vorgabe des Steuerwinkels in Wechselrichter-Grenzlage bis
170° ist der sich ergebende Verbraucherstrom noch zu groß, d.h.
-
die Abwärtsgeschwindigkeit der Last ist noch zu klein.
-
Infolgedessen gibt der Drehzahlregler 3A zur Erhöhung der Geschwindigkeit
den Befehl zur Stromrichtungsumkehr, d.h. der Zweipuls-Stromrichter 1 wird abgeschaltet
und der Zweipuls-Stromrichter 2 zugeschaltet.
-
Der Zweipuls-Stromrichter 2 arbeitet im III. Quadranten (Motorbetrieb-Linkslauf,
Gleichrichten) bei sehr kleinem Verbraucherstrom im Bereich d.2....e.2 gemäß Fig.
2.
-
Dies führt jedoch zu einer Erhöhung der Abwärtsgeschwindigkeit über
die vorgeschriebene Geschwindigkeit hinaus.
-
Infolgedessen gibt der Drehzahlregler 3A zur Reduzierung der Geschwindigkeit
wiederum den Befehl zur Stromrich-
tungsumkehr, der Zweipuls-Stromrichter
2 wird abgeschaltet und der Zweipuls-Stromrichter 1 wiederum zugeschaltet. Durch
das laufende Umschalten zwischen Bremsen (mit dem Zweipuls-Stromrichter 1) und Treiben
(mit dem Zweipuls-Stromrichter 2) ist ein konstanter Betrieb mit der vorgeschriebenen
Geschwindigkeit nicht möglich.
-
Um einen konstanten Betrieb des Doppelstromrichters unter allen Betriebsbedingungen
zu ermöglichen, wird der Steuerwinkelbereich nicht auf 150...1700 beschränkt, sondern
bis auf 2100 erweitert. In Fig. 5 ist hierzu eine erste Variante eines Steuersatzes
mit erweitertem Steuerbereich dargestellt. Bei diesem Steuersatz ist ein digitaler
Phasenregelkreis PLL (Phase-locked loop), bestehend aus den Baueinheiten 16 bis
20 vorgesehen.
-
Einem Polaritätswender 16 des PLL wird eingangsseitig die Netzspannung
UVT zugeleitet. Der Ausgang des Polaritätswenders 16 (Signal UA16) ist mit einem
Phasenregler 17 verbunden, der ausgangsseitig (Signal UA17)einen spannungsgesteuertern
Oszillator 18 (VCO, Voltage controlled oscillator) ansteuert. Der Phasenregler 17
hat PI-Charakteristik mit kleinem Vp (P-Verstärkung). Der Oszillator 18 erzeugt
eine Spannung mit 12-facher Netzfrequenz 12fVT, die einem digitalen Frequenzteiler
19 zugeleitet wird. Der Teiler 19 teilt die ihm zugeführte Spannung mit dem Divisor
6 und weist ausgangsseitig mehrere Impulsausgänge auf. Ein Impulsausgang 19.1 des
Teilers 19, bei dem jeweils bei 900 und 2700 ein Impuls ansteht, ist über einen
Dividierer 20 an den Polaritätswender 16 angeschlossen. Der Dividierer 20 teilt
die Signale mit dem Divisor 2 (Signal U20). Uber diesen an den Impulsausgang 19.1
angeschlossenen Rückkopplungszweig wird die Synchronisierung des Oszillators geregelt.
Die Signale U20 des Dividierers 20 steuern den Polaritatswender 16 dabei derart
an, daß dessen
Verstärkung alternierend +1/-1 wird, d.h. das Signal
UVT wird dem Phasenregler 17 abwechselnd als +UVT und -UVT zugeführt.
-
Zwei weitere Impulsausgänge 19.2 und 19.3 des Teilers 19 sind an einen
Wählschalter 21 angeschlossen. Beim Impulsausgang 19.2 stehen jeweils bei 0° und
1800 Impulse an, während beim Impulsausgang 19.3 bei 300 und 210° Impulse auftreten.
Mit Hilfe des Wahlschalters 21 kann wahlweise einer dieser beiden Impulsausgänge
19.2 oder 19.3 mit dem Eingang des Sägezahngenerators 10 verbunden werden. Die vom
Sägezahngenerator 10 abgegebene Hilfsspannung UH1, UH2 weist wiederum zweifache
Netzfrequenz fVT auf.
-
Bei Durchschalten des Impulsausganges 19.2 beginnen die Spannungsflanken
der Hilfsspannung UH1 bei 0° und enden bei 1800. Bei Durchschalten des Impulsausganges
19.3 beginnen die Spannungsflanken der Hilfsspannung UH2 bei 300 und enden bei 2100.
Die Hilfsspannung des Sågezahngenerators 10 wird wiederum dem Komparator 9 zugeleitet.
-
Der weitere Eingang des Komparators 9 ist mit dem Ausgang eines Umschalters
22 verbunden, an dessen erstem Eingang die vom Stromregler 8 abgegebene Steuerspannung
USt und an dessen zweitem Eingang die Spannung O (Massepotential) ansteht. Der Umschalter
22 wird durch ein UND-Glied 24 angesteuert, an dessen ersten Eingang über einem
Analog/Binar-Wandler 23 (Strom-Null-Melder) der Strom-Istwert Iist liegt. Der zweite
Eingang des UND-Gliedes 24 ist mit einem Impulsausgang 19.4 des Teilers 19 verbunden,
bei dem in den Bereichen 150...1800 bzw.
-
330...3600 Signalspannungen anstehen, d.h. in den genannten Bereichen
liegt dem UND-Glied 24 eine positive Signalspannung A an. Die Beschaltung des Stromreglers
8 mit Polaritätswender 6A, Vergleichsstelle 6B, Drehzahl-
regler
3A und Vergleichsstelle 4 ist wie unter Fig. 1 beschrieben.
-
Der Komparator 9 vergleicht die Hilfsspannung UH1 bzw.
-
UH2 mit der Steuerspannung UST bzw. der Nullspannung.
-
Ausgangsseitig ist der Komparator 9 mit den ersten Eingängen zweier
UND-Glieder 26 und 27 verbunden. An die zweiten Eingange dieser UND-Glieder ist
ein Dividierer 25 angeschlossen, der eingangsseitig mit dem Ausgang des Umschalters
21 verbunden ist und die ihm zugeführte Signalspannung zur "Halbwellen-Anwahl" durch
den Divisor 2 teilt. Im einzelnen sind dabei das UND-Glied 26 mit dem nichtinversen
Ausgang und das UND-Glied 27 mit dem inversen Ausgang des Dividierers 25 verbunden.
Das UND-Glied 26 liefert Zündbefehle für die positive Halbwelle, während das UND-Glied
27 Zündbefehle für die negative Halbwelle liefert. Die Einzelheiten zur Impulserzeugung
sind in Fig. 9 dargestellt.
-
In Fig. 6 ist der zeitliche Verlauf der Hilfsspannungen UH1 bzw. UH2
und der vom Teiler 19 erzeugten Signale A zur Erläuterung der Funktionsweise des
Steuersatzes gemäß Fig. 5 dargestellt. Die bei Durchschaltung des Impulsausganges
19.2 an den Sägezahngenerator 10 entstehende Hilfsspannung UH1, bei der die Flanken
jeweils bei 00, 1800, 3600... gestartet werden, entspricht dem allgemein bekannten
Verlauf einer Sägezahnspannung. Durch Vergleich mit der Steuerspannung USt wird
der Zündzeitpunkt bestimmt. Im dargestellten Beispiel wird die Hilfsspannung UH1
bei 1500 positiver als die Steuerspannung Ust, d.h. bei 1500 wird ein Zündimpuls
gebildet.
-
Bei 1800 wird der Zündimpuls wieder abgeschaltet, da UH1 negativer
als USt wird.
-
Die bei Durchschaltung des Impulsausganges 19.3 an dem Sagezahngenerator
10 entstehende Hilfsspannung UH2 weist
Flanken auf, die jeweils
bei 300, 2100... starten. Da der mögliche Verschiebebereich wiederum 1800 beträgt,
kann bis 2100 gesteuert werden. Im dargestellten Beispiel wird die Hilfsspannung
UH2 bei 1800 positiver als die Steuerspannung USt, d.h. bei 1800 wird ein Zündimpuls
gebildet. Bei 2100 wird der Zündimpuls wieder abgeschaltet, da UH2 negativer als
Ust wird.
-
Durch die Erweiterung des Steuerbereiches auf 2100 ergeben sich mehrere
Probleme. Beispielsweise kann die maximale Ausgangsgleichspannung des Stromrichters
(die sich bei bekannten Steuersätzen bei b/- = 0° einstellt) nicht mehr erreicht
werden, da der minimale Steuerwinkel ot = 300 beträgt. Bei Betrieb eines Gleichstrommotors
kann im allgemeinen auf die restlichen 13,4% in der Ausgangsgleichspannung, die
sich aus der Steuerwinkeldifferenz zwischen asa = 0° und L = 300 ergibt, verzichtet
werden. Bei Betrieb eines Erregerfeldes mit einem Steuersatz gemäß Fig. 5 besteht
die Möglichkeit, anstelle des Impulsausganges 19.3 den Impulsausgang 19.2 an den
Sägezahngenerator 10 durchzuschalten, denn in diesem Fall ist eine Erweiterung des
Steuerwinkelbereichs auf 2100 nicht notwendig.
-
Ein weiteres Problem ist, das Wechselrichter-Kippen des Stromrichters
zu verhindern. Im bekannten Fall erfolgt dies durch eine feste Begrenzung des Steuerwinkels
auf 1500 bzw. stromabhängig auf 150... 1700 durch entsprechende Begrenzung der Steuerspannung
USt. Bei einem auf 2100 erweiterten Steuerbereich muß jedoch der Steuerspannung
gestattet werden, sich bis zu diesem Grenzwert zu bewegen. Zur Verhinderung eines
Wechselrichter-Kippens wird das in den Bereichen 150... 1800 und 330... 3600 auftretende
Signal A (siehe Fig. 6) des Teilers 19 über das UND-Glied 24 mit dem Strom-Istwert
1ist verknüpft, d.h. falls in den Bereichen 150...1800 oder 330... 3600
ein
Verbraucherstrom id fließt, erfolgt sofort eine Zündung des entsprechenden Ventils
im Bereich 150...1800 oder 330...3600, da der vom UND-Glied 24 angesteuerte Umschalter
22 die Spannung Null (Massepotential) als Steuerspannung an den Komparator 9 weitergibt.
Da die Hilfsspannung UH2 positiver als diese "Steuerspannung" Null ist, wird ein
Zündimpuls gebildet.
-
In Fig. 7 sind die Signale UVT, UA16> UA17 und UA20 des digitalen
Phasenregelkreises PLL dargestellt. Das Signal UA20 liegt im ausgeregelten Zustand
um 900 versetzt zum Signal UVT (fVT + 900). Damit ist der Mittelwert von UA16 =
O. Bei einer Phasenverschiebung $ 900 zwischen UVT und UA20 wird der Mittelwert
von UA16 + 0. Die nachfolgende Änderung von UA72 führt zur Korrektur der Frequenz
des Oszillators 18.
-
In Fig. 8 ist eine zweite Variante eines Steuersatzes mit erweitertem
Steuerbereich dargestellt. Bei diesem Steuersatz ist ebenfalls ein digitaler Phasenregelkreis
mit einem digitalen Frequenzteiler 28 vorgesehen, der die ihm zugeführte Spannung
mit dem Divisor 6 teilt. Die Impulsausgänge des Teilers 28 sind mit 28.1.. .28.6
bezeichnet. Der erste Impulsausgang 28.1, bei dem jeweils bei 0° ein Impuls ansteht,
ist mit dem Start-Eingang eines Sägezahngenerators 29 verbunden und der zweite Impulsausgang
28.2, bei dem jeweils bei 300 ein Impuls ansteht, führt zum "Stopp"-Eingang eines
Sägezahngenerators 30. Der dritte Impulsausgang 28.3, bei dem jeweils bei 1800 ein
Impuls ansteht, ist an den "Start"-Eingang des Sägezahngenerators 30 angeschlossen
und der vierte Impulsausgang 28.4, bei dem jeweils bei 2100 ein Impuls ansteht,
führt an den "Stopp"-Eingang des Sägezahngenerators 29. Der fünfte Impulsausgang
28.5, bei dem jeweils bei 900 und 2700 Impulse anstehen, dient zum Anschluß des
Rückkopplungszweiges des PLL und damit zur
Synchronisation des
spannungsgesteuerten Oszillators des PLL.
-
Der Sägezahngenerator 29 gibt eine Hilfsspannung UH3 an den ersten
Eingang eines Komparators 31 ab, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Umschalters
22 verbunden ist. Der im Vergleich zum Sägezahngenerator 29 um 1800 versetzt gestartete
Sägezahngenerator 30 gibt eine Hilfsspannung UH4 an den ersten Eingang eines Komparators
32 ab, dessen zweiter Eingang ebenfalls mit dem Ausgang des Umschalters 22 verbunden
ist. Der Komparator 31 dient zur Erzeugung von Zündbefehlen im Bereich der positiven
Halbwelle und der Komparator 32 zum Erzeugen von Zündbefehlen im Bereich der negativen
Halbwelle. Die Einzelheiten zur Impulserzeugung sind in Fig. 9 dargestellt.
-
An den Eingängen des Umschalters 22 liegen die Steuerspannung USt
und die Spannung Null wie unter Fig. 5 beschrieben. Der Umschalter 22 wird wiederum
durch das UND-Glied 24 angesteuert, an dessen ersten Eingang über den Analog/Binär-Wandler
23 der Strom-Istwert 1ist liegt. Der zweite Eingang des UND-Gliedes 24 ist mit einem
Impulsausgang 28.6 des Teilers 28 verbunden, bei denen in den Bereichen 150..1800
bzw. 330...3600 Signalspannungen anstehen (posititve Signalspannung A).
-
Die übrige Beschaltung der weiten Variante nach Fig. 8 ist wie unter
Fig. 5 beschrieben.
-
In Fig. 9 ist der zeitliche Verlauf der Hilfsspannung UH3 bzw. UH4
und der vom Teiler 28 erzeugten Signale A zur Erläuterung der Funktionsweise des
Steuersatzes nach Fig. 8 dargestellt. Bei der vom Sägezahngenerator 29 erzeugten
Hilfsspannung H3 werden die Flanken jeweils bei 0° bzw. bei 3600 gestartet, steigen
jeweils bis 2100
an, werden auf 0 zurückgesetzt und bleiben im
Bereich zwischen 2100 und 3600 konstant auf dem Wert 0. Durch Vergleich mit der
Steuerspannung USt wird wiederum der Zündzeitpunkt bestimmt. Im dargestellten Beispiel
wird die Hilfsspannung UH3 bei 1800 positiver als die Steuerspannung Ust, d.h. bei
1800 wird ein Zündimpuls gebildet.
-
Bei der vom Sägezahngenerator 30 erzeugten Hilfsspannung UH4 werden
die Flanken jeweils bei 1800 gestartet, steigen jeweils bis 300 an, werden auf 0
zurückgesetzt und bleiben im Bereich zwischen 300 und 1800 konstant auf dem Wert
0. Die durch Vergleich der Hilfsspannung UH4 mit der Steuerspannung USt bestimmten
Zündzeitpunkte liegen bei 3600. Desweiteren ist in Fig. 9 noch das in den Bereichen
150°...180° und 330...3600 auftretende Signal A dargestellt.
-
Bei der zweiten Variante eines Steuersatzes mit erweitertem Steuerbereich
gemäß Fig. 8 kann die maximale Ausgangsgleichspannung des Stromrichters trotz Erweiterung
des Steuerbereichs auf 2100 erreicht werden, d.h. der Steuerwinkel ist von 0° bis
2100 einstellbar. Das Wechselrichter-Kippen des Stromrichters wird wiederum durch
die Anordnung Analog/Binär-Wandler 23 (zur Erfassung des Strom-Istwertes) - UND-Glied
24 (zur Verknüpfung des Stromsignals mit dem Signal A) - Umschalter 22 (zur Zündimpulsbildung)
in der gleichen Art und Weise verhindert, wie unter Fig. 5 beschrieben.
-
In Fig. 10 sind Einzelheiten der Impulserzeugung zu den Varianten
nach Fig. 5 und 8 dargestellt. Das vom UND-Glied 26 (Fig. 5) oder vom Komparator
31 (Fig. 8) abgegebene Signal (Zündbefehle im Bereich der positiven Halbwelle) wird
dem ersten Eingang eines UND-Gliedes 33 zugeführt. Das vom UND-Glied 27 (Fig. 5)
oder vom Kompa-
rator 32 (Fig. 8) abgegebene Signal (Zündbefehl
im Bereich der negativen Halbwelle) gelangt zum ersten Eingang eines UND-Gliedes
34. Den zweiten Eingängen beider UND-Glieder 33, 34 werden während des Betriebes
Impulsrechensignale zugeleitet. In Betriebspausen unterbleibt zur Impulsunterdrückung
die Zuführung dieser Impulsrechensignale.
-
Den beiden UND-Glieder 33, 34 sind zur Impulsauswahl vier UND-Glieder
35, 36, 37, 38 nachgeschaltet. Im einzelnen ist der Ausgang des UND-Gliedes 33 mit
ersten Eingängen der UND-Glieder 35 und 37 sowie der Ausgang des UND-Gliedes 34
mit ersten Eingängen der UND-Glieder 36 und 38 verbunden. Die zweiten Eingänge der
UND-Glieder 35 und 36 werden bei einer Stromrichtung SI (Betrieb im ersten oder
vierten Quadranten) sowie die zweiten Eingänge der UND-Glieder 37 und 38 bei einer
Stromrichtung SII (Betrieb im zweiten oder dritten Quadranten) beaufschlagt.
-
Die Ausgänge der UND-Glieder'35 bzw. 36 bzw. 37 bzw. 38 dienen jeweils
zur Ansteuerung von Schaltern 39 bzw. 40 bzw. 41 bzw. 42. An den Schalter 39 ist
ein Impulsübertrager 43 angeschlossen, der zur Ansteuerung der Stromrichterventile
n2 und n3 dient. Dem Schalter 40 ist ein zur Ansteuerung der Stromrichterventile
nl und n4 geeigneter Impulsübertrager 44 nachgeordnet. Mit dem Schalter 41 ist ein
zur Ansteuerung der Stromrichterventile n6 und n7 dienender Impulsübertrager 45
verbunden. An den Schalter 42 ist ein Impulsübertrager 46 angeschlossen, der zur
Ansteuerung der Stromrichterventile n5 und n8 geeignet ist.
-
- Leerseite -