DE4136475C2 - Verfahren zur Beeinflussung der Regelungseigenschaften eines überlagerten Drehzahl- oder Drehmomentregelkreises eines Gleichstrommmotors mit Stromrichterspeisung in GO-Schaltung im Bereich kleiner Drehmomente und mit Drehmomentreversierung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung der Regelungseigenschaften eines überlagerten Drehzahl- oder Drehmomentregelkreises eines Gleichstrommotors mit einem Regelkreis für den magnetischen Fluß oder, im Ablösebereich, für die elektromotorische Kraft (EMK), der über einen unterlagerten Ankerstromregelkreis von Stromrichtern in kreisstromfreier Schaltung (GO) gespeist und mit kleinen Drehmomenten beaufschlagt wird und dessen Drehmomentrichtung umkehrbar ist.

In Drehzahl- oder Drehmomentregelkreisen mit Gleichstrommotoren werden in der Regel Stromrichter mit kreisstromfreier GO-Schaltung eingesetzt. Sie sind wesentlich kostengünstiger als kreisstrombehaftete Stromrichter. Die kreisstromfreie GO-Schaltung besitzt zwei Stromrichtergruppen, die zueinander antiparallel geschaltet sind. Jede Stromrichtergruppe ist für eine Stromrichtung und im Zusammenhang damit eine Drehmomentrichtung des Gleichstrommotors zuständig. Die Wahl der jeweiligen Stromrichtergruppe geschieht durch eine Umschaltlogik, die aus der Regelabweichung die Stromsollwertrichtung feststellt. Eine Drehzahlregelschaltung für einen fremderregten Gleichstrommotor mit kreisstromfreier GO-Schaltung ist z. B. aus dem Firmenprospekt "Midisemi, Maxisemi" der AEG Aktiengesellschaft bekannt.

Die Ansprechschwelle der Umschaltlogik liegt z. B. bei etwa 5% des Nennstroms des Stromrichters. Dies führt dazu, daß der Strom nicht stoßfrei auf eine andere Stromrichtung umgeschaltet wird und innerhalb des jeweiligen Regelkreises Totzeiten auftreten. Bei sehr kleinen Stromsollwerten werden Totzeiten besonders groß und stören die Stromregelung. Dies wirkt sich auf die überlagerten Regelungen ungünstig aus.

Bekannt ist auch eine Schaltung zur Drehzahlregelung eines fremderregten Gleichstromnebenschlußmotors mit einem in Abhängigkeit von der Drehzahl oder einer der Drehzahl proportionalen Größe steuerbaren Verstärkers, mit dem ein gleichmäßiges regeldynamisches Verhalten im gesamten Feldschwächebereich erzielt wird (DD 234 777 A3).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei kleinen Drehmomenten und beim Umschalten der Stromrichtung in den kreisstromfreien Stromrichtern ungünstige Auswirkungen auf die Regelung der überlagerten Regelkreise mit Gleichstrommotoren zu vermeiden, bzw. stark abzuschwächen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der magnetische Fluß des Gleichstrommotors bei niedrigen Ankerströmen, die wenigstens im Bereich bis zur Höhe einer für die Umschaltung der Ankerstromrichtung notwendigen Ansprechschwelle liegen, reduziert wird, und daß trotz der Reduzierung des Flusses die Kreisverstärkung im überlagerten Drehzahl- oder Drehmomentregelkreis auf gleichem Wert gehalten wird. Das hat zur Folge, daß das Drehmoment gegenüber dem Strom flußproportional abnimmt und bei der unverändert fest eingestellten Stromumschaltschwelle von z. B. 5% entsprechend kleinere Luftspaltmomente erzeugt und kommutiert werden, wobei die überlagerte Regelung (Drehzahl- oder Drehmomentregelung) nur geringfügig oder gar nicht gestört wird.

Die verursachte Reduzierung des magnetischen Flusses bewirkt gleichzeitig in dem überlagerten Regelkreis (Drehzahl- oder Drehmomentregelkreis) eine Absenkung der Regelkreisverstärkung.

Diese Reduzierung wird erfindungsgemäß kompensiert, indem der magnetische Fluß ab einer einstellbaren Ansprechschwelle ankerstromabhängig reduziert wird und die Kreisverstärkung umgekehrt proportional zum magnetischen Fluß beeinflußt wird.

Bei einem Verfahren zur Beeinflussung der Regelungseigenschaften eines Regelkreise für den magnetischen Fluß oder im Ablösebereich für die elektromotorische Kraft (EMK) eines Gleichstrommotors mit einem überlagerten Drehzahlregelkreis, der über einen unterlagerten Ankerstromregelkreis von Stromrichtern in kreisstromfreier Schaltung gespeist und mit kleinen Drehmomenten beaufschlagt wird und dessen Drehmomentrichtung umkehrbar ist, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sollwert des Regelkreises für den magnetischen Fluß oder die elektromotorische Kraft (EMK) bei niedrigen Ankerströmen, die wenigstens im Bereich bis zur Höhe einer für die Umschaltung der Ankerstromrichtung notwendigen Ansprechschwelle liegen, auf einen Bruchteil des Nennwertes zurücknehmbar ist, daß in dem Regelkreis für den magnetischen Fluß oder die elektromotorische Kraft (EMK) zur Kompensation des Abfalles der Regelkreisverstärkung durch den Betrag der Drehzahl des Gleichstrommotors dividiert wird und daß diese Division als Multiplikation in der Rückführung eines Regelverstärkers des Regelkreises für den magnetischen Fluß oder die elektromotorische Kraft (EMK) durchgeführt wird.

Im Ankerstellbereich wird der magnetische Fluß und im Feldstellbereich die EMK des Gleichstrommotors geregelt (Ablöseregelung).

Aus dem magnetischen Fluß wird mit Hilfe eines Kennliniengliedes "Ie = f (magn. Fluß)" der Erregerstrom des Gleichstrommotors gebildet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Prinzipskizze dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Die Prinzipskizze zeigt ein Blockschaltbild eines Drehzahlregelkreises mit einem Gleichstrommotor als Stellglied des Regelkreises. Ein Drehzahlregelkreis 1 enthält den fremderregte Gleichstrommotor 12, dessen Welle eine nicht dargestellte Last antreibt.

Bei der Last handelt es sich vorzugsweise um ein Maschinenteil, z. B. ein Getriebe, oder um ein anderes Aggregat, das belastet werden soll, indem Betriebszustände simuliert werden. Der Gleichstrommotor 12 weist eine Feldwicklung 11 auf, die Bestandteil eines Regelkreises 2 für den magnetischen Fluß oder die elektromotorische Kraft, im folgenden EMK genannt, des Gleichstrommotors 12 ist. Mit der Welle des Gleichstrommotors 12 ist eine Tachomaschine 13 verbunden.

Mit einem Sollwerteinstellglied, insbesondere einem Sollwertpotentiometer 21, wird der Drehzahlsollwert vorgegeben und einem Sollwertintegrator 22 zugeführt, dem eine Summierstelle 23 nachgeschaltet ist, an die auch der Ausgang der Tachomaschine 13 und der Ausgang eines Multiplizierers 25 gelegt sind. Die in der Summierstelle 23 gebildete Regelabweichung beaufschlagt einen Regelverstärker 24, der an einen Anpaßverstärker 26 angeschlossen ist.

In der Rückführung des Regelverstärkers 24 liegt der Multiplizierer 25, der das Rückführungssignal mit dem magnetischen Fluß multipliziert und auf diese Weise die durch die Änderung des magnetischen Flusses verursachte Änderung der Regelkreisverstärkung im äußeren Regelkreis wieder ausgleicht.

Mit dem Ausgang des Anpaßverstärkers 26 ist ein unterlagerter Stromregelkreis 3 für den Ankerstrom des Gleichstrommotors verbunden. Der Ankerstromregelkreis 3 enthält eine Summierstelle 27 und eine Umschaltlogik 4, die vom Ausgangssignal des Anpaßverstärkers 26 beaufschlagt werden. Der Summierstelle 27 wird das Stromistwertsignal und ein Stromsollwertsignal zugeführt. Diese Größen können Beträge sein (nicht dargestellt). Ferner ist ein kreisstromfreier Stromrichter 28 in GO- Schaltung nachgeschaltet. Der Stromrichter 28 weist zwei Stromrichtergruppen 28a, 28b auf. Jede Stromrichtergruppe ist für eine andere Stromrichtung zuständig. Die Ansteuerung der einen oder anderen Stromrichtergruppe 28a, 28b erfolgt in Abhängigkeit von der Stromsollwertrichtung über die Umschaltlogik 4. Der Stromrichter 28 ist eingangsseitig an das Drehstromnetz und ausgangsseitig über eine Stromistwerterfassung 16 mit dem Anker des Gleichstrommotors 12 verbunden.

Der Regelkreis 2 für den magnetischen Fluß oder die EMK enthält einen unterlagerten Feldstromregelkreis 5 mit einem Stromrichter 10, der eingangsseitig vom Netz gespeist wird und ausgangsseitig über eine Stromistwerterfassung 6 an die Feldwicklung 11 angeschlossen ist. Stromistwert und Stromsollwert sind vorzugsweise als Beträge (nicht dargestellt) ausgebildet.

Die Stromistwerterfassung 6 ist mit einer Summierstelle 7 verbunden, die weiterhin von dem dem Kennlinienglied 9.1 entnommenen Erregerstrom beaufschlagt ist. Ein Sollwertpotentiometer 40 für die Einstellung des Nennwertes des magnetischen Flusses bzw. der EMK ist mit einer Summierstelle 41 verbunden, der ein Summierverstärker 42 nachgeschaltet ist. Der Summierverstärker 42 ist ausgangsseitig mit einer Summierstelle 43 verbunden, der ein Regelverstärker 9 nachgeschaltet ist.

Im Rückkoppelzweig des Regelverstärkers 9 ist ein Multiplizierer 8 angeordnet, der im Feldstellbereich des Gleichstrommotors 12 die von der Drehzahl verursachte Verstärkungsänderung wieder aufhebt, indem er den Rückführwert des Regelverstärkers 9 mit dem Drehzahlwert im Feldstellbereich multipliziert. Der reale Drehzahlwert wird von dem Betragsbildner 37 geliefert.

Aus dem Ankerspannungsistwert XUA und dem Stromistwert IA wird mit einer Summierstelle 17 und einem nachgeschalteten Betragsbildner 44 der Betrag des EMK-Istwerts XE gebildet und der Summierstelle 43 zugeführt.

Ein Sollwerteinsteller 14 für eine ankerstromabhängige EMK-Absenkung ist an eine Summierstelle 15 gelegt, die mit einem Betragsbildner 18 verbunden ist, der an die Stromistwerterfassung 16 angeschlossen ist. Der Summierstelle 15 ist ein Summier- und Begrenzungsverstärker 45 nachgeschaltet, der ausgangsseitig die Summierstelle 41 speist.

Die Figur zeigt einen Drehzahlregelkreis 1. An dessen Stelle könnte auch ein Drehmomentregelkreis vorhanden sein, wobei der Istwert der Regelgröße von einem Drehmomentsensor erzeugt werden müßte.

Wenn bei einer GO-Schaltung des Stromrichters 28 der Stromsollwert WIA abklingt, durch Null geht und mit umgekehrter Polarität wieder ansteigt, kann der Stromistwert dieser Signaländerung beim Nulldurchgang nicht sofort folgen. Der Strom in der stromführenden Stromrichtergruppe, z. B. 28a, muß zuvor abklingen und diese Stromrichtergruppe muß gesperrt werden. Dann wird von der Umschaltlogik 4 beim Überschreiten der Stromschwelle von ca. 5% des Stromnennwertes in der neuen Stromrichtung die zweite Stromrichtergruppe, z. B. 28b, freigegeben und sie kann den Strom führen. Innerhalb der dazu erforderlichen Umschaltzeit (Totzeit) kann eine Stromregelabweichung auftreten, die bei der Freigabe der zweiten Stromrichtergruppe, z. B. 28b, zu einem Einschwingvorgang mit Strom- und Drehmomentenstörungen führen kann. Bei kleinen Stromsollwerten kann die Zeit (Totzeit) bis zum Erreichen des Stromschwellwertes relativ groß werden und die Drehzahl- bzw. Drehmomentregelung bei kleiner Last erheblich stören.

Normalerweise werden stromrichtergespeiste Gleichstrommotoren im unteren Drehzahlbereich konstant mit Nennfluß erregt. Das innere Drehmoment des Gleichstrommotors ist dann proportional IA.

1) Mi = IA × Φ_N.

Im Ansprechpunkt der Umschaltlogik bei z. B. IA = 5% des Nennstroms ist das innere Drehmoment dann ebenfalls 5% des Nennmoments.

Hierin sind mit Mi das innere Moment, mit IA der Ankerstrom, mit Φ der magnetische Fluß und mit N der Nennwert bezeichnet.

Wird der magnetische Fluß im Feld des Gleichstrommotors bei kleinen Ankerströmen im Bereich der Umschaltschwelle z. B. auf 0,2 × Φ reduziert, geht auch das für die überlagerten Regelungen maßgebende innere Drehmoment des Gleichstrommotors entsprechend stark zurück, so daß bei der Strom-Umschaltschwelle von 5% nur ein inneres Drehmoment von z. B.

2) Mi = 0,05 × IA_N × 0,2 × Φ_N = 0,01 × Mi_N

ansteht.

Durch die Schwächung des magnetischen Flusses wird gleichzeitig die Regelkreisverstärkung des äußeren Regelkreises entsprechend zurückgenommen.

Wenn der Gleichstrommotor im oberen Drehzahlbereich mit konstanter Leistung gefahren werden soll, wird eine Ankerspannungs- oder EMK-Regelung vorgesehen. Dadurch wird dort ebenfalls eine Schwächung des magnetischen Flusses vorgenommen, der die gleiche, schwächende Wirkung auf die Regelkreisverstärkung des äußeren Regelkreises hat. Der Abfall der Regelkreisverstärkung ist in beiden Fällen regelungstechnisch ungünstig und wird mit der oben beschriebenen Schaltung kompensiert.

Beim Betrieb des Gleichstrommotors im Feldstellbereich (Bereich bei konstanter Leistung) wird die EMK konstant gehalten. D. h. der magnetische Fluß ist umgekehrt proportional der Drehzahl.

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung erlaubt einen einwandfreien Betrieb im Bereich kleiner Drehmomente und bei Drehmomentreversierungen ohne große Drehmomentstöße unter Beibehaltung einer gleichbleibend guten Regeldynamik im gesamten Arbeitsbereich des Gleichstrommotors 12.

Die oben beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:
Um störende Totzeiten und Drehmomentstöße im Bereich der Ansprechschwelle der Umschaltlogik 4 zu vermeiden, wird der EMK-Sollwert ankerstromabhängig auf folgende Weise zurückgenommen.

Der EMK-Sollwert WE soll z. B. im Bereich von 10 bis 0% Ankernennstrom linear von 100 auf 20% des Nennwertes zurückgenommen werden. Am Sollwertpotentiometer 14 ist der Wert 10% IA_N einzustellen. Beim Ankernennstrom < 10% überwiegt der Betrag des Ankerstromes IA und der Verstärker 45 wird an den Anschlag 0% gelegt. Wird IA < 10% überwiegt der Wert vom Sollwertpotentiometer 14 und subtrahiert in der Summierstelle 41 einen Wert vom Nennwert des magnetischen Flusses bzw. der EMK. Die zu subtrahierende Größe wird so bewertet, daß sie bei IA = 0, 80% beträgt. Am Sollwerteinsteller 40 ist der Nennwert WE_N = 100% eingestellt. Ist der Ankerstrom IA = Φ werden 80% subtrahiert, so daß WE hinter dem Verstärker 42 20% beträgt.

Bei kleinen Drehzahlen, d. h. im Ankerstellbereich des Gleichstrommotors 12 läuft der Regelverstärker 9 an seinen Anschlag und begrenzt damit den magnetischen Fluß. Damit die ankerstromabhängige Rücknahme des magnetischen Flusses auch im Ankerstellbereich des Gleichstrommotors 12 funktionieren kann, wird die EMK-Grenze mit dem Sollwert WE mitgeführt (Regelung des magnetischen Flusses).

Wirkungsweise der Kompensation der drehzahlabhängigen Verstärkungsänderung im Regelkreis 2.

Die in Formel

3) EMK = k × Φ × n

erkennbare Beeinflussung durch die Drehzahl n kann im Regelkreis 2 durch eine Division durch n kompensiert werden. Das geschieht in der Prinzipskizze durch eine Multiplikation mit n-Betrag in der Reglerrückführung des Regelverstärkers 9.

Wirkungsweise der Kompensation der Φ-abhängigen Änderung des inneren Drehmoments des Gleichstrommotors 12.

Es gilt die Beziehung

4) Mi = IA × Φ.

Die erkennbare Abhängigkeit des inneren Drehmomentes von Φ kann durch eine Division mit Φ innerhalb des äußeren Regelkreises kompensiert werden.

Im äußeren Regelkreis geschieht das durch eine Multiplikation mit Φ mit dem Multiplizierer 25 in der Rückführung des Regelverstärkers 24.

Durch die oben beschriebene Anordnung wird die Regelung von z. B. drehzahl- oder drehmomentgeregelten Gleichstrommotoren im Betrieb mit kleinen Ankerströmen und beim Drehrichtungswechsel im Anker und Feldstellbereich verbessert.

Claims (9)

1. Verfahren zur Beeinflussung der Regelungseigenschaften eines überlagerter Drehzahl- oder Drehmomentregelkreises eines Gleichstrommotors mit einem Regelkreis für den magnetischen Fluß oder, im Ablösebereich, für die elektromotorische Kraft (EMK), der über einen unterlagerten Ankerstromregelkreis von Stromrichtern in kreisstromfreier Schaltung gespeist und mit kleinen Drehmomenten beaufschlagt wird und dessen Drehmomentrichtung umkehrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Fluß des Gleichstrommotors (12) bei niedrigen Ankerströmen, die wenigstens im Bereich bis zur Höhe einer für die Umschaltung der Stromrichtung notwendigen Ansprechschwelle liegen, reduziert wird und daß trotz der Reduzierung des Flusses die Kreisverstärkung im überlagerten Drehzahl- oder Drehmomentregelkreis auf gleichem Wert gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Fluß ab einer einstellbaren Ansprechschwelle ankerstromabhängig reduziert wird und daß die Kreisverstärkung umgekehrt proportional zum Fluß beeinflußt wird.

3. Verfahren zur Beeinflussung der Regelungseigenschaften eines Regelkreises für den magnetischen Fluß oder, im Ablösebereich, für die elektromotorische Kraft (EMK) eines Gleichstrommotors mit einem überlagerten Drehzahlregelkreis, der über einen unterlagerten Ankerstromregelkreis von Stromrichtern in kreisstromfreier Schaltung gespeist und mit kleinen Drehmomenten beaufschlagt wird und dessen Drehmomentrichtung umkehrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert des Regelkreises (2) für den magnetischen Fluß oder die elektromotorische Kraft (EMK) bei niedrigen Ankerströmen, die wenigstens im Bereich bis zur Höhe einer für die Umschaltung der Ankerstromrichtung notwendigen Ansprechschwelle liegen, auf einen Bruchteil seines Nennwertes zurücknehmbar ist, daß in dem Regelkreis (2) für den magnetischen Fluß oder die elektromotorische Kraft (EMK) zur Kompensation des Abfalles der Regelkreisverstärkung durch den Betrag der Drehzahl des Gleichstrommotors (12) dividiert wird und daß diese Division als Multiplikation in der Rückführung eines Regelverstärkers (9) des Regelkreises (2) für den magnetischen Fluß oder die elektromotorische Kraft (EMK) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelkreis (2) für den magnetischen Fluß oder die elektromotorische Kraft (EMK) des Gleichstrommotors (12) im Feldstellbetrieb bei einer Drehzahländerung die Kreisverstärkung umgekehrt proportional zur Drehzahländerung auf gleichbleibendem oder ungefähr gleichbleibendem Wert gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Ankerstrom entsprechende Größe über einen Betragsbildner (18) einer Summierstelle (15) zugeführt wird, an der ein die obere Grenze des Bereichs festlegender Wert subtrahiert wird, und daß die Differenz einen nur negative Werte ausgebenden Verstärker (45) beaufschlagt, dem eine vom Sollwert für die elektromotorische Kraft (EMK) beaufschlagte Summierstelle (41) nachgeschaltet ist, die über einen Summierverstärker (42) mit einer Summierstelle (43), der ein Regelverstärker (9) nachgeschaltet ist, verbunden ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Drehzahl des Gleichstrommotors (12) entsprechende Größe einen Betragsbildner (37) beaufschlagt, der mit einem Eingang eines Multiplizierers (8) verbunden ist, der im Rückkopplungszweig des Regelverstärkers (9) im Regelkreis (2) für den magnetischen Fluß oder die elektromotorische Kraft (EMK) angeordnet ist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis (1) für die Drehzahl des Gleichstrommotors (12) einen Regelverstärker (24) für die Drehzahlregelabweichung mit einem Multiplizierer (25) in seinem Rückkopplungszweig enthält, dessen eine Eingangsgröße dem magnetischen Fluß des Gleichstrommotors (12) proportional ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplizierer (25) an einem Eingang mit dem Ausgang des Regelverstärkers (9) im Regelkreis (2) für den magnetischen Fluß oder die elektromotorische Kraft (EMK) verbunden ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des erforderlichen magnetischen Flusses ein Kennlinienglied (9.1) im Regelkreis (2) für den magnetischen Fluß oder die elektromotorische Kraft (EMK) enthalten ist.