FI57030C - Regleringsanordning foer stroemriktardrivanordningar i en kretsstroemfri motparallellkoppling - Google Patents

Description

l-^wl fRl kuulutusjulkaisu Γ«ηθΛ ^ (11) UTLÄGGNINGSSKRIFT 57030 C(45) Patentti nyöri no tty 12 05 1900

Patent meddelat V (51) Kv.lk.'/Int.CI.* H 02 P 7/24- SUOMI — FINLAND (21) P*t«nttlh»k*mu* — Ptt«nt*n*5kning 926/Tl (22) Hakemlipllvi —·Ameknlngtdtg 01.0U.71 (23) Alkupilvl — Glltlgh«ttd«g 01.0U.71 (41) Tullut JulklMluI — Bllvlt offmtllg 09.10.71

Patentti-ja rekisterihallitus .... ........ . . . tl , b . . ' , . . , (44) NlhtSviksIpuoon j» kuuLjulkalsun pvm. —

Patent· och registerstyrelsen ' Amökan utlagd oeh uti.*krtfun public«r*d 31.01.80 (32)(33)(31) Pyydetty «tuoikaus—Btgird prlorltet 08.0U . 70

Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) P 2017791-7 ^ (71) Licentia Patent-Vervaltungs-GmbH, Theodor-Stern-Kai 1, 6 Frankfurt 70,

Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken lyskland(DE) (72) Arne Buxbaum, Berlin, Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) (7U) Oy Kolster Ab (5U) Säätölaite suuntaajakäyttöä varten kiertovirtavapaassa vastakkaisrinnankyt-kennässä - Regleringsanordning för strömriktardrivanordningar i en krets-strömfri raotparallellkoppling

Keksintö kohdistuu säätölaitteeseen suuntaaj akäyttöä varten kiertovirtavapaassa vastakkais-rinnankytkennässä, johon kuuluu vähintäin yksi I-toiminnan oma. va virransäätäjä molempien vääntömomenttisuuntien ohjattuja tasasuuntaaja-ryhmiä varten·

Suuntaajakäytön tekniikassa tunnetaan erilaisia kytkentöjä vääntömo-mentin kääntämistä varten (vert· VLE-Buchreihe Band 11, s. 247 ja edell). Paras säätödynamiikka, so. koneen portaaton siirtyminen moottorikäytöstä generaattori-käyttöön ja päinvastoin, saavutetaan kiertovirtasäädetyn risti- tai vastakkais-rinnankytkennän avtilla. Tällöin on jokaisessa ohjatussa tasasuuntaajaryhmässä oma virransäätäjä· Kierroslukusäätäjän ulostulojännitteen napaisuuden mukaan annetaan toiselle tai toiselle virransäätäjälle vastaava asetusarvo· Lisäksi annetaan jokaiselle virransäätäjälle pieni vakiollinen asetusarvo niin, että myöskin ahkkurivirtaan osallistumattomassa ohjatussa tasasuuntaajassa kulkee pieni virta, kiertovirta, jota siten ohjataan, että se on jokainen hetki valmis ottamaan ankkurivirran vastaan. Kiertovirran asetusarvo voidaan valita sopivasti sijoitettujen kiertovirtakuristimien avulla niin korkeaksi, että virransäätö tapahtuu aina aukottomalla alueella.

2 57030

Eräs vain epäoleellisesti huonontunut säätödynamiikka saadaan aikaan kiertovirtavapaan vastakkaisrinnankytkennän avulla, johon kuuluu kaksi virran-säätäjää ja kaksi impulssilaitetta. Paitsi kytkentälogiikkaa kuuluu tähän kytkentään säätäjä, joka ohjaa toiminnasta poissa olevaa virransäätäjää, esimerkiksi ankkurijännitteestä riippuen, siten että momentin suuntaa käännettäessä säätäjän ulostulojännite vastaa likimain ohjatun tasasuuntaajan vaatimaa ohjausta. Momenttikäännöesä esiintyy paitsi virransäädön säätöaikaa myös muutamien millisekuntien kuollut aika.

Säätäjän ohjaus toimii tässä kytkennässä moitteettomasti kuitenkin vain silloin, kun laitteeseen syötetään virtaa aukottomasti. Vahvistus säätökohtees-sa, joka virran ollessa aukoton on likimain vakio, muuttuu siirryttäessä aukko- -alueeseen erittäin voimakkaasti. Kuvassa 1 on esitetty ankkurivirran ominais-käyrät siirtymiskulman β = 180° -a funktiona, moottorin sähkömotorinen voima parametrina, kiertovirtasiltakytkennässä. Vahvistus ilmenee ominaiskäyrän kalte·* _ vuutena. Se pienenee siirryttäessä aukolliseen ankkurivirtaan voimakkaasti. Huomataan, että aukkorajan alapuolella ei ole kiinteää riippuvuutta sähkömotori-sen voiman tai ankkurijännitteen ja siirtymiskulman välillä, vaan että esiintyy voimakas riippuvuus virrasta. Kytkennän käyttö rajoittuu täten riittävän suuren peruskuorman omaaviin koneisiin, jolloin siis konetta käytetään aina aukottomalla virralla tai täytyy käyttää sovitusta aukkorajan pienentämiseksi käyttämällä sopivasti suurta tasavirran tasauskuristinta.

Pienimmät kustannukset mutta myös epäsuotuisimmat dynaamiset ominaisuudet on kiertovirtavapaalla vastakkais-rinnankytkennällä, johon kuuluu yksi virran-säätäjä, yksi impulssilaite ja impulssikytkentä toisesta virtasuuntaryhmästä toiseen. Jokaisessa vaihtokytkennässä siirretään ohjausimpulssi virransäätäjäl-le annetun lisäsignaalin avulla vaihtosuuntaajan säätörajalle. Tapahtuneen vaih-tokytkennän jälkeen täytyy nyt virtasäätäjän ulostulojännitteen kulkea koko vaihtosuuntaajän säätöalueen lävitse aina tarvittaessa täyteen tasasuuntausoh-jaukseen asti, ennen kuin ankkurivirta voi kulkea uudestaan. Virtasäätäjän PI-kytkennän vuoksi tarvitaan tähän aikaväli, joka pienillä käyttövirroilla voi olla sekuntien suuruusluokkaa.

Keksintö perustuu tehtävään säätölaitteen aikaansaamiseksi, jolla vältytään tunnettujen kiertovirtayapaitten vastakkaisrinnankytkentöjen epäkohdista. Ensiksi esitetyssä säätökytkennässä muodostuvat epäkohdat suuresta teknillisestä välineistöstä, joka johtuu kahden virtasäätäjän, kahden impulssilaitteen ja tarvittaessa pienten käyttövirtojen vaatiman suuren tasauskuristimen käytöstä, kun taas viimeksi esitetyllä kytkennällä on huono säätödynamiikka.

Keksinnön lähtökohtana on kiertovirtavapaa vastakkais-rinnankytkentä impulse ikytkennässä. Epäsuotavat säätödynaamiset ominaisuudet johtuvat, kuten on jo mainittu, siitä ajasta, jonka PI-säätäjä tarvitsee siirtääkseen sen vaihtosuuntaajan säätörajaa vastaavan jännitteen tarvittaessa tasasuuntaajan säätöra-jaa vastaavaan jännitteeseen? Tällöin esiintyvien ilmiöiden selventämiseksi, 3

5 7 O 3 G

suoritetaan ensin eräitä säätöteknillisiä tarkasteluja.

PI-säätäjän taajuusvaste G on

1 + PT

G - k ‘ pT (1)

Se voidaan muuttaa muotoon G - k Jossa Τλ = | (2)

Kuviossa 2 on esitetty kaaviokuvat molempia yhtälöitä vastaavasta ankkuri virtasäätäjästä. Yhtälön (2) mukainen kaaviokuva muodostuu P- ja I-elimen rinnakkainkytkennästä. ^Ag ja 1^ olkoon virran asetusarvo vast, virran hetkel-_ lisarvo, TJ^ virtasäätäjän ulostulojännite. Yaihtokytkettäessä toisesta ohjatusta tasasuuntaajaryhmästä toiseen on asetusarvo *Ag säätäjän sisääntulossa, uiostulojännite ja hetkellisarvo 1^ ovat aluksi nollia. Ylitettyään säätö- kynnyksen saa ulostulojännite P-elimen määräämän arvon k . ‘''A- ja nousee sitten

- — T

riippuvaisena säätäjän sisääntulossa esiintyvästä erotuksesta Ag - 1^ niin kauan, kunnes asetusarvo ja hetkellinen arvo ovat yhtäsuuret. Kulloisenkin ohjatun tasasuuntaajan toimintapisteen tarvitsema jännite U. saadaan tasapainotilas-X

sa ( AS " XA = 0) I-elimen ulostulojännitteestä. I-elimen täytyy siis jokaisessa tapauksessa vaihtokytkennän jälkeen nousta tähän arvoon, johon tarvittava aika riippuu toimintapisteestä, parametristä T·^ ja sisääntulossa käytettävissä olevasta asetusarvon ja hetkellisarvon eroituksesta.

Esiteltävän keksinnön perusajatus muodostuu nyt siitä, että tätä aikaa lyhennetään vaikuttamalla sopivasti virtasäätäjän parametreihin. Säätäjän parametrit k ja T määräytyvät virtasäätöön tarvittavan säädön dynaamisen käyttäyty-

T

misen mukaan. Arvoa ^ ei voida käytössä olevassa säädössä stabiliteetti huomioiden oleellisesti lyhentää tavanmukaisiin säätöarvoihin verrattuna. Ajan lyhennys voidaan kuitenkin saavuttaa vain pienentämällä parametria T^. T^tn pienentäminen on mahdollista niin kauan kun vaihtokytkennän jälkeen ei vielä kulje virtaa lainkaan tai aivan minimaalinen virta, koska tässä tapauksessa säätöpiiri ei ole vielä suljettu tai siinä on vain hyvin pieni vahvistus.

Keksinnön mukaisesti muodostetaan sen vuoksi alussa mainitun laatuinen säätölaite siten, että säätäjällä säätöajanlyhentämiseksi vaihtokytkennän jälkeen toisesta ohjatusta tasasuuntaajaryhmästä toiseen määrätyn aseteltavan arvon (herklpyysrajan) alapuolella olevilla virroilla on oleellisesti lyhyempi integrointiaika kuin tämän arvon yläpuolella olevilla virroilla.

Kehitettäessä keksintöä edullisesti edelleen huolehditaan siitä, että säätäjään liitetään kytkinjärjestelmä, joka muuttaa 1-elimen integrointivakiota virran hetkellisarvosta riippuvaisena. Keksinnön seuraa van tunnusmerkin mukaan muodostuu kytkinjärjestelmä komparaattorista tai komparaattoriksi kytketystä vahvistimesta sekä elektronisesta kytkimestä, jota ohjataan komparaattorin tai komparaattoriksi kytketyn vahvistimen ulostulosignaalin avulla. Muut vaikutta-

4 3703C

vat tunnusmerkit muodostuvat siitä, että komparaattorille tai komparaattoriksi kytketylle vahvistimelle johdetaan pontentiometrillä säädettävä etukäteen annettua virranherkkyysrajaa vastaava jännite siten, että virran hetkellisarvon ylittäessä tai alittaessa herkkyysrajan, seuraa aina muutos komparaattorin tai vahvistimen ulostulosignaalissa·

Keksinnön mukaiseksi säätölaitteeksi voidaan periaatteessa asentaa muuttuvan ajallisen käyttäytymisen omaava säätäjä, esimerkiksi I-, PI- tai PID-säätäjä. Oleellista on vain, että säätäjään kuuluu vähintäin yksi I-elin·

Edullinen toteutusmuoto muodostuu silloin, kun säätäjä on rakennettu kytkemällä rinnakkain I-elin ja P-elin, joiden ulostulosignaalit lasketaan yhteen peräänkytketyssä vahvistimessa. Seuraavan edullisen toteutusmuodon mukaan muodostuu säätäjä I-elimestä, jonka sisääntulovastusten rinnalle on kytketty kondensaattori· Lopuksi voidaan säätäjä rakentaa kytkemällä sarjaan kaksi vahvistinta, joista toinen voidaan kytkeä P-toiminnasta PD-toimintaan ja toinen on kytketty integraattoriksi.

Seuraavassa esitellään keksintöä tarkemmin toteutusesimerkkien avulla.

Piirroksista esittää kuvio 3 keksinnön mukaista säätölaitteen kytkentää, jossa säätäjä on rakennettu kytkemällä rinnan P-elin ja I-elin, kuvio 4 keksinnön mukaista säätölaitteen kytkentää, jossa säätäjä muodostuu I-elimestä, jonka sisääntulovastusten rinnalle on kytketty kondensaattori, kuvio 3 keksinnön mukaista säätölaitteen kytkentää, jossa säätäjä on rakennettu kytkemällä sarjaan kaksi vahvistinta.

Kuviossa 3 esitetty säätölaite käsittää vahvistimen 1, jonka takaisin-kytkentäpiirissä on vastus R^. 'Vahvistimen 1 ensimmäisen sisääntulovastuksen R^ kautta syötetään virranasetusarvo Ig ja toisen edullisesti yhtä suuren si-sääntulovastuksen Rg kautta virran hetkellisarvo· Asetushetkellisarvojen vertailu tapahtuu tunnetulla tavalla molempien arvojen vastakkainkytkennän avulla. Varsinainen virransäätäjä on rakennettu kytkemällä rinnan P-elin, joka muodostuu vahvistimesta 2 takaisinkytkentäpiirissä olevan ohmisen vastuksen kanssa, sekä I-elin, jonka muodostaa vahvistin 3 takaisinkytkentäpiirissä olevan kondensaattorin kanssa. Vahvistimessa 1 muodostettu asetus-hetkellisarvojen erotus (säätöpoikkeama) johdetaan P-elimelle 2 sisääntulovastuksen R^ kautta sekä I-elimelle 3 sisääntulovastusten Rg, R^ kautta. Peräänkytketyssä vahvistimessa 4· jonka takaisinkytkentäpiirissä on vastus Rq, suoritetaan ensimmäiselle sisääntulovastukselle R^ johdetun P-osan ja toiselle sisääntulovastukselle R1Q johdetun I-osan yhteenlasku· Vahvistimen 4 ulostulosignaali vaikuttaa sitten esimerkiksi impulssilaitteeseen, joka antaa ohjatun tasasuuntaajan sytytysimpuls· sin.

5 5/03C

Integrointivakion muutos I-elimessä 3 aikaansaadaan oikosulkemalla vast· vapauttamalla I-elimen sisääntulopiirissä oleva ohminen vastue Rg. Jos vastus Rg on oikosuljettu, muodostuu lyhyempi integrointiaika kuin vastuksen ollessa kytkettynä: Ry*C^< (Rg + Ry).C^. Vastuksen Rg oiko sulkeminen suoritetaan elektronisen kytkimen 6 avulla· Tähän kytkimeen voidaan käyttää esimerkiksi kanava-transistoria· Kytkintä 6 ohjataan komparaattorina toimivan vahvistimen 3 avulla. Kytkentä on siten suunniteltu, että virran hetkellisarvolla nolla kytkin 6 on suljettu. Potentiometrin R-^ avulla säädetään hiukan virran arvoa nolla yläpuolella oleva herkkyystäja virralle I. Potentiometristä R^ otettua arvoa vastuksessa R^ verrataan vastukseen R^ johdetun virran hetkellisar-- von I kanssa vastakkaiskytkennässä· Jos virran hetkellisarvo I ylittää etukäteen annetun herkkyysrajan, muuttuu vahvistin 3 toiselta ohjausrajalta toiselle ja aikaisemmin suljettuna ollut kytkin 6 avautuu.

„ Kytkettäessä toisesta ohjatusta tasasuuntaajaryhmästä toiseen muuttuu säätäjä lyhyen integrointiajan johdosta erittäin nopeasti niin korkeaan arvoon, että laite alkaa johtaa virtaa. Muutosintegrointi hidastuu nyt, koska johdettaessa sykkivää virtaa kytkeytyy pitempi integrointiaika. Kuljettuaan aukkoalueen lävitse on aukottomalla virralla jatkuvasti kytkeytynyt tällöin säätöteknilli-sesti välttämätön pitempi integrointiaika. Kytkennän jälkeinen säätöaika lyhenee voimakkaasti tavalliseen säätäjään verrattuna.

Muuttamalla vahvistinjärjestelyä voidaan keksinnön mukaisen säätölaitteen kytkentää säilyttämällä keksinnön perustana olevat ratkaisuperiaatteet vaihdella edullisella tavalla.

Kuvio 4 esittää toisena toteutusesimerkkinä sellaista muunnettua kytkentää, joka verrattuna kuviossa 3 esitettyyn esimerkkiin vaatii pienempää vahvistinten käyttöä. Kytkennän osat, jotka vastaavat kuviossa 3 esitettyjä, ovat " varustettuja samoilla viitenumeroilla. Säätäjä on tässä muodostettu I-elimestä, jonka muodostaa vahvistin 3 takaisinkytkentäpiirissä olevan kondensaattorin kanssa sekä rinnan l-elimen sisääntulovastusten Rg, R^ kanssa kytketystä kondensaattorista Cg. Säätäjä omaa kuten ensimmäisessä toteutusesimerkissä PI-toiminnan. P-vahvistus tapahtuu tällöin kapasitanssien Cg ja osamäärän mukaisesti. Integrointivakion muutos I-elimessä tapahtuu samalla tavalla, kuten kuvion 3 yhteydessä esitettiin.

Kuviossa 3 laajennetaan kolmannen toteutusesimerkin avulla keksinnön mukaista säätölaitetta. Tämä kytkentä vaatii myös vain vähäistä vahvistinten käyttöä. Kytkennän osat, jotka vastaavat kuvioissa 3 ja 4 esitettyjä, ovat myös tässä merkityt samoin viitenumeroin. Tässä esimerkissä esitetty säätäjä muodostuu ensimmäisestä vahvistimesta 7» joka voidaan kytkeä joko P- tai PD-kytken-tään ja tämän kanssa sarjassa olevasta toisesta vahvistimesta 8, joka on kytketty integraattorikei ja siten omaa I-toiminnan. Virranasetusarvon I ja vijp-

S

ran hetkellisarvon I sekä asetus-hetkellisarvojen vertailu tapahtuu kuvioissa , 57030 6 3 ja 4 esitetyillä tavoilla. Vahvistimessa 7 on ensimmäinen takaisinkytkentä» piiri, joka muodostuu ohmisista vastuksista seka maahan kytketystä kondensaattorista CQ sekä toinen ohmisesta vastuksesta R^g. Vahvistimessa Θ on sisääntulovaetus ja takaisinkytkentäpiirissä kondensaattori C^. Vahvisti» men 8 ulostulosignaali vaikuttaa myös tässä esimerkiksi impulssiisitteeseen, joka antaa ohjatulle tasasuuntaajalle sytytysimpulssin.

Säätäjän integrointiajan muutos suoritetaan tässä tapauksessa oikosul» kamalla tai vapauttamalla kondensaattori C · Jos kondensaattori C on oikosul» o o jettu, niin saadaan olettamalla, että R^;^ R-^ + R^, lyhyempi integxointi- aika kuin kondensaattorin ollessa kytketyn. Kondensaattorin C ollessa oikosul» jetun vaikuttaa vastakytkentä ainoastaan suuriohmisen vastuksen R^g kautta. -

Suuriohminen takaisinkytkentä aiheuttaa suuren vahvistuksen ja siten lyhyen integrointiajan. Jos toiselta puolen poistamalla CQ:n oikosulku vapautetaan pieniohminen takaisinkytkentä R^ ja R^ avulla, saadaan pienemmän vahvistuksen vuoksi pitempi integrointiaika. Ehto R^g^> R^ + R^,- voidaan esimerkiksi tavallisissa ankkurivirtasäätöpiireissä säilyttää. Muutoin tehtäisiin vastakytkentä Rlg:n yli tehottomaksi samoinkuin tehdään R^in ja R^jn yli, kun viimeksimainittu vapautetaan. Vahvistimien 7 ja 8 sarjaankytkennästä muodostuneella säätäjällä on I-toiminta, kun CQ on oikosuljettu, sitävastoin PI-toiminta, kun CQ:n oikosulku poistetaan. Kondensaattorin CQ oikosulku saadaan kytkimen 6 avulla, jota ohjataan samalla tavalla kuin totettosesimerkeissä 3 Ja 4·

Keksinnön avulla saadaan aikaan kiertovirtavapaassa vastakkaisrinnankyt-kennässä ainoastaan muutaman millisekunnin kuolleen ajan omaava kiertovirtasää-dettyä vastakkaisrinnankytkentää vastaava hyvä säätödynamiikka muiitajakoneisto-jen koko käyttöalueella.

Claims (8)

1. 7 57030
2. 1· Säätölaite suuntaajakäyttöä varten kiertovirtavapaassa vastakkais-rinnankytkennässä, jossa on vähintään yksi I-»toiminnan omaava virransäätäjä molempien vääntömomenttisuuntien ohjattuja tasasuuntaajaryhmiä varten, tunnettu siitä, että säätäjällä on säätöajan lyhentämiseksi kytkettäessä toisesta ohjatusta tasasuuntaajaryhmästä toiseen aseteltavan arvon (herkkyysrajan) omaavien virtojen alapuolella huomattavasti lyhyempi integrointia!ka kuin tämän arvon yläpuolella olevilla virroilla·
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen säätölaite, tunnettu siitä, " että säätäjään on asennettu kytkentälaite, joka muuttaa I-elimen integrointi-aikaa riippuvaisena virran hetkellisarvosta.
4. 3· Patenttivaatimuksen 2 mukainen säätölaite, tunnettu siitä, " että kytkentälaite muodostuu komparaattorista tai komparaattoriksi kytketystä vahvistimesta (3) sekä sähköisestä kytkimestä (6), jota ohjataan komparaattorin tai komparaattoriksi kytketyn vahvistimen (3) ulostulosignaalin avulla.
5. 4· Patenttivaatimuksen 3 mukainen säätölaite, tunnettu siitä, että komparaattorille tai komparaattoriksi kytketylle vahvistimelle (5) johdetaan potentiometrissä (R^ säädettävä etukäteenannettua virran herkkyysrajaa vastaava jännite sekä myös virran hetkellistä arvoa vastaava jännite siten, että virran hetkellisen arvon ylittäessä tai alittaessa herkkyysrajan tapahtuu aina muutos komparaattorin tai vahvistimen (3) ulostulosignaalissa.
6. 3· Patenttivaatimuksen 1 mukainen säätölaite, tunnettu siitä, että säätäjä on rakennettu kytkemällä rinnan P-elin (2) ja I-elin (3), joiden ulostulosignaalit lasketaan yhteen peräänkytketyssä vahvistimessa (4).
7. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen säätölaite, tunnettu siitä, että säätäjä muodostuu I-elimestä (3)· jonka sisääntulovastusten (Rg, R^) rinnalle on kytketty kondensaattori (Cg)·
8. 7· Patenttivaatimuksen 1 mukainen säätölaite, tunnettu siitä, ^ että säätäjä on rakennettu kytkemällä sarjaan kaksi vahvistinta (7f8), joista toinen (7) on kytkettävissä P-toiminnasta PD-toimintaan ja toinen (8) on kytketty integraattoriksi.