DE1121697B - Circuit arrangement for automatic overload protection in control loops - Google Patents

Description

Schaltungsanordnung für einen selbsttätigen Überlastschutz in Regelkreisen Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen selbsttätigen überlastschutz in Regelkreisen, insbesondere zur Begrenzung der Stellgröße bei schnellen Sollwertänderungen, bei der neben der Rückführung des Istwertes auf die Soll-Ist-Wertvergleichseinrichtung die Differenz zwischen einer von einer Regelkreisgröße abgeleiteten Größe und einem Schwellwert (Begrenzergröße) auf den Eingang des Regelkreises zurückgeschaltet wird.Circuit arrangement for automatic overload protection in control loops The invention relates to a circuit arrangement for automatic overload protection in control loops, in particular to limit the manipulated variable in the event of rapid setpoint changes, in addition to the feedback of the actual value to the target / actual value comparison device the difference between a variable derived from a control loop variable and a Threshold value (limiter value) is switched back to the input of the control loop.

In der Regelungstechnik treten oftmals Regelstrecken auf, die mit großer Trägheit behaftet sind, z. B. hinsichtlich der Drehzahl zu regelnde Antriebe mit großen Schwungmassen bzw. Schwerlastantriebe. Bei schnellen Sollwertänderungen treten dann unzulässig hohe Werte der Stellgröße bzw. von Größen in der Regelstrecke auf.In control engineering, controlled systems often occur with are afflicted with great inertia, e.g. B. with regard to the speed to be controlled drives with large flywheels or heavy-duty drives. With rapid setpoint changes then inadmissibly high values of the manipulated variable or variables occur in the controlled system on.

Ist die Regelstrecke nicht mit einer Trägheit behaftet, so folgt die Regelgröße bzw. der Istwert in gewünschter Weise einer Änderung des Sollwertes. Es können jedoch durch Belastungsstöße unzulässig hohe Werte von Größen in der Regelstrecke auftreten. Für das Beispiel der Drehzahlregelung eines Antriebes können vorstehend beschriebene Einflüsse einen unzulässig hohen Ankerstrom zur Folge haben.If the controlled system is not subject to inertia, it follows Controlled variable or the actual value in the desired way of changing the setpoint. However, inadmissibly high values of variables in the controlled system can occur due to load surges appear. For the example of speed control of a drive, above The influences described result in an impermissibly high armature current.

Um ein störungsfreies Arbeiten des Regelkreises zu gewährleisten, sind somit zusätzliche Maßnahmen zu treffen. Bekannt sind Begrenzerschaltungen bzw. der Einsatz eines trägen Sollwertverstärkers. Es sind Begrenzerschaltungen bekannt, die bei einer Drehzahlregelung eines Antriebes eine Begrenzung des Ankerstromes ermöglichen. Derartige Begrenzerschaltungen weisen ein Glied mit nichtlinearer Charakteristik auf, beispielsweise nichtlineare Widerstände, magnetische Verstärker, Röhren u. dgl., bzw. vorgespannte Gleichrichter.To ensure trouble-free operation of the control loop, additional measures must therefore be taken. Limiter circuits or the use of a sluggish setpoint amplifier. Limiter circuits are known limiting the armature current in the case of speed control of a drive enable. Such limiter circuits have a member with a non-linear characteristic on, for example, non-linear resistors, magnetic amplifiers, tubes and the like. Like., or biased rectifier.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 beispielsweise eine derartige bekannte Schaltungsanordnung dargestellt, bei der außer einer Drehzahlregelung des Leonardmotors 3 eine Strombegrenzung vorgenommen wird. Als Istwert dient die Ankerspannung, die mit dem am Sollwertgeber 5 eingestellten Sollwert verglichen wird. Die Differenz zwischen Soll- und Istwert steuert die Amplidynesteuerwicklung la und damit den Leonardgenerator 2 aus. Im Strombegrenzerkreis wird der Spannungsabfall in einem Zweig des Ankerkreises an den Bürsten des Generators 2 und des Motors 3 gemessen und mit der Vorspannung der Gleichrichteranordnung 4 verglichen. Die Vorspannung der Gleichrichter ist so eingestellt, daß bei Erreichen des maximal zulässigen Ankerstromes der Ankerspannungsabfall die Vorspannung überschreitet und die Spannungsdifferenz d. h. die Begrenzergröße eine Durchflutung des Feldes 1 b der Amplidynebewirkt. Es ist auch üblich, an Stelle der Gleichrichteranordnung elektronische Mittel oder auch Magnetverstärker vorzusehen.In the drawing, FIG. 1 shows, for example, such a known circuit arrangement in which, in addition to regulating the speed of the Leonard motor 3, current is limited. The armature voltage, which is compared with the setpoint set on the setpoint generator 5, serves as the actual value. The amplitude control winding la and thus the Leonard generator 2 control the difference between the setpoint and actual value. In the current limiter circuit, the voltage drop in a branch of the armature circuit is measured at the brushes of the generator 2 and the motor 3 and compared with the bias voltage of the rectifier arrangement 4. The bias voltage of the rectifier is set so that when the maximum permissible armature current is reached, the armature voltage drop exceeds the bias voltage and the voltage difference, ie the limiter value, causes the field 1 b of the amplidynes to flow through. It is also customary to provide electronic means or magnetic amplifiers instead of the rectifier arrangement.

Die in Fig.l dargestellte Schaltungsanordnung zeigt folgende Nachteile: Um den gewünschten Effekt zur Begrenzung zu erzielen, ist ein relativ großer Leistungsaufwand notwendig, da Stromänderungen bei raschen Änderungen der Ankerspannung, insbesondere bei Verwendung von Maschinen mit harter Charakteristik bzw. bei geregelten Maschinen, ein vielfaches des Nennstromes betragen, weshalb die Stromregelung eine große Regelverstärkung haben muß, wenn die Überschreitungen des zulässigen Grenzwertes tragbar bleiben sollen. Der hohe Verstärkungsfaktor bringt jedoch eine Instabilität in den Regelkreis. Mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist somit eine stabile Strombegrenzung nur schwer zu erzielen, da sie beim Einsetzen der Begrenzerwirkung zu einer dynamischen Instabilität neigt. Es besteht weiterhin die Forderung, daß die Strombegrenzung um so härter sein muß, je trägheitsloser die Spannungsregelung ist. Das bedeutet, daß der Widerstand des Steuerfeldes 1 b trotz großer Windungszahl klein sein muß. Außerdem müssen die Widerstände der Gleichrichteranordnung 4 genügend niedrig bleiben, damit die Differenzspannung eine Durchflutung der Wicklung 1 b hervorruft, die in der Lage ist, die Durchflutung des von der Soll-Ist-Wertdifferenz gesteuerten Feldes 1 a auszulöschen. Wenn bei einem bestimmten Belastungszustand die Strombegrenzung die Motordrehzahl zu einem Stillstand zwingt, dann ist die Sollwertspannung immer noch voll wirksam und ruft eine stärkere Durchflutung des Feldes la hervor als bei normalem Betrieb, wobei die Ankerspannung angenähert Null ist.The circuit arrangement shown in Fig.l shows the following disadvantages: In order to achieve the desired effect of limiting, a relatively large amount of power is required, since current changes with rapid changes in the armature voltage, especially when using machines with hard characteristics or with regulated machines multiples of the nominal current, which is why the current control must have a large control gain if the exceeding of the permissible limit value is to remain acceptable. However, the high gain factor brings instability in the control loop. With the circuit arrangement according to FIG. 1, stable current limitation can therefore only be achieved with difficulty, since it tends to dynamic instability when the limiter effect starts. There is also the requirement that the current limitation must be harder, the more inertia the voltage regulation is. This means that the resistance of the control panel 1b must be small despite the large number of turns. In addition, the resistances of the rectifier arrangement 4 must remain sufficiently low so that the differential voltage causes the winding 1 b to flow through, which is able to extinguish the flow of the field 1 a controlled by the target / actual value difference. If the current limitation forces the motor speed to standstill under a certain load condition, the setpoint voltage is still fully effective and causes a stronger flooding of the field la than in normal operation, with the armature voltage being approximately zero.

In Fig. 2 ist zur Erläuterung das Strukturbild der in Fig. 1 gebrachten Schaltungsanordnung dargestellt. In den übertragungsgliedern 11, 12, 13 sind die übergangsfunktionen, d. h. in Block 11 die Wirkung der Zeitkonstante der Steuerwicklungen 1 a und 1 b, in Block 12 die des Kurzschlußkreises der Amphdyne und in Block 13 die des Generatorfeldes dargestellt. Im Ausgang des Regelkreises wird der Strom gemessen und bei überschreitung des Schwellwertes über die Gleichrichteranordnung 4 auf den Eingang des Regelkreises geführt. Nimmt man eine Verstärkung des Regelkreises von 14 an und ist die Belastungshöhe so groß, daß die Strombegrenzerschaltung zu einem Stillstand führen muß, so liegt an Feld 1 a der 15fache Steuerbefehl gegenüber dem normalen Betrieb vor. Dieser 15fache Steuerbefehl muß bei dieser Belastung, die zum Stillstand führen soll, von Feld 1 b angenähert aufgehoben werden.In FIG. 2, the structural diagram of the circuit arrangement shown in FIG. 1 is shown for explanation. In the transfer elements 11, 12, 13 the transition functions are shown, ie in block 11 the effect of the time constant of the control windings 1 a and 1 b, in block 12 that of the short circuit of the amphdyne and in block 13 that of the generator field. The current is measured at the output of the control circuit and, if the threshold value is exceeded, it is fed to the input of the control circuit via the rectifier arrangement 4. If one assumes a gain of the control loop of 14 and the load level is so great that the current limiter circuit must lead to a standstill, then there is 15 times the control command at field 1 a compared to normal operation. This 15-fold control command must be lifted approximately b at this load, which should lead to a stop of field. 1

Die Erfindung geht von der bekannten Schaltungsanordnung für einen selbsttätigen überlastschutz in Regelkreisen, bei der neben der Rückführung des Istwertes auf die Soll-Ist-Wertvergleichseinrichtung die Differenz zwischen einer von einer Regelkreisgröße abgeleiteten Größe und einem Schwellwert (Begrenzergröße) auf den Eingang des Regelkreises zurückgeschaltet wird, aus. Die Erfindung besteht darin, daß die Begrenzergröße zusammen mit dem Sollwert auf einen im Eingang des Regelkreises liegenden Hilfsverstärker geschaltet wird, der eine gegenüber den nachgeschalteten übertragungsgliedem große Zeitkonstante besitzt.The invention is based on the known circuit arrangement for a automatic overload protection in control loops, in which, in addition to the return of the Actual value on the setpoint / actual value comparison device the difference between one variable derived from a control loop variable and a threshold value (limiter variable) is switched back to the input of the control loop. The invention exists in that the limiter variable together with the setpoint is set to a value in the input of the Control loop lying auxiliary amplifier is switched, the one opposite the downstream transmission member has a large time constant.

Es ist an sich bekannt, einen trägen Sollwertverstärker in einem Regelkreis vorzusehen, der schnelle Sollwertänderungen nur allmählich zur Wirkung kommen läßt, so daß unter Umständen eine unzulässige Erhöhung der Stellgröße vermieden werden kann. Durch den Sollwertverstärker kann jedoch nicht eine unzulässige Erhöhung infolge von Belastungsstößen aufgefangen werden. Hinzu kommt, daß der Begrenzungseffekt nicht so groß ist wie bei einer Begrenzerschaltung.It is known per se to use a sluggish setpoint amplifier in a control loop to be provided that allows rapid changes in setpoints to take effect only gradually, so that, under certain circumstances, an impermissible increase in the manipulated variable can be avoided can. However, the setpoint amplifier cannot result in an impermissible increase be absorbed by shock loads. In addition, there is the limiting effect is not as large as with a limiter circuit.

Durch die Einführung des Hilfsverstärkers, gemäß der Erfindung, der vorzugsweise als Magnetverstärker ausgebildet ist, wird der Vorteil erreicht, daß trotz Verstärkung der Begrenzergröße der Regelkreis nicht zu Instabilitäten neigt. Weiterhin kann in vorteilhafter Weise als zusätzlicher Effekt die verzögerte Sollwertübertragung ausgenutzt werden.By introducing the auxiliary amplifier, according to the invention, the is preferably designed as a magnetic amplifier, the advantage is achieved that Despite the amplification of the limiter variable, the control loop is not prone to instabilities. Furthermore, the delayed setpoint transmission can advantageously be used as an additional effect be exploited.

Es ist an sich bekannt, die einem Magnetverstärker anhaftende Trägheit durch entsprechende Abstimmung für bestimmte Regelaufgaben nutzbar zu machen. Weiterhin ist es in der Regelungstechnik bekannt, Zwischenverstärker einzusetzen, wenn die Steuerleistung des Sollwert- oder Istwertgebers nicht ausreicht.It is known per se, the inertia inherent in a magnetic amplifier to make them usable for certain regular tasks through appropriate coordination. Farther it is known in control engineering to use repeater when the Control output of the setpoint or actual value transmitter is not sufficient.

Durch die Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird erreicht, daß der gesamte Regelkreis aufgeteilt wird in den eigentlichen Teil der Spannungsregelung, der eine sehr kleine Regelzeit besitzt, zum anderen in die Begrenzerrückführung, die gegenüber dem Spannungsregelkreis eine größere Zeitkonstante besitzt.The circuit arrangement according to the invention achieves that the entire control loop is divided into the actual part of the voltage regulation, which has a very short control time, on the other hand in the limiter feedback, which has a larger time constant compared to the voltage control loop.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung hat somit den großen Vorteil, daß unter Beibehaltung der kurzen Regelzeiten des Spannungsregelkreises ein stabiler Gesamtkreis mit guter Begrenzerwirkung entsteht.The circuit arrangement according to the invention thus has the great advantage that while maintaining the short control times of the voltage control loop, a stable one Overall circle with good limiting effect is created.

An Hand eines in Fig. 3 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. In Fig.3 ist unter Zugrundelegung der Schaltung nach Fig. 1 das Strukturbild des erfindungsgemäßen Regelkreises dargestellt, bei dem zur Strombegrenzung die Differenz zwischen der Spannung, die den Ankerstrom bildet, und der Vorspannung der Gleichrichteranordnung 4, d. h. die Begrenzergröße, zusammen mit dem durch den Potentiometer 5 einstellbaren Sollwert auf den Eingang des Hilfsverstärkers 14 geführt wird. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel wirkt der Regelkreis zur Regelung der Spannung ersatzschaltmäßig wie ein Ersatzglied mit sehr kleiner Zeitkonstante, bedingt durch die Verstärkung, die für die Spannungsregelung wirksam ist. Hingegen enthält der Regelkreis zur Erzielung der Strombegrenzung ein Glied mit einer gegenüber dem Spannungsregelkreis großen Zeitkonstanten, nämlich den Hilfsverstärker 14. Innerhalb des Stromregelkreises liegt demnach das Ersatzglied, das durch die Spannungsregelung gebildet wird und welches als Glied mit einer kleinen Zeitkonstante wirkt. Diese Größenverteilung der wirksamen Zeitkonstanten bedingt die große Stabilität der Schaltung und nutzt zusätzlich die Trägheit des Hilfsverstärkers 14 aus.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment shown in FIG. 3 of the drawing. In Fig. 3, based on the circuit of Fig. 1, the structure of the control circuit according to the invention is shown, in which the current limitation the difference between the voltage that forms the armature current and the bias of the rectifier arrangement 4, ie the limiter size, together with the through the potentiometer 5 adjustable setpoint is fed to the input of the auxiliary amplifier 14. According to the exemplary embodiment, the control circuit for regulating the voltage acts as a substitute switch with a very small time constant, due to the gain that is effective for voltage regulation. On the other hand, the control loop contains a member with a large time constant compared to the voltage control loop, namely the auxiliary amplifier 14, to achieve current limitation. This size distribution of the effective time constants results in the great stability of the circuit and also uses the inertia of the auxiliary amplifier 14 .

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei einer Strombegrenzungsschaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann überall da in Regelkreisen Anwendung finden, wo beispielsweise eine Spannung, eine Drehzahl od. dgl. geregelt werden und die Aufgabe besteht, in Abhängigkeit einer zweiten Größe einen zusätzlichen Regeleingriff über einen Schwellwert vorzunehmen. Bei einer Stromkonstantregelung besteht z. B. die ablösende Regelung in einer Drehzahlbegrenzungsregelung. Bei vielen Aufgaben ist es auch nützlich, als Begrenzungswert weder Ankerstrom noch Belastungsmoment noch Drehzahl, sondern die Leistung zu benutzen.The invention is not limited to use in a current limiting circuit according to the exemplary embodiment, but can be used in control loops where, for example, a voltage, a speed or the like are controlled and the task is to perform an additional control intervention as a function of a second variable to be carried out via a threshold value. In the case of a constant current control, there is z. B. the alternating control in a speed limitation control. For many tasks it is also useful to use the power as a limiting value, neither armature current nor load torque nor speed.

Die Erfindung, die allgemein bei Regelkreisen mit selbsttätigem überlastungsschutz angewendet werden kann, findet besonders vorteilhafte Anwendung bei Schwerlast- und Schwungmassenantrieben, beispielsweise bei Scheren, Sägen, Stoßmaschinen und Zentrifugen.The invention, which can generally be used in control loops with automatic overload protection, is used particularly advantageously in heavy-duty and flywheel drives, for example in scissors, saws, slotting machines and centrifuges.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Schaltungsanordnung für einen selbsttätigen überlastschutz in Regelkreisen, insbesondere zur Begrenzung der Stellgröße bei schnellen Sollwertänderungen, bei der neben der Rückführung des Istwertes auf die Soll-Ist-Wertvergleichseinrichtung die Differenz zwischen einer von einer Regel- kreisgröße abgeleiteten Größe und einem Schwellwert (Begrenzergröße) auf den Eingang des Regelkreises zurückgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzergröße zusammen mit dem Sollwert auf einen im Eingang des Regelkreises liegenden Hilfsverstärker (14) geschaltet wird, der eine gegenüber den nachgeschalteten übertragungsgliedern große Zeitkonstante besitzt. PATENT CLAIMS: 1. Circuit arrangement for automatic overload protection in control loops, in particular to limit the manipulated variable in the event of rapid setpoint changes, in which, in addition to the feedback of the actual value to the setpoint / actual value comparison device, the difference between a variable derived from a control loop variable and a threshold value ( Limiter variable) is switched back to the input of the control loop, characterized in that the limiter variable is switched together with the setpoint to an auxiliary amplifier (14) located in the input of the control loop, which has a large time constant compared to the downstream transmission elements. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsverstärker ein Magnetverstärker vorgesehen ist. 2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that as Auxiliary amplifier a magnetic amplifier is provided. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und/ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als einen Schwellwert vorgebendes übertragungsglied eine Anordnung mit vorgespannten Gleichrichtern vorgesehen ist. 3. Circuit arrangement according to Claim 1 and / or 2, characterized in that as one Threshold predetermined transmission element provided an arrangement with biased rectifiers is. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und/ oder einem der folgenden bei einer Spannungsregelung eines Gleichstrommotors mit Hilfe eines Generators, wobei eine Begrenzungsregelung des Motorstromes bei Überschreiten des Schwellwertes einsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzergröße zusammen mit dem Sollwert in den Eingang eines Magnetverstärkers gegeben wird, während die Differenz zwischen Ausgangsgröße des Magnetverstärkers und Istwert der Spannungsregelung erst auf den dem Magnetverstärker nachgeschalteten Regelverstärker, vorzugsweise auf eine Amplidyne, gegeben wird. 4. Circuit arrangement according to claim 1 and / or one of the following at one Voltage regulation of a direct current motor with the aid of a generator, with a Limitation control of the motor current starts when the threshold value is exceeded, characterized in that the limiter variable together with the setpoint in the Input of a magnetic amplifier is given while the difference between output of the magnetic amplifier and the actual value of the voltage regulation only on the magnetic amplifier downstream control amplifier, preferably on an Amplidyne. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Motorstromkonstantregelung eine zusätzliche Motordrehzahlbegrenzungsregelung unter Verwendung des Schwellwertes von Gleichrichtern vorgenommen wird. 5. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that with a motor current constant control an additional engine speed limitation control using the threshold value is made by rectifiers. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und/ oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Leistung des zu begrenzenden Kreises abgeleitete Größe mit einem Schwellwert verglichen wird und die dabei auftretende Differenz als Begrenzergröße zusammen mit dem Sollwert auf den Hilfsverstärker (14) geschaltet ist. 6. Circuit arrangement according to claim 1 and / or one of the following, characterized in that a variable derived from the power of the circuit to be limited is compared with a threshold value and the difference occurring is switched as a limiter variable together with the setpoint value to the auxiliary amplifier (14) is. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und/ oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch die Verwendung bei Schwungmassen und Schweranlaufantrieben. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 671133; schweizerische Patentschrift Nr. 294 859; »VDI-Zeitschrift«, Jg. 1954, S. 337 bis 340; Zeitschrift »ETZ«, Jg. 1952, S. 202 ff.7. Circuit arrangement according to claim 1 and / or one of the following, characterized by the use in centrifugal masses and heavy starting drives. Documents considered: German Patent No. 671133; Swiss Patent No. 294 859; "VDI-Zeitschrift", vol. 1954, pp. 337 to 340; "ETZ" magazine, year 1952, p. 202 ff.