DE1563741B2

DE1563741B2 - Einrichtung zur laeuferstromregelung einer doppeltgespeisten drehstrommaschine

Info

Publication number: DE1563741B2
Application number: DE19661563741
Authority: DE
Inventors: Ingemar Dipl.-Ing.; Buder Eugen; Dirr Rudolf; Waldmann Hermann Dipl.-Ing.; 8520 Erlangen Neuffer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-09-03
Filing date: 1966-09-03
Publication date: 1976-06-24
Also published as: GB1194587A; DE1563741A1; CH483151A; LU54158A1; SE337247B; BE703346A; US3506900A; FR1548414A; AT274155B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Läuferstromregelung einer doppeltgespeisten Drehstrommaschine, deren an Schleifringen angeschlossener Läuferwicklung über steuerbare Stromrichter mittels jeweils den einzelnen Phasen der Läuferwicklung zugeordneter Stromregler ein schlupffrequenter, nach Betrag und Phasenlage einstellbarer Drehstrom eingeprägt ist, mit Bildung der einzelnen Stromreglersollwerte in einem Drehgenerator.

Eine solche Einrichtung ist bekannt durch die DT-Zeitschrift Brown-Boveri-Mitteilungen, 1964, Seiten 547 und 548. Die Bildung der für die Reglersollwerte erforderlichen schlupffrequenten Spannungen erfolgt dabei auf analoge Weise mittels eines mit der Umdrehungsfrequenz des Läufers getakteten, mit Netzfrequenz beaufschlagten Phasendiskriminators, aus dessen Ausgangsspannung dann mittels Filterschaltungen schlupffrequente Spannungen herausgesiebt werden. Schwierigkeiten ergeben sich bei der Einrichtung bei kleinen Läuferdrehzahlen wegen des in diesem Drehzahlbereich besonders starken Einflusses der Frequenz auf Amplitude und Phasenlage der Filterausgangsspannungen, die dann nicht konstant sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache Einrichtung zu schaffen, bei welcher Amplitude und Phase der schlupffrequenten Spannungen unabhängig vom gerade vorliegenden Schlupfwert im gesamten Drehzahlbereich konstant bleiben.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß ein digital arbeitender Drehstromgenerator verwendet ist, welcher aus einem mit einer schlupffrequenzproportionalen Impulsfrequenz beaufschlagten, repetierend arbeitenden Zähler besteht, von dessen Zählstufenausgängen Digital-Analogwandler zur schrittweisen Nachbildung der Sinusfunktion betätigbar sind.

Damit ist jeder Frequenzeinfluß auf Amplitude und Phasenlage der schlupffrequenten Spannungen, wie er bei der Verwendung von Filtern grundsätzlich in Kauf genommen werden muß, ausgeschaltet und es ist für den gesamten Arbeitsbereich sichergestellt, daß der vorgegebene Stromsollwert eingehalten wird und die Einstellung von Wirk- und Blindleistung entkoppelt voneinander erfolgen kann.

Für besondere Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Reproduzierbarkeit kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ein in den jeweiligen Endstellungen des repetierend arbeitenden Zählers betätigtes Schrittschaltwerk verwendet werden, ein von diesem beaufschlagtes Verteilungsgatter, sowie nichtlineare hyperbolische Digital-Analogumwandler zur Nachbildung der Sinusfunktion innerhalb eines Bereiches von 60°, wobei die Digital-Analogwandler an komplementäre Ausgänge des Zählers angeschlossen und vom Verteilungsgatter zur Darstellung der Sinusfunktion über den gesamten Periodenbereich für sämtliche Phasen beaufschlagt sind. Frequenz, Amplitude und Phasenlage des benötigten Drehstromsystems lassen sich dabei verzögerungsfrei und unabhängig voneinander einstellen und die verwendeten Einflußgrößen können auf einem niedrigen Leistungsniveau verarbeitet werden. Ein derartig aufgebauter digital arbeitender Drehstromgenerator ist bereits vorgeschlagen worden (DT-AS 12 46105).

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden zwei zeitlich versetzt arbeitende Digital-Analogwandler vorgesehen, denen als Betriebsspannung zwei konstant einstellbare, der gewünschten Wirk- bzw. Blindleistung proportionale Sollwertspannungen zugeführt sind, wobei der beiden Digital-Analogwandlern gemeinsam zugeordnete Zähler von den Ausgangsimpulsen eines Differenzgatters beaufschlagt ist, dem eine

netzfrequenzproportionale und eine schlupfproportionale Impulsfolge zugeführt sind. Auf diese Weise ist ohne weitere Umrechnung eine direkte Vorgabe der für den Betrieb der Drehstrommaschine interessierenden Werte von Wirk- und Blindleistung möglich.

Zur Einstellung einer definierten Phasenlage des ständerfeldsynchron geführten Läuferdrehfeldes ist die Erfassung der jeweiligen Läuferstellung in bezug auf den umlaufenden Ständerdrehfeldvektor erforderlich. Hierzu können bekannte Polradwinkelmeßgeräte verwendet werden. Unter Verzicht auf diese vergleichsweise komplizierten Geräte kann die Phasenlage des Läuferdrehfeldvektors, also der Lastwinkel in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auf relativ einfache Weise dadurch eingestellt werden, daß dem Differenzgatter zusätzlich Korrekturimpulse über einen Spannungs-Frequenzumsetzer zugeführt sind, welche aus der Differenz der Abweichungen zwischen den Sollwerten und Istwerten für die Wirk- und Blindleistung abgeleitet sind.

Die Eigenschaft der mit der erfindungsgemäßen Einrichtung geregelten Drehstrommaschine, in einem relativ großen Drehzahlbereich ein konstantes Moment bei unabhängig davon einstellbarer Blindleistung abzugeben, macht sie auch zur Wirk- und/oder Blindleistungspufferung geeignet. Hierfür ist der die Wirkleistung bestimmende Einstellwert innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereiches drehzahlunabhängig von einem Wirkstromregler geführt. In diesem Drehzahlbereich kann dann unabhängig von der Drehzahl eine Wirk- und Blindleistungspufferung erfolgen, während bei Erreichen der kritischen Drehzahlen die Wirkleistungsregelung durch eine Drehzahlregelung abgelöst wird. Besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Regeleinrichtung in diesem Zusammenhang bei Drehstrommaschinen, die Generatoren antreiben, welche intermittierend erregte Protonenbeschleuniger speisen. Es können so die dabei auftretenden, recht erheblichen Wirkstromstöße vom speisenden Netz ferngehalten werden. Ähnliche stoßartige BeIastungsverhältnisse liegen auch bei Walzwerksantrieben vor, so daß die Erfindung auch hier vorteilhaft eingesetzt werden kann.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Figuren näher veranschaulicht.

Da sich die erfindungsgemäß geregelte Drehstrommaschine vom speisenden Netz her gesehen wie eine Synchronmaschine verhält, sei zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst auf das in Fig. 1 unter Vernachlässigung des ohmschen Widerstandes der Ständerwicklung gezeichnete Stromdiagramm der Synchronmaschine Bezug genommen, wobei motorischer Betrieb vorliegen möge. Bei einer üblichen Synchronmaschine ist die umlaufende Erregerdurchflutung Ie stets an die jeweilige Stellung der Polradachse A gebunden, so daß mit dieser auch der Lastwinkel β zwischen dem umlaufenden Erregerfeld des Polrades und dem Ständerdrehfeld festliegt. Mit wachsender mechanischer Belastung vergrößert sich dieser Lastwinkel, beispielsweise auf den Wert «,so daß sich einerseits damit die Wirk- und Blindleistungsverhältnisse ändern und zum anderen die Gefahr der Überschreitung des kritischen Lastwinkelwertes von 90° und damit des Kippens und unkontrollierten Schlüpfens der Maschine besteht. Die Erfindung bezweckt, die Bindung des Läuferdrehfeldes an die Stellung des Läufers aufzuheben und den Durchflutungszeiger Ie bzw. das Läuferdrehfeld unabhängig von der jeweiligen Läuferstellung mit konstanter Phasenlage zum Netzspannungszeiger ständerfeldsynchron zu führen. Hierzu werden einer dreiphasigen Läuferwicklung Ströme derart eingeprägt, daß in ihr ein Drehdurchflutungsvektor Ie erzeugt wird, welcher nach F i g. 1 stets hinter der Läuferstellung A um den Winkel et—β zurückbleibt. Wird der Drehdurchflutungsvektor Ie einmal in seiner Phasenlage ^fixiert, so behält er diese bei, unabhängig davon, ob und in welchem Umfange sich der Schlupfwinkel (<x) ändert. Den drei Phasen der Läuferwicklung werden daher Läuferströme nach folgender Art eingeprägt:

I_R = I_e cos (« - ß)

Is = I_e cos («-/?+ 120°)

I_T = I_e cos (« - β + 240°)

Π)

Durch das Stromsystem nach Gleichung (1) wird eine sinusförmige Feldverteilung längs des Läuferumfanges erzwungen, welche bei konstant gehaltener Amplitude Ie und Phase β unabhängig vom Schlupfwinkel α eine konstante Lage relativ zum Ständerdrehfeld beibehält.

F i g. 2 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung. Mit 1 ist eine Drehstrommaschine bezeichnet, deren dreiphasige Ständerwicklung an ein Drehstromnetz angeschlossen ist. Die Läuferwicklung ist mit ihren Phasen R, S, Tüber Schleifringe an drei Stromrichter angeschlossen. Im dargestellten Beispiel sind die jeder Läuferphase zugeordneten Stromrichter in Antiparallelschaltung ausgeführt, so daß Gleichströme wechselnder Höhe für beide Stromrichtungen eingeprägt werden können. Dies erfolgt über die von Phasenstromreglem 2 beaufschlagten Gittersteuersätze 3.

Mit 4 bezeichnete Stromwandler bilden die Istwerte der Phasenströme und setzen sie in den Eingangskreisen der Stromregler 2 mit den entsprechenden Reglersollwerten Ir, Is, It in Vergleich. Durch genügend große Wahl der Verstärkung in den Stromregelkreisen sowie durch eine entsprechend große Speisespannung 5 kann erreicht werden, daß die Phasenströme der Läuferkreise stets den an den Klemmen 6 bis 8 vorliegenden Sollwerten entsprechen.

Zur direkten Erfassung des jeweiligen Winkels « zwischen der Läuferachse A und dem umlaufenden Netzspannungszeiger U ist ein Winkelmeßgerät 9 vorgesehen, an dessen Ausgang eine Gleichspannung erhalten werden kann, welche proportional dem Winkel α ist. Diese Gleichspannung wird einem Spannungsfrequenzumsetzer 10 zugeführt, so daß an dessen Ausgang eine Impulsfolge entsteht, deren Frequenz proportional dem Winkel « ist. Von dieser Impulsfolge wird über einen Analog-Digitalwandler 11, der mit einer konstanten, dem gewünschten Lastwinkel β proportionalen Gleichspannung beaufschlagt ist, eine entsprechende Anzahl von Impulsen in einem Differenzgatter 12 subtrahiert. Da jedem Impuls die Bedeutung eines bestimmten räumlichen Verdrehungswinkels des Läufers zukommt, entspricht also die am Ausgang des Differenzgatters 12 erhaltene Frequenz /einem Winkel von α,—ß, wobei « veränderlich und β konstant ist und sich, wie auch aus F i g. 1 ersichtlich, als Verhältnis von gewünschter Wirkleistung Iw zu Blindleistung Ib ergibt. Hierbei ist in dem Wert von h auch der Magnetisierstrom der Drehstrommaschine 1 enthalten.

Mit der Ausgangsfrequenz /des Differenzgatters 12 wird ein digitaler Drehstromgenerator beaufschlagt, welcher im wesentlichen aus einem Zähler 13, einem Schrittschaltwerk 14, einem Verteilungsgatter 15 und

einem Digital-Analogwandlersystem 16 besteht. Dieser digitale Drehstromgenerator ist an sich bereits an anderer Stelle vorgeschlagen worden und stellt auf eine später zu beschreibende Weise an seinen Ausgängen drei sinusförmige, gegeneinander jeweils um 120° versetzte Ausgangsströme bereit deren Periodendauer umgekehrt proportional seiner Speisefrequenz / und deren Amplituden proportional einer dem Digital-Analogwandler 16 zugeführten Gleichspannung A ist Es läßt sich also mit dieser Anordnung grundsätzlich das Drehstromsystem nach den Gleichungen (1) realisieren, indem die drei Ausgangsströme des Digital-Analogwandlers den Sollwerteingängen 6 bis 8 der Stromregler 2 zugeführt werden.

Fig.3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei zum Unterschied gegenüber der Anordnung nach F i g. 2 der Drehdurchflutungsvektor des Läufers nicht nach Betrag (Ie) una Phase (^sondern durch Vorgabe seiner Blind- und Wirkkomponente (Iw und Ib) festgelegt wird. Dadurch ist eine direkte Einstellung der Wirk- und Blindleistung der Synchronmaschine gegeben. Ein weiterer Unterschied zur Anordnung nach Fig.2 besteht darin, daß die räumliche Stellung der interessierenden Läuferfeldachse A zum Netzspannungszeiger nicht unmittelbar erfaßt werden muß, sondern nur der Läuferschlupf, während die richtige Phasenlage des Läuferdrehfeldes zum Ständerdrehfeld selbsttätig mittels einer Korrektureinrichtung herbeigeführt wird.

Es sind in Fig.3 für gleiche Elemente die entsprechenden Bezugszeichen auf Fig.2 übernommen worden. Die Stromrichter des Läuferkreises samt den ihnen zugeordneten Gittersteuersätzen und Stromreglern sind zu einem mit 17 bezeichneten Erregersystem zusammengefaßt worden. Mit dem Läufer der Drehstrommaschine 1 ist eine Impulsscheibe 20 gekoppelt, welche an ihrem Umfang in regelmäßigen Abständen eingelassene Permanentmagnete aufweist, die bei Vorbeilauf an einem induktiven Fühler 21 über eine Impulsformerstufe 22 eine Impulsfolge Λ. erzeugen, deren Frequenz der Läuferdrehzahl proportional ist. Diese Impulsfolge gelangt über einen zur Erhöhung der Genauigkeit vorgesehenen Frequenzvervielfacher 23 auf das Differenzgatter 12 und ist dort in Vergleich gesetzt mit der in einem zweiten Impulsvervielfacher 24 ebenfalls vervielfachten Netzfrequenz ϊν, so daß die Differenz beider Impulsfolgen eine Impulsfolge / an Klemme 30 ergibt, deren Frequenz dem Läuferschlupf proportional ist. Dem Differenzgatter 12 sind über einen Spannungsfrequenzumsetzep«29 noch Korrekturimpulse in zugeführt, durch welche, wie bei der Anordnung nach F i g. 2, die Phasenlage »β« des Durchflutungsvektors Ie bestimmt wird. Der mit der Ausgangsfrequenz / beaufschlagte Zähler 13 steuert nun über das Schrittschaltwerk 14 und die Verteilungsgatter 15a und 156 zwei Digital-Analogwandler 16a und 166 so an, daß an ihren Ausgangsklemmen /, 5, R zwei gleichfrequente, um 90° versetzte Drehströme erscheinen, deren Amplituden durch die an den Eingangsklemmen 18 und 19 zugeführten Gleichspannungen festgelegt sind. Die den Phasenstromreglern an den Klemmen 6 bis 8 zugeführten Summenströme der Digital-Analogwandler 16a und 166haben die Form:

I_R = /jfcos« + /*. sin α

/_s. = If cos (a + 120") + /*sin (« + 120'') (2)

/·,· = It cos (« + 240') + /* sin (α + 240')

Die Gleichungen (2) beschreiben wie die Gleichungen (1) einen Vektor, der sich relativ zum Läufer in entgegengesetzter Richtung um genau den gleichen Winkel dreht, wie der Läufer infolge des Schlupfes hinter dem Ständerdrehfeld zurückbleibt. Diesem Drehdurchflutungsvektor kann man sich aus zwei rechtwinkligen Komponenten h* und Iw* zusammengesetzt denken.

Zur Fixierung der Phasenlage β des ständersynchron umlaufenden Läuferdrehfeldes wird in einem Meßwandlersystem 25 der Wirkstrom Iw und der Blindstrom h erfaßt und mit den gewünschten Werten Iw* und h* in zwei Vergleichsschaltungen 26 und 27 verglichen und die sich ergebenden Differenzen AIb und AIw nach Betrag und Vorzeichen in einem Differenzverstärker 28 in Vergleich gesetzt. Je nachdem, ob die Differenz AIw-AIb positiv oder negativ ist, gibt der Spannungsfrequenzumsetzer Korrekturimpulse ab, welche die Phasenlage des Läuferdrehfeldvektors so lange verändern, bis die gewünschten Einstellwerte Iw* und Ib* mit den tatsächlich vorhandenen Werten Iw und h übereinstimmen, die vorgenannte Differenz also zu Null wird. Es entsprechen dann die Gleichungen (2) den Gleichungen (1) unter Berücksichtigung, daß

It

|r/*, + I* — h ^und β = arc tg

An in Fig.4 dargestellten Beispielen soll die Wirkungsweise des Korrekturgliedes näher veranschaulicht werden. Es sei angenommen, daß Einstellwerte Iw* und Ib* den Digital-Analogwandlern 16a und 166 an den Klemmen 18 und 19 eingegeben werden. Wie aus den Gleichungen (2) 2 ersichtlich, wird dann der resultierende Drehdurchflutungsvektor Ie stets aus zwei rechtwinklig aufeinanderstehenden Komponenten gebildet, wobei er wohl betragskonstant und ständerfeldsynchron ist jedoch noch nicht in seiner Phasenlage vom Netzspannungszeiger U fixiert ist Er könnte beispielsweise die mit dem Pfeil Ie dargestellte Lage einnehmen, wobei sich eine positive Differenz AI'w zwischen gewünschtem und vorhandenem Wirkstrom und eine negative Differenz AL·' zwischen gewünschtem und vorhandenem Blindstrom einstellen wird. Der Ausdruck AI'w—AVb hätte demnach positives Vorzeichen, worauf der Spannungsfrequenzumsetzer 29 so lange Korrekturimpulse ίκ an das Differenzgatter 12 liefert, bis seine Eingangsgröße zu Null und der geforderte Lastwinkel ß* bzw. die geforderten Wirk- und Blindstromwerte Iw* und h* erreicht sind. Bei dem durch den Pfeil U dargestellten Betriebsfall würde zwar der Wirkstromwert mit dem gewünschten Sollwert übereinstimmen, da AIw=O, der Blindstrom h hätte jedoch einen falschen Wert, so daß sich eine positive Differenz Ah ergibt Es stellt sich daher am Eingang des Spannungsfrequenzumsetzers eine negative Spannung ein, so daß der Drehdurchflutungsvektor nun durch entsprechende Korrekturimpulse in die Lage zurückgedreht wird, bis die Differenz AIw-Ah wiederum zu Null wird.

Die zuvor genannte Korrektur braucht an sich nur einmalig nach jedem Anlauf erfolgen. Die Korrektureinrichtung kann jedoch selbsttätig im Sinne einer Regelung immer dann eingreifen, wenn die Einstellwerte Iw* und h* nicht mit den Istwerten Iw und h übereinstimmen. Auf diese Weise werden auch Störimpulse in den Frequenzkanälen kompensiert.

Die Anordnung nach Fig.3 kann als universell

regelbarer Antrieb verwendet werden. Bei konstanter Vorgabe des Wirkstromwertes Iw* wird ein drehzahlunabhängiges Moment erzeugt, während durch eine entsprechende Führung dieses Sollwertes, beispielsweise durch einen Drehzahlregler, eine weitgehend einstellbare Drehzahl erzielt werden kann. In allen Fällen bleibt der Vorteil der davon unabhängig einstellbaren Blindlasteinstellung erhalten. Für den Generatorbetrieb ergibt sich in analoger Weise der Vorteil, daß eine bestimmte, einstellbare Wirk- und Blindleistung unabhängig von der Generatorantriebsdrehzahl ins Netz abgegeben werden kann. Es entfallen daher bei üblichen Synchronmaschinen auftretende Stabilitätsprobleme.

In , F i g. 5 sind die für den Motorbetrieb sich ergebenden, waagerecht verlaufenden Drehmoment-Drehzahlkennlinien dargestellt, wobei η die momentane Drehzahl und ns die durch die Netzfrequenz festgelegte synchrone Drehzahl bedeutet. Es ist eine Unabhängigkeit des Motormomentes M in einem weiten Drehzahlbereich erkennbar, wobei die Größe des erzielten Motormomentes von dem wählbaren Parameter Iw* abhängt. Zum Vergleich sind im Diagramm der F i g. 5 auch noch die mit SM und ASM bezeichneten Kennlinien einer üblichen Synchronmaschine und einer Asynchronmaschine dargestellt.

F i g. 6 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung bei einer wirkleistungspuffernden Drehstrommaschine. Derartige Maschinen können zum Beispiel vorteilhaft beim Betrieb von Protonenbeschleunigern eingesetzt werden, um die impulsweise auftretenden Wirkleistungsstöße aufzufangen und vom Speisenetz fernzuhalten. Zur Speisung der über Thyristoren 40 impulsweise beaufschlagten Erregerwicklungen der Protonenbeschleuniger ist ein Synchrongenerator 31 vorgesehen, welcher an eine mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung versehene Drehstrommaschine 1 mechanisch gekuppelt ist. Gegebenenfalls kann die Schwungmasse der miteinander gekuppelten rotierenden Teile zur ausreichenden Energiespeicherung noch durch ein zusätzliches Schwungrad 32 vergrößert werden. Die Synchronmaschine 1 ist mit einem Erregungssystem 17 und dem digitalen Drehstromgenerator 33 entsprechend der Anordnung nach Fig.3 versehen. Der die Wirkleistung bestimmende Sollwert Iw* wird vom Ausgang eines mit 34 bezeichneten Wirkstromreglers geliefert, während der Blindstrom h* unabhängig davon durch eine nicht dargestellte Steueroder Regeleinrichtung 35 vorgeschrieben werden kann. Der Sollwert p* des Wirkstromreglers 34 ist auf den Mittelwert der bei jedem Lastspiel erforderlichen Wirkleistung eingestellt Eine an sich bekannte und nicht weiter dargestellte Einrichtung 36 paßt diesen Mittelwert in korrigierendem Sinne selbsttätig den Lastanforderungen an, beispielsweise durch Auswertung zeitlich aufeinanderfolgender Drehzahlmaxima. Zur Überwachung der als Antriebsmotor arbeitenden Drehstrommaschine 1 ist ein zusätzlicher Drehzahlregelkreis vorgesehen, und der Ausgang des Drehzahlreglers 37 ist über ein Schwellwertglied 38 geführt, so daß innerhalb eines bestimmten Unempfindlichkeitsbereiches von beispielsweise ±3% einer vorgebbaren Nenndrehzahl der Drehzahlregler nicht zum Eingriff gelangt. Werden diese Ansprechgrenzen des Schwellwertgliedes 38 überschritten, dann übernimmt der Drehzahlregler durch entsprechende Einflußnahme auf den Wert Iw* die weitere Regelung und verhindert ein Abweichen von den zulässigen Drehzahlgrenzen. Durch die Nachführung des Leistungssollwertes p* auf den Mittelwert der zu liefernden Wirkleistung wird sich die Drehzahl in der Regel im Normalbetrieb innerhalb des durch das Schwellwertglied 38 festgelegten Unempfindlichkeitsbereiches bewegen. Die Drehstrommaschine 1 entnimmt dann dem Netz unabhängig von den Drehmoment- bzw. Drehzahlschwankungen an ihrer Abtriebswelle, hervorgerufen durch die stoßartige Belastung des Synchrongenerator 31, stets eine konstante Wirkleistung.

F i g. 7 zeigt das Grundelement eines hyperbolischen Digitalanalogwandlers, wie er zur Erzeugung von Sinusfunktionen vorteilhaft verwendet werden kann. Er besteht aus vorzugsweise elektronischen Schaltern S1

'5 bis Sn, welche eine konstante Gleichspannung t/über einen Widerstand mit dem Leitwert Gr auf Widerstände durchschalten, deren Leitwerte beispielsweise entsprechend dem Binärcode gestuft sind. Diese Schalter sind von den Zählstufenausgängen eines Λ-stelligen Binär-Zählers ansteuerbar. Wird von dem Wert Null an aufwärts gezählt, so ergibt sich mit steigender Zahl Z der Eingangsimpulse ein hyperbelförmiger Verlauf der Ausgangsgröße /, wie er prinzipiell im rechten Teil der F i g. 7 mit a bezeichnet ist Wird der Zähler von dem Maximalwert an in Rückwärtsrichtung leergezählt, oder die Schalter Si bis Sn von komplementären Zählstufenausgängen betätigt, so ergibt sich ein zeitlicher Verlauf nach der Komplementärkurve IL Durch Umkehrung der Polarität der Spannung U lassen sich entsprechende negative Funktionsverläufe — a und — ä erzeugen.

Der erfindungsgemäß verwendete digitale Drehstromgenerator baut auf der Tatsache auf, daß die Sinusfunktion über eine gesamte Periode grundsätzlich aus den in einem Bereich von 0 bis 60° anfallenden Funktionswerten zusammengesetzt werden kann, denn wie ein Blick auf F i g. 8 zeigt, wiederholt sich in der in zwölf gleiche Abschnitte unterteilten Periode eines aus den Phasen nach dem 2., 4., 8, 10. und 12. Abschnitt also jeweils nach 60° die Wellenkonfiguration mit wechseln-

.4° den Vorzeichen. Betrachtet man z. B. den 1. und 2. Abschnitt, so durchlaufen die Phasen R und T den gleichen, in Ordinatenrichtung aufgetragenen Wertebereich a und b gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung. Der Funktionswert für die Phase 5 in den Abschnitten 1 und 2 wird unter Ausnutzung der Drehstromsymmetriebedingung gewonnen, welche besagt daß in jedem Augenblick die Summe der Funktionswerte Null ergeben muß. Die Darstellung der Funktionswerte des vollständigen Drehstromsystems kann daher grundsätzlich mit gleichdimensionierten, jeweils den Wertebereich von 0 bis 60° umfassenden hyperbolischen Digital-Analogwandlern erfolgen, oder mit zwei verschieden dimensionierten Digital-Analogwandlern, von denen der eine den Wertbereich von 0 bis 30° und der andere den zwischen 30° und 60° umfaßt In diesem Fall kann die Sinusfunktion noch besser angenähert werden. Stets sind die Digital-Analogwandler nach der in F i g. 7 dargestellten Art aufgebaut. Bei Verwendung von zwei verschieden dimensionierten Digital-Analogwandlern zur Darstellung der Sinusfunktion in den Wertebereichen a und b ergibt sich aus der erwähnten Simmetriebedingung für den Funktionswert — c der Phase 5 im Abschnitt 1 der Wert — (a+b), im Abschnitt 2 der Wert - (a+b). Aus der Tabelle nach F i g. 9 geht in analoger Weise jeweils Durchlaufsinn und Polarität der einzelnen Wertebereiche für die verschiedenen Phasen hervor.

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Fig. 10 zeigt eine gerätetechnische Realisierung des digitalen Drehstromgenerators, wie sie zum Beispiel bei der in Fig.3 dargestellten Anordnung zum Einsatz kommen kann. Die dortigen Bezugszeichen sind für gleiche Elemente übernommen worden. Der digitale Drehstromgenerator besteht aus einem mit der an der Klemme 30 eingespeisten Impulsfolgefrequenz /beaufschlagten /7-stelligen Binärzähler. Das mit daw bezeichnete Digitalanalogwandlersystem jeder Phase enthält vier Einheiten entsprechend F i g. 7, wovon je zwei für die positiven und negativen Wertebereiche a und b ausgelegt sind. Die Ausgänge dieser Digital-Analogwandler sind über Widerstände auf den Eingang von Addierverstärkern 41 geführt. Den drei Wandlersystemen da w ist als amplitudenbestimmende Betriebsspannung an der Klemme 18 eine konstante, dem Einstellwert Iw* proportionale Spannung Z zugeführt, während an der Klemme 19 eine der einzustellenden Blindleistung Ib* proportionale Spannung liegt. Die Spannungen Iw* und //>* entsprechen der Spannung t/in Fig. 7.

Der Wertebereich a enthält die Werte der Sinusfunktion von 0 bis 30° und der Wertebereich b die Werte der Sinusfunktion von 30 bis 60°. Die Digital-Analogwandlereinheiten für die Wertebereiche + a und - a werden an die mit Z bezeichnete Gruppe der Zählstufenausgänge des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 13 angeschlossen und die Digital-Analogwandlereinheiten für die Wertebereiche + b und — b an die andere mit Z bezeichnete Gruppe von Ausgängen, welche denen der zuvor genannten Gruppe komplementär sind. Eine Gatterschaltung 39 wertet die Ausgänge der Zählstufen in dem Sinn aus, daß jedesmal bei Erreichen der Endstellung des Zählers 13, was jedesmal am Ende jedes der 12 in Fig.8 angegebenen Abschnitte erfolgt. Schrittschaltwerk 14 um eine Stufe weitergeschaltet und die Zählrichtung des Zählers gewechselt wird. Durch dieses abwechselnde Vor- und Rückwärtszählen des Zählers werden die Digitalanalogwandler für ± a und ± b auch abwechselnd vor- und rückwärts durchlaufen, und zwar ± a und ± b immer im gegenläufigen Sinne, da sie von komplementären Ausgängen des Zählers gesteuert werden. Die Wertebereiche ±c für die Kuppen der Sinusfunktionen von ±60° bis ±90° und von ±90° bis ±120° werden, wie zuvor angedeutet, als Summe der Werte a und b mit umgekehrten Vorzeichen gewonnen. Auf Grund der Symmetriebedingung gilt c=(a + b) sowje c=(ä+b). Die Absolutbeträge der Funktionswerte a, b und c nehmen beim Fortschreiten auf der Abszissenachse in positiver Richtung zu, während für die Werte a, Z? und cdas Umgekehrte gilt.

Die richtige Zuordnung und Freigabe der in jedem Augenblick gleichartig angesteuerten Bereiche ±abzw. ± b der verschiedenen Digital-Analogwandler, entsprechend dem Schema nach Fig.9, erfolgt durch schrittweise Weiterschaltung der Verteilergatter 15a und 156 über das Schrittschaltwerk 14, wobei das Verteilergatter 15a dem Digitalanalogwandler 16a und das Verteilergatter \5b dem Digital-Analogwandler 166 zugeordnet ist, dessen Drehstromsystem Rb, Sb, Tb dem Drehstromsystem Ra, Sa, Ta um 90° voreilt, wie ein Vergleich der Wertefolgen entsprechend dem Schema nach F i g. 9 erkennen läßt.

Nach jedem Durchlauf beginnt der Zähler 13 von neuem sein Spiel und schaltet dabei das Schrittschaltwerk 14 weiter. Von den zwölf Stufen des Schrittschaltwerkes führt jeweils nur eine ein Ausgangssignal, kennzeichnet so den Abschnitt, welcher gerade durchlaufen wird und bestimmt über die Verteilergatter die jeweils für diesen Abschnitt zu treffende Zuordnung der Wertebereiche.

Die Frequenz des erzeugten Drehstromsystems ist proportional der an der Eingangsklemme 30 zugeführten Frequenz / und umgekehrt proportional der Kapazität des Zählers 13 und der Stufenzahl des Schrittschaltwerkes und kann durch freizügige Wahl dieser Faktoren den praktischen Erfordernissen leicht angepaßt werden.

Bleibt die an der Eingangsklemme 30 zugeführte Frequenz aus, was z. B. bei synchronem Lauf der Drehstrommaschine der Fall ist, dann bleiben die bis dahin erreichten Werte der beiden Digital-Analogwandler 16a und 16£» erhalten, und es ergibt sich eine relativ zum Läufer der Synchronmaschine stillstehende sinusförmige Läuferfeldverteilung längs des Läuferumfanges.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Läuferstromregelung einer doppeltgespeisten Drehstrommaschine, deren an Schleifringen angeschlossener Läuferwicklung über steuerbare Stromrichter mittels jeweils den einzelnen Phasen der Läuferwicklung zugeordneter Stromregler ein schlupffrequenter, nach Betrag und Phasenlage einstellbarer Drehstrom eingeprägt ist, mit Bildung der einzelnen Stromreglersollwerte in einem Drehstromgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß ein digital arbeitender Drehstromgenerator verwendet ist, welcher aus einem mit einer schlupffrequenzproportionalen Impulsfrequenz beaufschlagten, repetierend arbeitenden Zähler (13) besteht, von dessen Zählstufenausgängen Digital-Analogwandler (16) zur schrittweisen Nachbildung der Sinusfunktion betätigbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch ein in den jeweiligen Endstellungen des repetierend arbeitenden Zählers (13) betätigtes Schrittschaltwerk (14), ein von diesem beaufschlagtes Verteilungsgatter (15) sowie nichtlineare, hyperbolische Digital-Analogwandler (16) zur Nachbildung der Sinusfunktion innerhalb eines Bereiches von 60°, wobei die Digital-Analogwandler (16) an komplementäre Ausgänge des Zählers (13) angeschlossen und vom Verteilungsgatter zur Darstellung der Sinusfunktion über den gesamten Periodenbereich für sämtliche Phasen beaufschlagt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zwei um 90° zeitlich versetzt arbeitende Digital-Analogwandler (16a, \6b), denen als Betriebsspannung zwei konstant einstellbare, der gewünschten Wirk- bzw. Blindleistung proportionale Sollwertspannungen (Iw*, Ib*) zugeführt sind, wobei der beiden Digital-Analogwandlern (16a, \§b) gemeinsam zugeordnete Zähler (13) von den Ausgangsimpulsen eines Differenzgatters (12) beaufschlagt ist, dem eine netzfrequenzproportionale und eine der Läuferdrehzahl proportionale Impulsfolge zugeführt sind (Fig. 3).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differenzgatter (12) zur Einstellung eines Lastwinkels φ) zusätzlich Korrekturimpulse ίκ über einen Spannungsfrequenzumsetzer (29) zugeführt sind, welche aus der Differenz der Abweichungen zwischen den Sollwerten (Tw*, Ib*) und Istwerten (Iw, Ib) für die Wirk- und Blindleistung abgeleitet sind.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für wirk- und/oder blindleistungspuffernde Drehstrommaschinen, insbesondere zum Antrieb von Generatoren, welche intermittierend erregte Protonenbeschleuniger speisen, der die Wirkleistung bestimmende Sollwert (Iw*) innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereiches drehzahlunabhängig von einem Wirkstromregler (34)geführtist(Fig.6).