DE2055473C3

DE2055473C3 - Regler mit selbsteinstellenden Parametern in Stromrichteranlagen

Info

Publication number: DE2055473C3
Application number: DE19702055473
Authority: DE
Inventors: Alfons Dipl.-Ing. 1000 Berlin Schraeder
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1970-10-30
Filing date: 1970-10-30
Publication date: 1980-02-28
Also published as: FR2110127A5; BE774099A; NL165892B; JPS5145062B1; DE2055473B2; NL165892C; CH540600A; ES395735A1; DK142689B; DK142689C; NL7114919A; DE2055473A1; SE381387B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Regler mit .selbsteinstellenden Parametern für die lückstromadaptierte Stromregelung in einer Stromrichteranlage, der ein Proportional-Glied mit einer Verstärkung in Abhängigkeit vom lückenden und nichtlückenden Strom der Stromrichteranlage aufweist. Ein solcher Regler ist bekannt (Technische Mitteilungen AEG-Telefunken, 1969, H. 6, S. 348-352).

Die Dimensionierung von Reglern für die Stronirichtertechnik, wie sie bei Antrieben oder Stromversorgungen eingesetzt werden, stellt kein Problem dar, solange die Glieder des Regelkreises linear sind. Das ist in dem Arbeitsbereich der Fall, in dem der Strom auf der Verbraucherseite nicht lückt. In diesem Bereich enthält die Regelstrecke ein Totzeitglied in Form des Stromrichters und ein Verzögerungsglied I Ordnung. Der Regler wird zweckmäßigerweise als PI-Regler ausgebildet.

Das Verhalten der Regelstrecke ist jedoch in dem Arbeitsbereich, in dem der Strom auf der Verbraucherseite lückt, nicht linear. Die Verstärkung des Stromrichters ist viel geringer und die Ersatzzeitkonstante der gesamten Strecke kleiner als im lückenlosen Bereich. Außerdem verändert sich die Steigung der Kennlinien des normierten Stromes Ια/Ian in Abhängigkeit vom Zündverzögerungswinkel α im gesamten Lückbereich kontinuierlich (Fig. 3). Der für den lückenlosen Betrieb optimierte Stromregler kann daher in diesem Bereich nicht mehr optimal arbeiten. In Verbindung mit übergeordneten Reglern, z. B. einem Drehzahlregler, kann es sogar zu Schwingungen kommen, weil sich die Parameter des unterlagerten Regelkreises, für den ja der überlagerte Regelkreis optimiert war, ändern.

Zur Vermeidung dieser störenden Erscheinungen ändert der eingangs genannte bekannte Stromregler seine Parameter selbsttätig und paßt sie den Verhältnissen der Regelstrecke an. Nach dem beireffenden Aufsatz (Technische Mitteilungen AEG-Telefunken, 1969, H. 6, S. 348-352) ist es bekannt, daß der selbstanpassende Regler für den Stromregelkreis die Bedingungen »PI-Verhalten bei nichtlückendem Strom und !-Verhalten bei lückendem Strom« erfüllen muß.

Außerdem muß die Reglerzeitkonstante TgL derart nachgeführt werden, daß die Gleichung (8) des betreffenden Aufsatzes erfüllt wird, die aus dem Gleichsetzen der Frequenzgänge des offenen Regelkreises für den nichtlückenden und den lückenden Strom entsteht.

In Bild 8 des betreffenden Aufsatzes ist eine Prinzipschaltung eines die vorgenannten Bedingungen erfüllenden umschaltbaren Pl/I-Reglers angegeben. Diese Schallung setzt zum einen voraus, daß die von der Aussteuerung des Stromrichters abhängige Lückgrenze exakt erfaßt wird, zum anderen muß die Zeitkonstantc Tr/. in Abhängigkeit vom Strom und von der Aussteuerung des Stromrichters nachgeführt werden, wozu ein Stellsignal, das über einen Funklionsgeber aus dem Ankerstrom ermittelt wird, erforderlich ist. Der für diese Voraussetzungen zur Realisierung der angegebenen Schallung notwendige Aufwand an Erfassungsgliedern, Multiplikatoren und Funktionsgebern kann erheblich sein.

Zur Vermeidung des Aufwandes an Multiplikatoren und Funktionsgebern ist es durch den genannten Aufsalz auf Seite 351, rechte Spalte, Absatz 1 bekannt, einen abgewandelten Regler einzusetzen, der im Lückbereich mit einer vom Strom-lstwcrl pulsbrcitcnmodulierten Umschaltung zwischen Pl- und I-Regler arbeitet, wodurch bei ausreichender Anpassung an den Verlauf der Verstärkung Multiplikator und Funktionsgeber einsparbar sind.

Bei beiden beschriebenen Reglern hat sich aber in der Praxis gezeigt, daß die Anregelzeiten beim Übergang vom lückenden in den lückenlosen Arbeitsbereich der Stromrichteranlage bei hohen Anforderungen an die Regeldynamik noch verbesserungsbedürftig sind..Infolge der beim Übergang in den anderen Arbeitsbereich notwendigen Umladung der Kondensatoren entsteht nämlich ein Zeitverlust.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Regler anzugeben, der eine für die Praxis wirtschaftliche Lösung mit sehr kurzen Anregelzeiten beim Übergang vom einen Arbeitsbereich in den anderen bietet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Regler der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst,

daß das Proportionalglied als zweites Glied einer Reihenschaltung nach einem ersten proportionalen Glied mit konstanter Proportionalverstärkung und vor einem integrierenden Glied und parallel zu einem differenzierenden Glied geschaltet ist und im Gegenkopplungszweig eines Verstärkers zwei in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände aufweist, von denen einer über einen Schalter kurzschließbar ist, der durch ein binäres Signal angesteuert wird, das durch das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein des Stromrichterstromes erzeugt wird, wobei die Ansteuerung durch den Strom selbst oder durch eine Erfassung der Spannung an den Ventilen des Stromrichters erfolgt. Da hier bei dem Obergang von einem Arbeitsbereich in den anderen nur ohmsche Widerstände geschaltet werden, entfällt die Umladung der Kondensatoren. Auf vorteilhafte Weise wird somit der bisher störende Zeitverlust vermieden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstands sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Fig. 1 bis 3 soll die Erfindung näher beschrieben werden.

F i g. 1 zeigt das Schaltbild und F i g. 2 die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Stromreglers. In Fig.3 ist am Beispiel einer Kennlinie für einen Stromrichterantrieb der auf den Nennstrom Ian bezogene Ankerstrom Ia in Abhängigkeit vom Zündverzögerungswinkel mit der Motor-EM K als Parameter dargestellt. Fig. 4 weist eine zusätzliche Beschallung eines Gliedes des Stromreglers nach F i g. 1 auf.

Die in F i g. 1 angegebene Schallung des Stromreglers besteht aus der Reihenschaltung eines ersten proportionalen Gliedes 1, eines zweiten proportionalen Gliedes 2, dem ein differenzierendes Glied 3 parallel geschaltet ist, und eines integrierenden Gliedes 4. Das erste proportionale Glied 1 enthält einen Verstärker 5 und weist eine konstante Proportional-Verstärkung V\ auf, die durch die Wahl des Eingangswiderstandes R₁ des Verstärkers 5 und des im Gegenkopplungskreis liegenden Widerstandes /?2 festgelegt wird. Das zweite proportionale Glied 2 enthält einen Verstärker 6, der einen Eingangswidersland R₃ und einen Gegenkopplungskreis mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen /?₄ und /?s hat. Dem Verstärker 5 nachgeschaltet ist ein Widerstand Rb- Die Verstärkung des Gliedes beträgt

l/₂(/.<s)//?6.mit V₂=R^R₅IR₁

Dem zweiten proportionalen Glied 2 ist ein differenzierendes Glied 3 parallel geschaltet, dessen Verstärker 7 einen Eingangswiderstand Ri und einen Gegenkopplungskreis mit einem Widerstand Rs hat. Nachgeschaltet ist ein Kondensator Cj. Der Frequenzgang dieses Gliedes ist ρ ■ V₁ ■ C₁, wobei Vj · Cj der Differenzierbeiwert ist und von der Wahl der Widerstände Ri und Re, abhängt. Das integrierende Glied 4 enthält c'hcn Verstärker 8 mit einem Kondensator Ca in seinem Gegenkopplungskreis. Das Ausgangssigmil des V_erstä_rkers 8 steuert z. B. einen Steuersatz, dci- die Zi>ndimpulse für einen zu regelnden Stromrichter liefer'. Auf das integrierende Glied 4 werden additiv <cwui Signale — ein differenzierendes vom Glied 3 und eil proportionales vom Glied 2 — geschaltet. Zusammen mit dem integrierenden Glied ergibt sich resultierend ein proportional-integrales (Pl)-Verhalten. Durch Cine Veränderung des integralen Anteiles über eine Veränderung der Verstärkung V^/, Oi)IRb des zweiten proportionalen Gliedes 2 wird das gesamte Zeitverhalten des Stromreglers wesentlich beeinflußt Für den Frequenzgang deo dargestellten Stromreglers gilt:

Fr = V₁

V₂[Uo:)

P Ca

V₂U,*)

Das ist der bekannte Frequenzgang eines PI-Reglers. Vergrößert man nun V₂(Z, K)IRb wesentlich, dann ist der zweite Zählerausdruck vernachlässigbar, so daß man ein integrierendes Verhalten erhält. Die Verstärkung V^/, Oi)IRb des zweiten proportionalen Gliedes 2 muß demnach in Abhängigkeit von den Parametern der Regelstrecke analog zu der Kennliniendarstellung der Fig.3 geändert werden. Das geschieht durch das öffnen und Schließen des Kontaktes 9, der parallel zu dem im Gegenkopplungskreis des Verstärkers 6 liegenden Widerstandes /fliegt.

Im nichtlückenden Bereich beträgt die Zeitkonstante des PI-Reglers somn

τ_νι = -

ü _ . _c
t) ³

V₂{amst.

und kann durch Veränderung von Vj und C₃ variiert werden. Die Integrationszeit für den lückenden Bereich beträgt unter Berücksichtigung einer großen Verstärkung Vi(A ft)/l?b des zweiten proportionalen Gliedes und derGleichung(l):

T₁. =

Die Steuerung des Schallers 9, der sowohl ein mechanischer Schalter als auch ein Feldeffekt-Transistor sein kann, erfolgt durch den im Stromrichter fließenden oder nichtfließenden Strom. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Spannung an den Thyristoren des Stromrichters zu erfassen und daraus die Steuerung des Schalters 9 abzuleiten.

Zur Verdeutlichung ist im Diagramm 2a ein aus dem lückenden Bereich ansteigender Strom /(^dargestellt.

Im Diagramm 2b ist ein binäres Signal S (t) dargestellt, das durch das Vorhandensein bzw. Nichivorhandensein des Stromes erzeugt wird. Dieses binäre Signal verändert die Verstärkung V₂[I. ix)/R_b des zweiten proportionalen Gliedes, indem es den Schalter 9 ansteuert und damit den im Gegenkopplungszweig des Verstärkers 6 liegenden Widerstand R5 kurzschließt oder in Reihe zum Widerstand /?4 schalte). Die Verstärkung V2 ist in Fig. 2c über der Zeil / dargestellt. Auf diese Weise wird das gewünschte Zeitverhallen des Stromreglers in Abhängigkeit davon, ob der Stromrichter im lückenden oder nichtlückenden Bereich arbeitet und — beim Arbeiten im lückenden Bereich — in Abhängigkeil von der Größe des Lückstromes erreicht.

In Fig.4 wird durch zusätzliche Beschallung des differenzierenden Gliedes 3 eine besonders günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromreglers gezeigt. Bei der Reglerdimensionierunn wird im

ungemeinen vereinfachend die Induktivität der Glätlungsdrossel des Stromrichters als konstant angesehen. Die Glältungsdrosseln sind jedoch aus wirtschaftlichen Gründen so dimensioniert, daß sie mit wachsendem Ankerstrom Ia in die Sättigung gehen, wobei bekanntlieh mit wachsendem Strom die Induktivität abnimmt. Da aber mit Rücksicht auf die Stabilität des Stromrichterbetriebes die Proportionalverstärkung nach der niedrigsten Induktivität eingesetzt werden muß, ergibt sich im Bereich niedriger Ströme im nichtlückenden Betrieb eine zu große Anregelzeit.

Im nichtlückenden Bereich ist nach Gleichung (2) die Reglerzeitkonstante Tnl, die der Ankerzeitkonstante Ta gleich sein soll:

V₂ (const.) ³

Ta =

^-A

wobei La die Summe der Induktivitäten und Ra die Summe der wirksamen ohmschen Widerstände im Ankerkreis sind. Bei einer Änderung der Induktivität La mit dem Ankerstrom ändert sich die Ankerzeitkonstante Ta. Da aber Ankerzeitkonstante Ta und Reglerzeilkonstante Tnl im nichtlückenden Bereich gleich sein sollen, ist zur Anpassung der Reglerzeitkonstante T_NL zweckmäßigerweise V3 linear mit der Induktivität La zu ändern. Dazu ist im Gegenkopplungszweig des Verstärkers 7 ein veränderbarer Widerstand R$ in Reihe zum fest vorgegebenen Widerstand /?e vorgesehen. Dieser veränderbare Widerstand /?g kann entweder aus einem oder mehreren in Reihe geschalteten Widerständen bestehen, die durch parallelgeschaltele Feldeffekttransistoren, die vom Strom im Gegenkopplungszweig angesteuert werden, zu- oder abgeschaltet werden, oder aus einem Feldplattenwiderstand bestehen, der in Abhängigkeit vom magnetischen Fluß des Stromes seinen Widerstandswert ändert.

Das Verhalten des Reglers wird durch diese zusätzliche Beschallung des Differenziergliedes 3 im Lückbereich nur unwesentlich beeinflußt, da im Lückbereich die Verstärkung des zweiten proportionalen Gliedes 2 maßgebend ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regler mit selbsteinstellenden Parametern für die lückstromadaptierte Stromregelung in einer Stromrichteranlage, der ein Proportionalglied mit einer Verstärkung in Abhängigkeit vom lückenden und nichtlückenden Strom der Stromrichteranlage aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Proportionalglied (2) als zweites Glied einer Reihenschaltung nach einem ersten proportionalen Glied (1) mit konstanter Proportionalverstärkung und vor einem integrierenden Glied (4) und parallel zu einem differenzierenden Glied (3) geschaltet ist und im Gegenkopplungszweig eines Verstärkers (6) zwei in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände (Ra und J?₅) aufweist, von denen einer (Rs) über einen Schalter (9) kurzschließbar ist, der durch ein binäres Signal angesteuert wird, das durch das Vorhandensein bzw. NichtVorhandensein des Stromrichterstromes erzeugt wird, wobei die Ansteuerung durch den Strom selbst oder durch eine Erfassung der Spannung an den Ventilen des Stromrichters erfolgt.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (9) aus einem mechanischen Kontakt oder einem Feldeffekt-Transistor besteht.

3. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das differenzierende Glied (3) aus einem Verstärker (7) besteht, dem ein Widerstand (Λ7) vor- und ein Kondensator (Cj) nachgeschaltet ist und in dessen Gegenkopplungszweig ein fest vorgegebener Widerstand (Ra) und ein veränderbarer Widerstand (fliegen.

4. Regler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand (/?<)) ein Fcldplattenwiderstand ist.

5. Regler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand (R9) aus einem Widerstand oder mehreren in Reihe geschalteten Widerständen besteht, denen Feldeffekt-Transistoren parallel geschaltet sind, die die einzelnen Widerstände in Abhängigkeit vom Strom im Gegenkopplungszweig zu- oder abschalten.