DE2241404C3 - Verfahren zur Leistungsregelung eines elektrisch geregelten Bauteils - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Leistungsregelung eines elektrisch geregelten Bauteils mittels eines leistungsregelnden Bauteils, wobei das leistungsregelnde Bauteil seine elektrische Leistung in Form von gesteuerten Rechteckimpulsen mit unterschiedlichen Impulspausenzeiten, konstanter Amplitude und Frequenz erhält und die gesteuerten Rechteckimpulse in einer Regelstufe erzeugt werden, in der eine die zu regelnde verfahrenstechnische Größe repräsentierende elektrische Größe mit einer anderen, mit konstanter Frequenz und in jeder Periode gleichem Amplitudenverlauf schwingenden elektrischen Größe verglichen wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DT-AS 18 00 631 bekannt pieses Verfahren dient zum Betrieb einer Kette von Regeleinrichtungen, wobei auf eine weitgehend gleichmäßige Belastung einer die Verbraucher der Regelstrecke speisenden gemeinsamen Energiequelle Wert gelegt wird Dabei wird in jeder Regeleinrichtung ein impulsbreitenmoduliertes Siellsigna! jeweils durch Vergleich einer Regelabweichung mit einem von einem Sägezahngenerator erzeugten Sägezahnsignal gewonnen. Am Ende eines Arbeitsimpulses des Stellsignals einer jeden Regeleinrichtung wird ein Folgesignal an die nachgeschaltete Regeleinrichtung abgegeben, mit dem innerhalb einer kurzen Abfragezeit entweder ein Stellsignal dieser Regeleinrichtung ausgelöst oder bei Nichtauslösen eines Stellsignals ein weiteres Folgesignal an die nachfolgende Regeleinrichtung abgegeben wird. Die Form des Sägezahnsignals, das eine langsam ansteigende und schnell abfallende Flanke aufweist, wird wesentlich durch die Notwendigkeit bestimmt einen Impuls für die Auslösung des Folgesignals zu gewinnen. Dazu wird die hintere, steil abfallende Flanke des Sägezahnsignals benötigt. In der DT-AS 18 00631 liegt der Schwerpunkt der Erörterungen auf der Schaltungsanordnung für die Folgesignalerzeugung.

Aus der DT-AS 13 02 172 ist eine weitere Anordnung zur Regelung von Gleich- oder Wechselspannungsleistungen bekannt Diese arbeitet unter Verwendung eines Schalters, der als Stellglied für die dem Verbraucher zugeführte Wechselspannung dient und in Abhängigkeit von dem Effektivwert der Wechselspannung mittels Schaltimpulsen periodisch betätigbar ist. Dabei unterbricht der Schalter die Wechselspannung im Rhythmus der Schaltimpulse, die von aus der Wechselspannung abgeleiteten Triggerimpulsen ausgelöst werden. Die Triggerimpulse werden einem aus der Regel abweichung durch Integration gewonnenen Signal überlagert und führen nur bei Überschreitung eines Schwellwertes zur Auslösung der Schall impulse. Diese Anordnung hat die Nachteile, daß Triggerimpulse notwendig sind, deren Erzeugung noch dazu von dem zur Leistungsversorgung benötigten Netz abhängt. Weiterhin wird ein Integrator für die Regelabweichung benö tigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektrischen Leistungsregelung zu schaffen, bei dem die Stromversorgungseinrichtungen eine netzunabhängige Leistungsregelung von sowohl ohmschen als auch induktiven Lasten ermöglichen, ohne komplizierte Vorschalteinrichtungen verwenden zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die andere elektrische Größe ein innerhalb jeder Periode stetiges dU/dt besitzt und die Regelstufe eine Kippstufe ist, wobei zur Versorgung der Baugruppen nur eine einzige Gleichstromquelie verwendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegenüber dem der DT-AS 18 00 631 vorteilhaft, weil die andere elektrische Größe in ihrer Form nicht auf Sägezahnimpulse mit steil abfallender hinterer Flanke beschränkt ist, sondern bis auf die Forderung, daß sie periodisch sei und ein stetiges dU/dt besitze, beliebig gewählt werden kann. Von besonderem Vorteil ist es, daß zur Versorgung der Baugruppen nur eine einzige Gleichstromquelle verwendet zu werden braucht Es ist also möglich, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Batterie zu betreiben und das Verfahren somit ohne Schwierigkeiten auch in Fahr-

•«teen zu verwenden.

F e ICipintufe ist deshalb besonders vorteilhaft, weil •Rechteckimpulse erzeugt, deren Flanken in verfVjässigbar kurzer Zeit durchlaufen werden. Eine ^fwrische l^st, sei es beispielsweise eine Heizung ^i auch ein Magnetventil, ist also lediglich nur mehr ^^eJeschaltet oder ausgeschaltet bzw. erregt oder ent- *J* wie es den beiden konstanten Spannungsendni-¹^s eines Rechteckimpulses entspricht Diese Recht- !^mpulse haben beispielsweise eine mit konstar'er Freäuenz wiederkehrende erste Ranke, während die «lere zweite Flanke, abhängig von dem Differenzsig-L das die Abweichung des Istwertes vom Sollwert Üwzu regelnden physikalischen Größe repräsentiert, in

rschiedenen Zeitabständen auf die erste Flanke folgt. Das heißt also, daß die Impulspausenzeit, abhängig m Differenzsignal, verschieden lang ist Mit einem Ü rartigen Verfahren können mit ein und derselben Regeleinrichtung sowohl beispielsweise Heizungen als .uch Magnetventile betrieben werden, ohne große Anderungen vornehmen zu müssen. Das wiederum ermöglicht eine rationale Fertigung und Wartung der zur Durchführung des Verfahrens benötigten Baugruppen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die andere elektrische Größe in einem Sinusgenerator mit nacheeschaltetem Brückengleichrichter ohne Glättung erzeugt Dadurch werden Sinushalbwellen erzeugt, die zwar ein endliches dU/dt besitzen, das aber selbst eine Sinusfunktion ist Keine der beiden Flanken des Rechteckimpulses ist dann mit konstanter Frequenz wiederkehrend sondern vielmehr sowohl die zeitliche Mitte des Impulses, als auch der Impulspause entsprechend der Sinushalbwelle. Der Sinusgenerator hat den Vorteil, daß die Impulspausenzeiten nicht linearproportional sind, sondern vielmehr sinusförmig vom Differenzsignal

^a Eme mögliche Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zeichnete sich dadurch aus, daß der eine Eingang der Kippstufe mit dem Ausgang eines Funktionsgenerators und der andere Eingang der Kippstufe mit dem Ausgang eines Differenzsignalblocks verbunden ist, der ein elektrisches Signal ent-SDrechend der Differenz zwischen Istwert und Sollwert einer physikalischen Größe liefert. Die Schaltungsanordnung kann weiterhin so ausgebildet sein, daß der Differenzsignalbbck eine Wheatstonesche Brücke mit einem veränderlichen Widerstandsthermometer als Geber für den Istwert in einem Zweig und einem Potentiometer als Geber für den Sollwert im anderen Zweig sowie einen nachgeschalteten Meßverstärker enthält Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, daß ein oder beide Ausgänge der Kippstufe mit einem oder mehreren Leistungsverstärkern verbunden sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit großem Vorteil auf eine ganze Reihe praktisch vorkommender Regelungsfälle anwenden, von denen im folgenden einige Beispiele aufgeführt seien.

So kann das erfindungsgemäße Verfahren in netzunabhängigen Fahrzeugen verwendet werden, beispielsweise in schienengebundenen Reisezugwagen, aber auch in Kraftfahrzeugen und Flugzeugen.

Zur Erhöhung des Komforts wird der Wunsch nach Klimaanlagen, die netzunabhängig arbeiten sollen und leicht zu warten sind, immet größer. Auch hier laßt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei der Regelung von 6.s Klimaanlagen verwenden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl zur i des Kältemittelzuflusses mittels eines Magnetventils als auch zur Regelung der Wärmezufuhr mittels einer elektrischen Heizung verwendet werden. Somit kann beispielsweise bei Klimaanlagen sowohl der Kältemittelzufluß im Sommer als auch die Wärmezufuhr im Winter mit einer einzigen derartigen Regeleinrichtung geregelt werden.

Schließlich läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren für die Temperaturregelung als Leistungsregelung an einer wärmebetriebenen Kaltdampfmaschine verwenden.

An Hand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren an Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild zur Anwendung des Verfahrens,

Fig.2a und 2b ein Ausführungsbeispiel mit Sägezahngenerator, wobei Fig.2a das Schaltbild der Regeleinrichtung und F i g. 2b den Signalablauf wiedergibt,

Fig.3a und 3b ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels mit Sinusgenerator, wobei F i g. 3a das Blockschaltbild des Generators und F i g. 3b der, Signalablauf wiedergibt.

In F i g. 1 sind ein Funktionsgenerator 1 und ein Differenzsignalbbck 2 dargestellt. Zur Erzeugung eines Differenzsignals 7 werden ein Istwert 3 einer verfahrenstechnischen Größe und ein einstellbarer Sollwert 4 in einer Brücke 5 verglichen und das Differenzsignal in einem Meßverstärker 6 verstärkt. Das Differenzsignal 7 und ein Signa! 8 des Funktionsgenerator 1 werden in einer Kippstufe 9 verglichen. ]e nach Größe des Differenzsignals 7 relativ zum Signal 8 wird an einem der Ausgänge der Kippstufe 9 Spannung anliegen. Beispielsweise wird ein Ausgangssignal 10a in einem Leistungsverstärker 11 verstärkt. Ein Ausgangssignal 12 des Leistungsverstärkers 11 kann die Leistungszufuhr für eine Last regeln.

In Fig.2a ist nun eine spezielle Ausführung einer Leistungsregelung nach F i g. 1 angegeben. Der Funktionsgenerator 1 ist hier aus Widerständen ή bis r6, Transistoren pi bis p4 einer Diode n\ und einem kondensator JtI aufgebaut und erzeugt ein Sägezahnsignal 8'. Der Differenzsignalblock 2 beinhaltet als Geber des Istwertes 3 ein Widerstandsthermometer Λ, der Sollwert 4 ist durch ein Potentiometer Π2 dargestellt, die Brücke 5 ist aus Widerständen rl3 bis r15, dem Widerstandsthermometer Π und dem Potentiometer /12 aufgebaut. Das Differenzsignal der Brücke 5 wird dem Meßverstärker 6 zugeführt, der hier ein integrierter Operationsverstärker t/2 ist und der mit einem Koppelungswiderstand rll beschaltet ist. Das Ausgangssigna! des Meßverstärkers 6 ist das Differenzsignal 7. das mit dem Sägezahnsignal 8' in der Kippstufe 9 verglichen wird. Die Kippstufe 9 ist hier ein integrierter Schmitt-Trigger Ul, der mit Widerständen rl bis riO beschallet ist Das Ausgangssignal 10a der Kippstufe 9 wird in dem Leistungsverstärker 11 verstärkt. Der Leistungsverstärker 11 ist hier ein Darlingtonverstärker, der aus Transistoren p5 und p6 und Widerständen Π6 und /18 besteht. Das Ausgangssignal 12 des Leistungsverstärker 11 wird nun einer Last 15 zugeführt, die hier ein Magnetventil si für ein Kältemittel ist mit einer Schutzdiode ril und einer Anzeigelampe Λ1 mit einem Vorwiderstand /17. Zur Stromversorgung ist bei dieser Schaltung nur eine einzige Gleichstromquelle, nämlicn eine Batterie 16, vorhanden.

In F i g 2b ist der zeitliche Signalverlauf des Sagezahnsignals 8' und des Ausgangssignals 10a der Kipp-

stufe 9 bzw. des Ausgangssignals 12 des Leistungsverstärkers 11 dargestellt, abhängig von den Größen la bis 7c des Differenzsignals 7. Sind die Größen 7a bis Tc kleiner als das Sägezahnsignal 8', so kippt das Ausgangssignal 10a in einen höheren Endwert 13. Da der Abfall des Sägezahnsignals 8' in praktisch vernachlässigbarer Zeit erfolgt, kippt das Ausgangssignal 10a am Ende der Periodendauer m nach der Impulsdauer rl wieder auf den niederen Endwert 14 zurück, so lange, bis wieder die ansteigende Flanke des Sägezahnsignals 8' den Wert der Größen 7a bis 7c überschreitet, was nach der Impulsdauer ti eintritt. Impulsdauer ft und Impulsdauer π ergeben die Periodendauer to.

In F i g. 3a ist das Blockschaltbild des Funklionsgenerators 1 dargestellt, der als Signal 8 ein Sinussignal 8" liefert Ein Sinusgenerator 17 liefert eine reine Sinusschwingung, die in einem Brückengleichrichter 18 ohne Glättung derart umgeformt wird, daß als Signal 8 des Funktionsgenerators 1 ein Sinussignal 8" abgegeben wird, das aus positiven Sinushalbwellen besteht. Dieses Sinussignal 8" wird nun in analoger Weise wie in F i g. 1 und F i g. 2 beschrieben weiter verarbeitet.

In Fig.3b ist der zeitliche Signalverlauf des Sinussignals 8" und des Ausgangssignaäs 10a der Kippstufe 9 bzw. des Ausgangssignals 12 des Leistungsverstärkers 11 abhängig von den Größen Td bis 7/des Differenzsignals 7 dargestellt.

Sind die Größen Td, Tf, Th kleiner als das Sinussignal 8", so kippt das Ausgangssignal 10a in den höheren Endwert 13, sind die Größen Te, Tg, Ti größer als das Sinussignal 8", so kippt das Ausgangssignal 10a in den niederen Endwert 14 zurück. Die Impulspause (Teilzeiten fti und tu) und die Impulsdauer (Teilzeiten ft 1 und π 2) ergeben wieder die Periodendauer to, die Teilzeiten π 1 und fci bzw. fn und tn jeweils die halbe Periodendauer to, wobei selbstverständlich die Teilzeiten πι, fi2, ßi, ft2 jeweils vollkommen verschieden sein können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Leistungsregelung eines elektrisch geregelten Bauteils mittels eines leistungsre- gelnden Bauteils, wobei das leistungsregelnde Bauteil seine elektrische Leistung in Form von gesteuerten Rechteckimpulsen mit unterschiedlichen Impulspausenzeiten, konstanter Amplitude und Frequenz erhält und die gesteuerten Rechteckimpulse in einer RegeLstufe erzeugt werden, in der eine die zu regelnde verfahrenstechnische Größe repräsentierende elektrische Größe mit einer anderen, mit konstanter Frequenz und in jeder Periode gleichem Amplituden verlauf schwingenden elektrischen C-röße verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die andere elektrische Größe ein innerkalb jeder Periode stetiges dU/dt besitzt und die Regelstufe eine Kippstufe ist, wobei zur Versorgung der Baugruppen nur eine einzige Gleichstromquelle verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere elektrische Größe in einem Sinusgenerator mit nachgeschaltetem Brückengleichrichter ohne Glättung erzeugt wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Eingang der Kippstufe (9) mit dem Ausgang eines Funktionsgenerators (1) und der andere Eingang der Kippstufe (9) mit dem Ausgang eines Differenzsignalblocks (2) verbunden ist, der ein elektrisches Signal entsprechend der Differenz zwischen Istwert (3) und Sollwert (4) einer physikalischen Größe liefert

4. Schaltungsordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzsignalblock (2) eine Wheatstonesche Brücke (5) mit einem veränderlichen Widerstandsthermometer (Λ) als Geber für den Istwert (3) in einem Zweig und einem Potentiometer (/12) als Geber für den Sollwert (4) im anderen Zweig sowie einen nachgeschalteten Meßverstärker (6) enthält.

5. Schaltungsordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder beide Ausgänge der Kippstufe (9) mit einem oder mehreren Leistungsverstärkern (11) verbunden sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung in Klimaanlagen in Fahrzeugen, insbesondere in schienengebundenen Reisezugwagen.