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Einrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Antriebes
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Regeln der Drehzahl
eines Antriebes mit einem Drehzahlregelkreis und einem unterlagerten Momentenregelkreis
(Stromregelkreis), dessen Vorsteuersignal aus einem Hochlaufgeber abgeleitet ist.
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Mit diesem Oberbegriff wird auf eine Anordnung Bezug genommen, wie
sie beispielsweise im Rahmen eines stromrichtergespeisten Aufzugantriebes aus dem
Siemens-Katalog Antriebstechnik mit System", Bestellnummer: E319/1126, bekannt ist.
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Das Führungsverhalten von Drehzahlregelkreisen bei elektrischen Antrieben
kann durch Vorsteuerung des Stromregelkreises wesentlich verbessert werden.
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Der zum Beschleunigen der Drehmassen verfügbare Strom bzw. der Momentenhub
hängt vom gerade vorhandenen Feld (Feldschwächebereich) und von Stärke und Richtung
des Belastungsmomentes ab. Wird ein geregelter Antrieb mit 50 des Maximalmomentes
bremsend belastet, so hat der Antrieb beim Nennfeld zum Beschleunigen um 50%, beim
Verzögern Jedoch 150 des Maximalmomentes als Momentenhub. Dieser Sachverhalt muß
bei der Vorsteuerung berücksichtigt werden, um möglichst zeitoptimal zu sein. Sinngemäß
das gleiche gilt hinsichtlich der Regelung einer Verbrennungsmaschine.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Vorsteuersignal
so zu führen, daß die Regelung nahe-
zu zeitoptimal wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Vorsteuersignal
entsprechend dem jeweils vom Drehzahlreglerkreis vorgegebenen Momentensollwert begrenzt
ist. Ausgangspunkt der Vorsteuerstruktur ist dabei vorteilhafterweise ein an sich
bekannter nichtlinearer Hochlaufgeber, der aus einem Signumsfunktionsgeber zur Abgabe
des Vorsteuersignales und einem nachgeschalteten Integrator besteht. Hierbei sollen
die Begrenzungen der Signumfunktion der zur Beschleunigung bzw. Verzögerung verfUgbaren
Mom.ntenreserve (Stromreserve) entsprechen.
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Erfindungsgemäß werden sie daher aus dem vom Regler selbst angeforderten
Momentensollwert (Stromsollwert) errechnet. Die Ausgangagröße der Signumsiunktion
liefert dann den verftigbaren Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsstrom im fall. einer
elektrischen Maschine. Die am Ausgang des Hochlaufgebers zu erwartende Drehzahlrampe
wird durch einen Wert, der dem Fluß der Maschine proportional ist und durch die
Drehmasse bestimmt. Damit am Drehzahlregler keine Regeldifferenz auftritt, wird
vorteilhafterweise der Drehzahlsollwert auch noch durch eine Nachbildung von Stromregelkreis-
und Drehzahlglättung verzdgert.
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Der vorstehend genannte erfinderische Gedanke läßt sich auch bei mehreren
elastisch verkoppelten Antrieben, z.B.
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im Rahmen von Motor- und Getriebepruf ständen, verwenden.
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Hierbei sind die Momentnregler von einem gemeinsamen Drehzahlregler
g.funrt. Das Vorsteuersignal £r die beiden Nomentenregeikreise wird dann entsprechend
der Momentenreserve des schwächsten Antriebes bestimmt.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungabeispiels sei
die Erfindung näher erläutert; es zeigen: Figur 1 das Prinzipschaltbild der Einrichtung,
Figur 2 die zugehörige Regelstruktur,
Figur 3 die Verhältnisse bei
zwei elastisch verkoppelten Antrieben und Figur 4 die dazugehörige Regelstruktur.
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Wie durch die gestrichelte Linie in Figur 1 angedeutet, läßt sich
die Anordnung in den Vorsteuerbereich 1 und in den realen Regelkreis 2 mit Regelstrecke
unterteilen.
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Der reale Regelkreis 2 mit Regelstrecke besteht aus einem einem Drehzahlregler
3, der die FUhrungsgröBe JR fUr einen unterlagerten Stromregler 4 vorgibt. Das Ausgangssignal
dieses Stromreglers 4 steuert Ueber den Steuersatz 5 und das Thyristorstellglied
6 die Ankerspannung des Cleichstrommotor 7 mit Last L der Arbeitsmaschine 71, wobei
das oesamttrkgheitsmoment mit T bezeichnet ist. Das Motormoment ist vom Fluß ld
im Feld 73 und vom Ankerstrom J abhängig.
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Mit der Maschine 7 ist eine Tachometermaschine 72 gekoppelt, die über
ein Glättungsglied 31 den Drehzahlistwert a fUr den Regler 3 liefert.
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Dem Drehzahlregler 3 ist ein Hochlaufgeber 9 vorgeschaltet, der bei
einer Änderung des SollwertesSZgm Eingang die Führungsgröße>fUr den Drehzahlregler
3 nach einer vorgegebenen zeitlichen Funktion ändert. Um möglichst zeitoptimal zu
sein, wird aus dem Hochlaufgeber 9 ein Vorsteuersignal über Leitung 10 zusätzlich
auf den Stromregler 4 aufgeschaltet. Dieses Vorsteuersignal wird dabei durch das
Ausgangssignal B+, B- eines gegebenenfalls analogen Rechners 8 über eine Begrenzung
im Hochlaufgeber gesteuert. Der Rechner 8 erhält seinerseits über die Leitung 11
einen dem jeweiligen vorgegebenen Moment (Strom) proportionalen Wert JRW zur Ermittlung
der Begrenzung.
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Die Wirkungsweise sei nun anhand von Figur 2 näher erläutert, wobei
zunächst von einem stationären Zustand ausgegangen wird. In einem solchen Fall entspricht
die vom Ausgang des Hochlaufgebers 9 zurückgeführte Drehzahlregelgröße R-dem Eingangssollwert
X . Sei z.B. angenommen, daß der Eingangssollwert t schlagårtig erhöht wird, so
tritt am Eingang dieses nichtlinearen Hochlaufgebers 9 eine Soll-Ist-Differenz auf,
über die ein Signumsiunktionsgeber 91, der eine Begrenzungskennlinie mit endlicher
Steigung aufweist, angesteuert wird. Die aegrenzungawerte B+, B des Signumsfunktionsgebers
91 sind durch das Ausgangssignal B+, 3 des Rechners 8 gegeben.
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Das Ausgangssignal des Signumsfunktionsgebers 91 wird mit einem dem
Fluß proportionalen Wert 2 « in einem Multiplizierglied 92 multipliziert, wobei
der Faktor 2 wegen der 10 Volt Begrenzung eingeführt wurde; er kann auch im Eingang
des Integriergliedes realisiert sein. Es gelangt dann an einen Integrator 93, der
auf das Trägheitsmoment m des Antriebes abgestimmt ist. Das FUhrungssignal Stw am
Ausgang des Hochlaufgebers 9 wird demzufolge nach einer vorgegebenen Drehzahlrampe
ansteigen, Durch die RückfUhrung auf den Eingang wird erreicht, daß beim Erreichen
des vorgegebenen Sollwertes die Eingangsgröße der Signumafunktion 0 wird und somit
der Hochlaufvorgang beendet ist. Damit am Drehzahlregler 3 keine Regeldifferenz
auitritt, wird der Drehzahlsollwert noch durch zeitliche Nachbildungen 94 und 95
mit den Werten TEJ und TgS von Stromregelkreis und Drehzahlglättung verzögert. Am
Ausgang des Signumsfunktionsgebers 91 wird ein Vorstateuersignal über Leitung 10
abgenommen, mit dem Faktor 2 multipliziert und zusätzlich zum Ausgangssignal jW
des Drehzahlreglers 3 als R Vorsteuergröße über ein Begrenzungsglied 41 dem Stromregelkreis
4 aufgeschaltet. Das Begrenzungsglied 41 begrenzt die Stromwerte auf die Werte B+
und BJ. Der Stromregelkreis bestimmt dann die Ankerspannung für die Gleichstrommaschine
7.
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Die Begrenzungswerte B+, BI des Signumsfunktionsgebers 91, die der
Beschleunigung bzw. Verzögerung der verfUgbaren Stromreserve entsprechen, werden
im Rechner 8 aus W dem vom Drehzahlregler 3 abgegebenen Stromsollwert JR berechnet
und dem Signumsfunktionsgeber 91 als Begrenzung angegeben. Als Berechnungsgrundlage
dienen dabei folgende Beziehungen: B+ » 0,5 . (B+ - JR) B- = 0,5 . (-Bj -Das Vorsteuersignal
auf Leitung 10 entspricht somit immer dem maximal möglichen Beschleunigungs- bzw.
Verzögerungsstrom (Moment).
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Auf diese Weise erhält man eine exakte Vorsteuerung, die den realen
Stellbegrenzungen entspricht, wobei diese Vorsteuerung z.B. genauso auch bei Verbrennungsmaschinen
angewendet werden kann, bei denen an die Stelle des Stromregelkreises ein Momentenregelkreis
tritt.
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Bei der Anordnung nach Figur 3 sind zwei elastisch verkoppelte Antriebe
16 und 12 vorgesehen, die z.B. Verbrennungsmotoren, Wand-Leonardumformer oder normale
Gleichstrommaschinen mit Stromrichter im Ankerkreis sein können. Diese Maschinen
sind über Getriebe 13 und 14 mit Ubersetzungen u,,ut und eine Drehfeder 15 elastisch
miteinander verkoppelt. Derartige Fälle treten z.B. bei Getriebeprtfständen in der
Automobilindustrie auf.
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Hierbei muß die Vorsteuerung zusätzlich folgenden Bedingungen gerecht
werden: a) Unterschiedliche Typenleistungen der Motoren, b) unterschiedliche Schnelligkeit
der Momentenregelkreise, z.B. Verbrennungsmotoren und ankerstromgeregelte Gleichatrommaschine
und
c) Vermeiden des Anstoßes von Ausgleichsvorgängen über die elastische
Kopplung.
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Bei einem derartigen Antrieb wird der Integrator des Hochlaufgebers
9 durch den Antrieb bestimmt, der hinsichtlich Typenleistung, Feld, Übersetzung
und Drehmasse am schwächsten beschleunigen kann. Durch zusätzliche Glieder kann,
wie in Zusammenhang mit Figur 4 näher erläutert, die Stelldynamik symmetriert und
der Sollwert des Beschleunigungsstromes so gewichtet werden, daß die auf eine Welle
bezogenen Antriebsdrehzahlen auf einer gemeinsamen Rampe weglaufen.
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Wie aus Figur 4 ersichtlich, ist ein Hochlauigeber 9 vorgesehen, bei
dem zusätzlich zur Steuerung des Signumrunktionsgebers 91 auch eine Steuerung des
Integrators 93 durch den Rechner 8 in einer späterhin erläuterten Beziehung vorgesehen
ist.
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Der Ausgangswert des Integrators 93 wird über Nachbildungen 96 und
97, die die unterschiedlichen Zeitkonstanten TeJ1 Te32 der Stromregelkreise nachbilden
und der Nachbildung Tg einer Glättung 98 auf den Drehzahlregler 3 geführt. Dieser
Drehzahlregler 3 liefert die Stromsoliwerte rW +W mit den Begrenzungen BJ1, Bj1
Rl' R2 und B;2, Bj2 für die Stromregler 42 und 43 der Antriebe 16 und 12. Aus den
Stromsollwerten, die auf der Leitung 111 und 112 zum Rechner 8 gelangen, wird gemäß
einer späterhin erläuterten Beziehung die Begrenzung fUr den Signumfunktionsgeber
91 berechnet. Das Ausgangssignal des Signumfunktionsgebers 91 wird über Leitungen
105 und 106 als zusätzliches Vorsteuersignal den Stromregelkreisen aufgeschaltet.
Zur Wichtung unterschiedlicher Antriebe und zur BerUcksichtigung unterschiedlichen
Zeitverhaltens sind in diesen Vorsteuerkreisen noch zusätzliche Nachbildungen TeJl
und Te2 und Wichtungsglieder 103 und 104 vorge-
sehen, deren Wichtungsfaktoren
K1, K2 ebenfalls im Rechner 8 bestimmt werden. Ferner sind in der Reglerstruktur
noch Multiplizierglieder 95 und 107 vorhanden, die durch den vorgegebenen 10-Yolt-Bereich
bedingt sind, diese können aber auch in den Bausteinen realisiert sein.
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Der Rechner arbeitet nach folgender Beziehung:
wobei T1, T#2 die Trägheitsmomente der beiden Antriee be m1,2, die Mximalmomenteund
ß das normierte Moment ist. Mit «1 und «2 sind ferner die magnetischen Flüsse in
den beiden Motoren 16 und 12, mit üges = ü1 . ü2 das Produkt aus den Getrlebetbersetzungen
und mit Bj+i, Bji die Begrenzungen der Stromsollwerte JW bezeichnet, wo-R bei i
- 7oder 2 ist.
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4 Patentansprüche 4 Figuren