<Desc/Clms Page number 1>
Anordnung zur Regelung elektrischer Grössen stromrichtererregter, umkehrharer Gleichstrommaschinen Die immer weiter steigenden Anforderungen an die Unmsteuergeschwindigkeit beispielsweise von Ilgner-Antrieben legen es nahe, an Stelle der bisher vorwiegend verwendeten Maschinen den träglheitslosen Stromrichter zur Erregung der Steuerdy namo einzusetzen. Die Schaltung kann grundsätzlich mit nur einem Stromriehter und Polwender oder mit zwei Gefässen in Kreuzschaltung erfolgen. Inn Anbetracht der im Vergleich zur Masehinenleistung nur geringen Erregerleistung und des mit dem Polwender verbundenen Risikos und Zeitverlustes dürfte dieser Lösung keine praktische Bedeutung zukonm- men.
Bei der Kreuzsehaltung ist nun erstens anzustreben, die beiden gesteuerten Stromriebch tcrspannun gen ständig auf entgegengesetzt gleichem Wert zu halten, um bei der Strom- übergabe von einem Gefäss an das andere keine Zeit zu verlieren.
Zweitens muss die Aussteuerung der beiden Stromriehtergefässe in der Weise erfolgen, dass die Summe der beiden entgegengesetzt gesteuerten Stromriehterspannungen niemals grösser als Null wird. Andernfalls tritt in denn Kreis, in dem die beiden Gefässe in Reihe liegen, unter Umgehung der eigentlichen Last, das heisst in diesem Falle der Erregerfeldwicklung, ein zusätzlicher Strom auf, wodurch dann die zulässige Belastbarkeit der Gefässe und Leiter rasch überschritten werden würde.
Den prinzipiellen Aufbau einer Zweigefäss- sehaltung zur Regelung eines Ilgner-Antriebes zeigt Fig.1. Der eigentliche Ilgner-Umfor- mersatz besteht aus einem Drehstromantriebs- mnotor 3, dem Leonardgenerator 2 und einem nicht näher dargestellten Schwungrad zum Ausgleich von Belastungsstössen. Der Antriebsmotor 3 ist, ein Sehleifringläufermotor, dessen wirksamer Läuferwiderstand zur Unterstützung der Schwungradwirkung veränderbar ist. Der Gleichstromgenerator 2 speist in Leonardschaltung den Gleichstromneben- sclhlussmotor 4.
Die beiden Stromriehter 1A, 1ss der Kreuzsehaltung, die je für sich aus einem dreianodigen Gefäss, der Sekundärwick- ling eines aus denn Drehstromnetz gespeisten Transformators und einer Kathodendrossel bestehen, arbeiten als Gleich- oder Wechselriehter auf die Fremderregerwicklung des Leonardgenerators 2 des Umformersatzes 2, 3 und bewirken damit den Feldauf- oder -abbau in 2, und zwar Stromrichter 1r1 für Rechtslauf, Stromrichter 1 B für Linkslauf des zu regelnden Gleichstrom-Nebensehlussmotors .1, entsprechend dem Vorzeichen der Ankerspannung U' von 2.
Diese Spannung als Regelgrösse wird auf den Eingang der Anordnung gegeben, die ihrerseits die Stromrichter 1A,
<Desc/Clms Page number 2>
1R steuert und so den Regelkreis schliesst. An Stelle der Ankerspannung UA kann natürlich auch die Drehzahl, deren Istwert mit Hilfe der Tachometerdynamo n erzeugt wird, als Regelgrösse dienen. Die Anordnung 5 enthält für jedes Stromriehtergefäss das erforderliche (Zittersteuergerät und den zugehörigen Regler.
Der Erfindung liegt nun der allgemeine Gedanke zugrunde, dass diese Anordnung von vornherein nicht einwandfrei arbeitet, wenn nicht die Steuerungen der Gefässe in ständig gegenseitiger Abhängigkeit stehen.
Gemäss vorliegender Erfindung wird daher vorgeschlagen, die StromrichtergefässeinKreuz- sehaltung durch zwei mindestens teilweise gekuppelte, während des ganzen Betriebes wirksame Folgeregler zu steuern. Durch diese Anordnung werden zwei Forderungen erfüllt, die einwandfreies und schnelles Arbeiten im Geradeaus- wie im Umkehrbetrieb ermöglichen.
Die gerannte Vorschrift gemäss der Erfindung kann in einfachster Weise durch zwei läuferseitig gekuppelte Drehtransformatoren mit gegensinnig umlaufenden Ständerfeldern, ans deren Läufern die Steuerspannung entnommen wird, erfüllt werden. Ein derartiges Stellglied ist aber wegen seiner MTassenträg- heit für manche Aufgaben zu langsam. An Stelle der mechanisch gekuppelten Drehtransformatoren sind dann zweekmässig zwei rein elektrisch aufgebaute und elektrisch gekup- pelte Regler zu verwenden.
Zum Aufbau einer praktisch trägheitslosen Folger egleranordnung kann man an sieh bekannte Röhrenregler verwenden, welche Pha- sernschiebekreise steuern. Eine Veränderung des Sollwertes beider Folgeregler soll betrags- mnässig eine genau gleiche Änderung in ent- gegengesetztem Sinne der Phasenlage der Steuerimpulse aus dem Phasenschiebekreis für die Stromrichtergefässe bewirken.
Diese Anordnung arbeitet erheblich besser als die obengenannte, jedoch haften auch ihr gewisse Mängel an, die zu der allgemeinen Frage führen, ob die Phasenbeziehung der beiden Steuerimpulsgruppen unmittelbar zwangläufig, das heisst durch eine gemeinsame Steuergrösse, oder nicht zwangläufig, das heisst durch zwei voneinander nicht direkt abhängige Steuergrössen, hergestellt werden soll.
Ist die Steuergrösse beispielsweise ein Strom, so läuft diese Unterseheidung im ersten Fall auf eingangsseitige Reihensehal- tung der beiden Steuergeräte, evtl. im Ausgang eines gemeinsamen Verstärkers, im an- (lern Fall auf eingangsseitige Parallelsehal- tung, evtl. mit Vorsehaltung je eines eigenen Verstärkers, hinaus.
Die zwangläufige und starre Kupplung, wie sie schon beispielsweise genannt wurde, hat den Vorteil, dass, wie im Falle des Drehtransformators, bei richtiger Einstellung niemals ein Kreisstrom auftreten kann. Dafür haftet ihr der Nachteil an, dass bei nichtlinearen Kennlinien der beiden Steuergeräte die beiden Stromrichterspannungen in höchstens einem Punkt einander gleich sein können, in allen andern Punkten muss bei Stromübergabe von einem Gefäss auf dlas andere eine Totzeit zur Weitersteuerung des übernehmenden Gefässes in Kauf genommen werden.
Um der Anordnung in beiden Riehtungen gleiches Verhallen zu geben, rnuss dem Wert Null der Steuergrösse auch eine Aussteuerung auf Gleielspan- nung Null entsprechen, das heisst die Impuls- endlagen müssen verschiedenen Richtungen der Steuergrösse entsprechen und angenähert symmetrisch zum Nullpunkt liegen, Forderungen, die nicht von vornherein erfüllt sind, sondern erst dureh zusätzliche Massnahmnen preist mit erheblichen Schwierigkeiten erlauft werden müssen. Selbst dann noch kann durch die Dynamik des gemeinsamen Verstärkers die Symmetrie gestört werden. So kann z.
B. ein Röhrenverstärker mit induktivem Ausganz schneller gesperrt als geöffnet werden, so dass sieh je nach Drehrichtung ganz ver- sehiedenartiger Zeitablauf desegelvor@anges einstellt, der eine Beruhi;,un- unter Uniständen unmöglich macht.
Bei einer zweckmässigen. Ausführung. der Erfindung wird für einen volli;ommen syrrr- metrischen Aufbau, ohne Rücksicht auf die Eigenarten der verwendeten Steuergeräte, mit gleichartigem dynamischen Verhalten in
<Desc/Clms Page number 3>
beiden Riclhtungen und Vermneidung der beschriebenen Totzeit, eine elastische, das heisst nicht starre Kupplung der Steuerungen maglieh.
Hierzu sind derartige Vorkehrungen ge- tröffen, dass das nicht stromführende Gefäss dlurclh einen zusätzlichen Regelvorgang bis auf den negativen Wert der Spannung des stromführenden, und nicht weiter, ausgesteuert wird. In Anbetracht der Tatsache, dass in diesem Fall immer nur eines der beiden Systenme A und R, nämlich das jeweils strom- füihrende, in den üblichen Spannungs- bzw. Drelzahlregelkreis eingegliedert, ist, ist offenbar nur diesem einen ein definierter Aussteuerungszustand vorgeschrieben.
Der Zustand des andern Systems ist bei integralem Verbalten des Reglers undefiniert, da vom stromführenden System nach Ausregeln einer Störgrösse oder eines Steuerbefehls auf Grund dieses Verhaltens immer wieder Regelabweichung Null hergestellt wird und aus demn- selben Grund der aus demn Regelkreis herausgelöste Regler bei dieser Regelabweiehung in jedem Punkte seines Hubbereiches in indifferentem Gleiehgewicht verharren kann.
Um auch demn nicht stromführenden System den gewünschten Aussteuerungszustand vorzuschreiben, kann mnan so verfahren, dass mn an beiden Reglern eine zusätzliche Eininsbesondere Spannung, zum Öffnen der Gefässe von zunächst beliebiger Höhe aufschaltet. Auf die Reglereingänge werden weiterhin dem Kreisstrom proportionale Messwerte gegeben und den zusätzlichen Eingangsgrössen entgegengesehaltet, so dass ge- sclhlossene Kreisstromregelkreise vorliegen. Die beiden Regler laufen demnach mit einer ihren. Systemnkonstanten und der Höhe der zusätzlichen Eingangsgrösse entsprechenden Ge- selhwindigkeit an und steuern die Gefässe bis zunm Kreisstromeinsatz aus.
Sobald die Kreis- st rommesswerte den Betrag der zusätzlichen Einrangsspannungen erreicht haben, ist der Verstellvorgang beendet und Gleichgewicht wieder Hergestellt. Die zusätzlichen Eingangsgrössen, das heisst die Kreisstromsollwerte können beliebig klein gehalten werden.
Da die Stromrichterspannung, bei welcher das Gleich- gewiclht zwischen hreisstronmsollwert und Kreisstromistwert eintritt, überhaupt keine Rolle spielt, sondern lediglich für die Summe der beiden Stromrichterspannungen der Wert Null vorgeschrieben wird, ist es mit dieser Anordnung möglich, das stromführende Gefäss entsprechend den gegebenen Regelbefehlen ganz beliebig zu steuern und das andere Gefäss zu zwingen, in seinem Aussteuerungszustand dem stromführenden bis an die Grenze des Kreisstromeinsatzes zu folgen.
Im folgenden Ausführungsbeispiel ist als Steuergerät für ein Gefässgitter gemäss Fig. 2 eine Sättigungsdrossel 6 mit Reihenwiderstand 7 an der Diagonalen einer R-L-Phasenbrücke g8 9, 10 mit veränderlichem L verwendet. Die Steuergrösse ist ein Strom ist, durch dessen Veränderung von Null auf seinen vollen Wert der Zündimpuls aus seiner rückwärtigen in seine vordere Endlage verschoben wird. 8 ist die mittelangezapfte Sekundärwicklung des speisenden Transformators, 9 ein Festwiderstand, der den einen Brückenzweig bildet, 10 eine vormagentisierbare Drossel, die den andern Brückenzweig bildet.
Die Diagona.len- spannung liegt während der Umina.gnetisie- rung der Stossdrossel 6 praktisch voll an und geht bei Sättigungseintritt sprungartig an den Widerstand 7 über, dein die Zünd- impulse entnommen werden.
Zur Steuerung der v ersehiedenen Entladungsstrecken eines Stromrichters ist eine entsprechende Zahl derartiger Phasensehwenk- brücken vorgesehen, deren speisende Wechselspannungen zueinander die erforderlichen. Phasenlagen haben. Die Steuerwicklungen der v orinagnetisierbaren Drossel 10 sind in Reihe geschaltet, so dass sie vom gleichen Steuerstrom ist durchflossen werden.
Der Pha- sensehwenkbereieh der Zündimpulse ist dabei so gewählt und gelegt, dass maximaler Vor- niagnetisierung der Drosseln 1.0, das heisst dein vollen Steuerstrom ist, die maximale Gleich- rieliteraussteuerung und dem Steuerstrom ist - lNTUll die maximal als zulässig erachtete Weehselriehteraussteuerung entspricht.
Zur Erzeugung des Steuerstromes ist dient ein Regelverstärker, wie er in Fig.3 bei-
<Desc/Clms Page number 4>
spielsweise dargestellt ist. Er enthält eine Hochvakuunm-Triode 11, auf deren Steuergitter neben der die Regelabweichung enthaltenden Spannung UE eine magnetische Rückkopplung 12, 13, 14 wirkt, wobei es mit Hilfe letzterer möglich ist, dem Ausgangsstrom das gewünschte integrale Regelverhalten in bezug auf die Eingangsspannung zu geben.
Fig.4 zeigt den erzielbaren Kennlinienverlauf des Röhrenreglers. Ausgezogen gezeichnet wurde die Kennlinie mit. Rückkopplung und gestrichelt die normale Röhrenkennlinie ohne Rückkopplung. Gemäss dem gewählten Ausführungsbeispiel ist der Anodenstrom iA der Regelröhre 11 mit dem Steuerstrom ist der Schwenkdrosseln 10 identisch. Die positive Eingangsspannung UE, die eine Regelabweichung, das heisst eine Sollwert-Istwert-Differenz darstellt, wirkt in Richtung einer Aussteuerung der Regelröhre 11. Weiterhin ist noch im Gitterkreis der Röhre 11 eine feste Zusatzspannung Uz (in Fig. 3 nicht näher dargestellt) zur Vorspannungserzeugung und Arbeitspunktfestlegung vorgesehen.
Die Kombination der beiden Schaltungen nach Fig.2 und 3 in einem Regelkreis wird also gemäss dem integralen Regelverhalten -- bleibende Regelabweichung praktisch Null - dazu führen, dass sieh am Gitter des Gefässes 11 der mit Uz bezeichnete Vorspannungswert ergibt, der etwa dem Anfang des geradlinigen Teils der Röhrentrennlinie entspricht. Das wird unten noch näher erläutert.
Fig.5 zeigt in Anlehnung an Fig.1 die Kreuzschaltung zweier Stromriclhter 1A und 1B zur Speisung eines Verbrauchers, der in diesem Falle in dem Nebenschlussfeld eines Leonardgenerators 2 besteht, sowie die zugehörige Steuerung und Regelung. Die Gitter der Stromrichtergefässewerden von Steuergeräten 12A und 12B, die Einrichtungen zur Erzeugung und Phasendrehung von Zünd- impulsen entsprechend Fig.2 enthalten; beeinflusst.
Auf die Steuergeräte 12A4 und 1'4B wirken wiederum die hinsichtlich ihres Auf- haues mit Fig. 3 beschriebenen elektronischen Verstärker 11A Lund 11B ein, Den beiden Verstärkern 11A und 11B ist jeweils die Spannung Uz vorgeschaltet, so dass sieh hier eine Regelung auf Eingangs- spannung, das heisst Regelabweichung Null ergibt. Die Eingänge der beiden Verstärker liegen in Kreuz- oder Gegentaktschaltung an der Regelabweichung, Sollwert 15 und Istwert 16, um die gleichzeitige und gegenläufige Aussteuerung der beiden Stromrichtergefässe zu ermöglichen. Die Ankerpannungsregelung erfolgt nun so, dass über 15 und 16 Regel- abweiehung Null gemessen wird.
Das bedeutet (von Widerstand 19 werde zunäclhst abgesehen), dass am Gitter von 11A oder 11B nur Uz liegt. Dieser Wert würde an sich bei ideal integralem Regelverhalten beliebige Werte des Anodenstromes (siehe Fig.4) bedingen. Man wird jedoch die Rückkopphung nicht beliebig steil machen, so dass die Vorgabe einer bestimmten Phasenlage der Steuerimpulse möglieh ist. Jede Abweichung davon bedingt eine sofortige Regelabweichung. so dass eine andere, von Uz verschiedene Gitterspannung entsteht. Uz wird so gewählt, dass bei verschwindender Regelabweichung die gezündeten Stromrichterspannungen Null sind, so dass die Steuerströme ist hierbei etwa den halben Wert des Stromes haben, der für die volle Sättigung der Schwenkdrosseln 10 (vgl. Fig.2) benötigt wird.
Der Sollwertgeber 15 ist. ein gemeinsames Glied der gekoppelten Folgeregler. Die geforderte Anregung der Regler im Sinne der Gleichrichter-Vollausste uerung geschieht durch Verstimmen von Uz. Der Kreisstrom-Einsatz wird durch die Clleiehstromwandler 171 und 17ss erfasst. Die Primärwicklungen dieser Wandler führen den Erregerstrom der Steuer- dynaino plus Kreisstrom bzw. die andere den Kreisstrom allein. Die Wandler sind derart bemessen, dass sie durch Ströme, die um einen geringen Betrag oberhalb des maximal einstellbaren Kreisstromes liegen, voll gesättigt sind.
Da infolgedessen der Strom in der Reihenschaltung der beiden Sekundärwicklungen vom kleineren der beiden Primärströme, das heisst. von dein nicht vollgesättigten IN a.nd- ler, vorgeschrieben wird, ist der Sekundär-
<Desc/Clms Page number 5>
strom ein Mass für den Kreisstrom der Kreuz- schalttullng.
Nach Gleichriehtung in 18 wird er an den Widerstinden 19 in eine Spannung umgesetzt undr mit der so gewonnenen Spannung die Verstärker im Sinn der Sperrung beeinflusst. G1eichgewiclht bestellt, wenn die an 19 abgegriffene Spannung gleich der all Uz vorgenommenen Verstimmung ist.
Die erforderliche Beruhigung des Regel- vorgamnges wird durch Ruckführung der Erregerspannung ZU r als Differentialquotient der Ankerspannung UA in den Regelkreis erzielt, urnd zwar mit H-ilfe der Widerstände 20 und 21 (Fig.5). Denn die Erregerspannung U',E IHM sielh zerlegen in
EMI5.5
wobei die rechte Seite der Gleichung einmal den Ohmschen Spannungsabfall (Erregerstrom 1F, mal Ohmsehen Widerstand Re), zum andern die Selbstinduktionsspannung in Folge der zeitlichen Anderung des Erregerstromes in der Induktivität Lr der Erregerfeldwicklung enthält.
Bei Vernachlässigung der Eisensättigung undl der Wirbelstrombildung ergibt sich dann mit UA, --- lk . IlE:
EMI5.8
Dltas ankerspannungsproportionale Glied (beginnend mit der Konstante k1) kann durch entsprechende Vergrösserung des Spannungssollwertes kompensiert werden, so dass tat- sächellich die zeitliche Ableitung der Regelgrösse (beginnend mit der Konstante kc) rückgeführt wird.
Die Ankerstroni-Begrenzung g, die die Über- waehun g der Regelkreise, insbesondere bei starken Solhwert- oder Istwertänderungen und -unterbreehungen, gewährleistet, kann nach Fig. 6 dhurech Parallelschalten eines Strom-Ver- gleichsztweiges 24-25 zum Spannungsvergleich 15---76 erfolgen, wobei die Ströme wie- clerum durch Spannungen ausgedrückt werden. Die Ablösung der Regelgrösse Anker- spannung UA durch den AnkelStrom JA erfolgt durch einen Widerstand 22 und ein Ventil 23.
Bei Strömen unter Nennstrom sperrt 23 den Stromvergleich, bei Strömen darenüber wird 23 leitend, so dass jetzt der Stromvergleielh widerstandslos, der Span- nungsvergleieh dagegen über Widerstand 22 am, 1 Reglereingang liegt. Die Regelung erfolgt auf konstanten Strom, solange die Stromanforderung den an Sollwertgeber 24- cingestellten Grenzwert überschreitet. Zuführung des Stromistwertes erfolgt über Wandler auf eine Bürde 25.
Die Anordnung nach Fig. 6 wirkt in dieser Form nur in einer Stromrichtung. Um sie für die erforderliche gegenläufige Aussteuerbarkeit der beiden Kreuzsehaltungs- gefässe in beiden Richtungen wirksam zu machen, mass die Richtung des Stromsollwertes bei Riehtungsumkehr des Stromistwertes ebenfalls umgekehrt werden. Dies kann ohne Verwendung mechanischer Schaltmittel durch eine Anordnung nach Fig. 7 erfolgen, bei welcher die Sollwertspannung von vornherein in beiden Richtengen vorhanden ist, von denen durch zwei Ventile 23a, 23b an Hand der Richtung des Istwertes selbständig die richtige ausgewählt wird.
Die somit für die vorstehend beschriebene Verbraueherstrombegrenzungseinrichtung be- n ötigterichtungsgetreue Zuführung des Stromist wertes in einer ohne Zwischenverstärkung brauchbaren Spannungshöhe ermöglicht eine fi andlersehaltung nach Fig. B. Dabei wird dem zu messenden Ankerstrom J ein Hilfsstrom i überlagert. und mit zwei Gleichstromwandlern 26a, 26b die Summe und die Differenz der beiden Ströme gebildet.
Durch Gleich- rielltung in 27a., 27b und Addition der beiden Werte erhält man schliesslich als Spannung über der Reihenschaltung 25a-25b ein grö- ssen- und richtungsgetreues Abbild von J, das von i nicht mehr abhängt. Damit braucht an i nur die Forderung gestellt zu werden, dass beständig i - it-i > J # ivl gilt, jedoch keinerlei Anforderungen an die Konstanz.
Da sowohl Summe als auch Differenz als Wechselströme zur Verfiigllng stehen, kann der ylesswert
<Desc/Clms Page number 6>
über Zwisehen wandler auf beliebig viele Stellen galvanisch getrennt übertragen werden.
Die Beruhigung des Strom-Regelvorganges kann, da die Verstärkereingänge leistungsfrei sind, durch Vorschalten des unverfälschten ersten Differentialquotienten des Ankerstromes vor die Gitter der Regelröhren erfolgen. Fig.9. Im Ankerstromkreis liegt ein Luft.- spalt-Transformator 28g, der, weil sekundär praktisch offen, auf den Ankerstrom als reine Induktivität wirkt. Die Phasenlage der rückgeführten Spannung beträgt daher 90 im Sinne der Voreilung gegenüber dem Ankerstrom, und zwar für alle Frequenzen.