Verfahren und Schaltungsanordnung zur Vorgabe von Sollwerten und Steuergrössen Die Aufgabe, bei elektrischen Antrieben eine be stimmte Beschleunigung, unabhängig von der Bela stung, einzuhalten, ist bisher in verschiedenster Weise gelöst worden. Es sind Einrichtungen bekannt, die insbesondere bei Verwendung von Drehzahl- oder auch Ankerspannungsreglern in der Weise arbeiten, dass die Beschleunigung unmittelbar, z.
B. durch Differentiation der Winkelgeschwindigkeit, gemes sen wird und bei Überschreitung eines bestimmten Beschleunigungswertes der Regler in der Weise be einflusst wird, dass der Motorankerstrom vermindert wird. Es handelt sich also hierbei um eine direkte Beschleunigungsbegrenzung auf dem Wege einer Be schleunigungsregelung. Hierbei bereitet die Stabili sierung des Beschleunigungsregelkreises gewisse Schwierigkeiten, weil die erforderlichen Vorhaltgrö- ssen schwer zu realisieren sind.
Es wird daher viel fach ein anderer Weg beschritten, nämlich den Soll- wert für die zu regelnde Drehzahl, bzw. auch Anker spannung mit einem bestimmten zeitlichen Verlauf, meistens zeitlinear vorzugeben. Es besteht dabei ausserdem die Notwendigkeit, diesen zeitlichen Ver lauf unabhängig von der Verstellgeschwindigkeit des eigentlichen Kommandogebers, beispielsweise des Steuerschalters eines Walzwerkantriebes, zu halten.
Diese Aufgabe ist vielfach in der Weise gelöst worden, dass der eigentliche Sollwertgeber als Gleich- oder Wechselspannungspotentiometer ausgebildet und von einem Verstellmotor mit einstellbarer Drehzahl verstellt wurde.
Um jedoch einer bestimmten Stel lung des Kommandogebers auch eine bestimmte Stellung des Sollwertgebers, das heisst eine bestimmte Geschwindigkeit zuzuordnen, kann diese Anord nung nur unter Anwendung einer Folge- oder Lage regelung arbeiten. Lediglich zur Sollwerteinstellung muss also hier ein eigener Regelkreis vorgesehen wer- den. Der Aufwand hierfür wird bei entsprechenden Genauigkeitsanforderungen sehr gross sein.
Weiter hin ist nachteilig, dass sich derartige Anordnungen meistens nicht ohne Hintereinanderschaltung von Relaisverstärkern oder anderen Verstärkern realisie ren lassen und damit unter Umständen erhebliche Totzeiten vom Kommando bis zur Sollwertänderung entstehen. Es ist weiterhin bekannt, Sollwerte und Steuer grössen rein elektrisch unter Zuhilfenahme von Ener giespeichern, wie Kondensatoren und Drosseln, sich zeitverzögert ändern zu lassen. Dabei ist jedoch nachteilig, dass praktisch die gleiche Zeitkonstante für kleine und grosse Änderungen massgebend ist.
Da die Zeitkonstante so gewählt ist, dass grosse Än derungen mit ausreichender Zeitverzögerung vor sich gehen, wird bei kleinen Änderungen die Träg heit der Energiespeicher unerwünscht bemerkbar werden.
Zur Vermeidung des letztgenannten Mangels hat man sich bereits mit der Aufgabe befasst, einen Kon densator mit einem konstanten Strom zu beaufschla- gen und an den Belegen des Kondensators die ge wünschten Grössen zu entnehmen.
Zu diesem Zweck hatte man sich zwischen einer den gewünschten End- wert des Sollwertes bzw. der Steuergrösse vorgeben den Spannungsquelle und dem Kondensator geschal teter nichtlinearer Widerstände, beispielsweise anti parallel geschalteter Pentoden oder einer Pentode in einer Gleichrichterbrücke, bedient.
Tatsächlich ist aber mit diesen Anordnungen der Konstantstrom- charakter nicht erreicht worden, da die verwendeten nichtlinearen Widerstände im Bereich kleiner Klem menspannungen nahezu linear arbeiten, so dass ge rade dort der Konstantspannungscharakter mit dem geschilderten Mangel der grossen Zeitverzögerung be stehen bleibt.
Zum Stand der Technik wäre dann noch eine Anordnung zu nennen, bei der ein annähernd linearer Drehzahlanstieg im unteren Drehzahlbereich durch Übererregung einer Drossel erreicht wird, wobei de ren Laststrom zur Drehzahlvorgabe dient. Infolge der Sättigungseigenschaften der Drossel kann sich die mit der übererregung verbundene hohe Eingangs spannung nicht auf den Leistungskreis auswirken. Bei der Drehzahlverringerung ist jedoch die volle Zeitkonstante wirksam, so dass keinesfalls die Dreh zahl zeitlinear abnimmt. Auch ist infolge der über erregung eine Drehzahleinstellung im Bereich grosser Drehzahlen ohne weiteres nicht möglich.
Weiterhin ist es bekannt, von einer zusätzlichen Spannungsquelle über einen ohmschen Vorwider- stand einen Kondensator zu beaufschlagen. Dabei wird die Kondensatorstromrichtung von einem Um schalter bestimmt, während parallel zu dem Kon densator eine Begrenzungseinrichtung den zu errei chenden Spannungswert festlegt. Ein beliebiges Ver ändern der am Kondensator anstehenden Spannung bei konstanter zeitlicher Spannungsänderung ist nicht möglich, da u. a. ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen Verstellung der Begrenzungseinrichtung und Umschaltbetätigung nicht gegeben ist.
Gemäss den vorstehenden Ausführungen betrifft nun die Erfindung ein Verfahren und eine Schal tungsanordnung zur Vorgabe von Sollwerten und Steuergrössen, wobei diese Grössen einem Energie speicher mit kapazitivem Verhalten entnommen wer den, der aus einer Spannungsquelle über einen Vor widerstand gespeist wird.
Zur Vermeidung der ge schilderten Nachteile wird für das erfindungsgemässe Verfahren vorgeschlagen, dass der über den Vor widerstand erzeugte konstante Strom zur Auf-, Ent- und Umladung des Energiespeichers über eine Schalt einrichtung verwendet wird, die von der Differenz zwischen der Spannung an dem Energiespeicher und einer Vorgabespannung gesteuert wird und die er forderliche Stromrichtung bestimmt.
In der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist eine aus Halbleiterelementen gebildete Schaltvor- richtung vorgesehen, bei der :
eine Ventilanordnung mit ,einer Vorspannung versehen ist, welche durch die Differenz zwischen der Spannung an dem Energie speicher und der Vorgabespannung gebildet wird. Dabei macht die Erfindung von einer bekannten Schaltungsanordnung Gebrauch, in der Ventile über grosse Vorwiderstände mit einem dadurch erzeugten,
annähernd konstanten Vorstrom (das heisst einem sogenanuten eingeprägten Strom) beaufschlagt sind.
Die Erfindungsgedanken sollen an Hand eines Ausführungsbeispiels nach der Fig. 1 näher erläu tert werden. Das Potentiometer 1, dass an einer Gleichspannung <B>U,</B> ", liegt, soll der Kommandogeber bzw. Steuerschalter für die Handvorgabe eines Dreh- zahl- oder auch Ankerspannungss.ollwertes sein.
Die ser Sollwert wird nicht wie üblich unmittelbar mit ,dem Istwert Uist verglichen und dem Regler 3 zuge- führt, sondern es ist noch das Zeitglied, bestehend aus dem Kondensator 4, den Ventilen, vorzugsweise Halbleitern<I>5a</I> und<I>5b,</I> der Gleichstromvorspannung 6 und den Vorwiderständen <I>7a</I> und <I>7b,
</I> dazwischen- geschaltet. Wählt man die Vorspannung 6 etwa drei- bis fünfmal so gross wie die Spannung U"" am Steuer schalter 1, so lässt sich bei entsprechender Bemessung der Vorwiderstand <I>7a</I> und<I>7b</I> auch bei plötzlicher Verstellung des Steuerschalters 1 aus der einen Grenz lage -in die andere erreichen, dass der Kondensator 4 praktisch zeitlinear auf- bzw. umgeladen wird.
Der zeitliche Verlauf der eigentlichen Sollwertspannung Up wird dann nur noch bestimmt von der Grösse der Kapazität C des Kondensators 4 und der Grösse der Vorbelastungs:ströme i, die im stationären Zustand ständig über die Ventile 5a bzw. 5b fliessen.
Somit kann auch erfindungsgemäss der Beschleunigungsvor- ,gang für den Antrieb durch Variation der Kapazität und der Vorwiderstände eingestellt werden.
Hat der Regelverstärker bzw. der Gesamtdreh zahl- oder Ankerspannungsregelkreis noch Totzeiten, was sowohl bei einem Leonardantrieb als auch bei einem Stromrichterantrieb mit Eingefässspeisung der Fall ist, so bietet diese Anordnung bei kleiner Ab wandlung die Möglichkeit, bei einer Steuerschalter- verstellun@g einen Vorhaltspannun:
gssprung des Soll wertes zu erzeugen und dem Regler unverzögert zuzu- führen. Zu diesem Zweck kann noch ein ohrnscher oder induktiver Widerstand 8 (Fig. 1) vor den Lade kondensator 4 geschaltet werden. Es ergibt sich dann ein Verlauf der Sollwertspannung U, wie er in der Kurve<I>a</I> der Fig. 3 über der Zeit<I>t</I> dargestellt ist.
Zur Zeit t" soll hierbei der Steuerschalter 1 ruck- ,artig auf die Mitte verstellt worden sein. Wird nur ein Widerstand 8 in Reihe mit dem Ladekondensator 4 geschaltet, so sinkt die Sollwertspannung UF erst sprunghaft etwas ab und strebt dann nahezu zeit linear dem Endwert, in diesem Falle Null, zu.
Wird d agegen noch ein Kondensator 9 in der in Fig. 2 dargestellten Weise eingeschaltet, so kann die Vorhaltwirkung insofern wesentlich vergrössert wer den, als im ersten Augenblick der Verstellung die Gesamtverstellspannung an dem Widerstand 8 liegt, und .somit die Sollwertspannung US einen Verlauf hat, wie er etwa durch die gestrichelte Linie b in Fig. 3 angegeben ist.
Wenn man die Zeitkonstante aus Widerstand 8 und Kondensator 9 so klein hält, .dass isie etwa um eine Grössenordnung kleiner ist als die Gesamthochlaufzeit des Antriebes, so lässt sich erreichen, dass die Totzeiten des Regelkreises durch die stossartige Veränderung der Sollwertspannung weitestgehend unwirksam gemacht werden und der übrige Sollwertspannungsverlauf hiervon kaum be- einflusst wird,
wie das in Fig. 3 angedeutet ist. Eine noch bessere Anpassung der Sollwertvorgabe an die Übergangsfunktion des Regelkre,is:es ist möglich, wenn mehrere nacheinander zur Wirkung kommende Zeitverzögerungsglieder kombiniert werden, indem anstelle des einfachen RC-Gliedes 8 und 9 ein Ket- tenleiter eingeschaltet wird, wie das durch den Wider stand 10 und den Kondensator 11 angedeutet ist (Fig. 2).
Anstelle der Widerstände 8 und 10 können auch lineare undioder sättigbare Reaktanzen verwen det werden.
In Fig.4 ist der zeitliche Verlauf der Sollwert- spannung dargestellt, wie er sich bei einer plötzlichen Bewegung des Steuerschalters aus der Nullage her aus ergeben würde. Der Kurvenverlauf a bezieht sich wiederum auf einen Vorhalt mit einem Widerstand 8 gemäss Fig. 1. Der gestrichelte Kurvenzug b bezieht sich auf die Zwischenschaltung eines oder mehrerer RC-Glieder.
Bei entsprechender Bemessung kann erreicht wer den, dass die in Fig. 3 und 4 eingetragene Totzeit tT der Totzeit des Regelkreises entspricht, d. h. der Ver lauf der Sollwertspannung um die Totzeit parallel verschoben ist.
Es sollen nun noch einige Ausführungsbeispiele für Schaltungsanordnungen angegeben werden, die das gewünschte Konstantstromver!halten für die Auf-, Ent- und Umladung des Ladekondensators haben. Es können hierfür alle Schaltanordnungen verwendet werden, die eine Stromspannungskennlinie nach Fig. 5 haben; z.
B. Wandleranordnungen mit Konstantstrom- charakteristik. Diese Kennlinie ist dadurch gekenn zeichnet, dass die Spannung U erst nach überschrei- ten eines bestimmter. Stromes i in der einen oder anderen Richtung ansteigt, und der Strom auch bei einer Spannung von mindestens der Grösse der Soll wertspannung U < < , noch konstant bleibt.
Ist dage gen bei Reversierbetrieb mit einer kurzzeitigen Um schaltung eines positiven Sollwertes auf den nega tiven Wert und umgekehrt zu rechnen, so ist dafür zu sorgen, dass der Strom auch bei einer Spannung von mindestens der Grösse der doppelten Sollwert spannurig noch konstant bleibt. Der Wert i soll sich möglichst leicht von Null bis zu einem Grenz wert verstellen lassen.
In der Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel hierfür angegeben. Die Ventile 5, üb"r welche dann der Kondensatorstrom fliessen kann, werden ganz ähnlich wie in Fig. 1 vombzlastet, jedoch wegen der Ventile 13 und eines gemeinsamen hochohmigen Widerstandes 12 im statischen Zustand hier nur mit dem Strom i 2.
Die Einstellung kann durch den ge meinsamen veränderlichen Widerstand 12 erfolgen. Die Trennventile 13 sind ,erforderlich, um immer den Strom über den Mittelpfad zu leiten, wenn eine Steuerhebelbeweguug erfolgt, das heisst eines der beiden Ventile 5 gesperrt wird.
Die Widerstände 14 sind lediglich vorgesehen, um im stationären Zustand die Stromverteilung auf beide Zweige gleich zu halten.
Anstelle des gemeinsamen Widerstandes 12 kann auch, wie in Fig. 7 dargestellt, als gleichstromseitig wirksamer Vorwiderstand eine Brückenventilanord- nung 15 verwendet werden, die von einem einge prägten Wechselstrom gespeist wird.
Über einen Zwischenwandler 16 ist einerseits eine galvanische Trennung und anderseits eine günstige Anpassung an eine gegebene Wechselspannung 17 möglich. Die Einstellung :
des Ladestromes erfolgt über den Wech- selstromwiderstand 18, der in diesem Fall ohmscher, kapazitiver oder induktiver Art sein kann. Die Ver wendung von Blindwiderständen hat den Vorteil, dass der Konstantstromeharakter ohne grössere Wirklei- stungsverluste erreichbar ist.
In die Diagonale der Gesamtanordnung ist eine Gegenspannung 19 einge schaltet, deren Höhe gleich der doppelten Sollwert spannung U", sein muss. Die Anordnung arbeitet so, dass dann, wenn eines der Ventile 5 die doppelte volle Sollwertspannung sperren muss, die gleiche Spannung an der Brücke 15 nahezu auf den Wert Null heruntergedrückt wird.
In Fig. 8 sind für beide Zweige je eine Brücken- anordnung 20 mit je einem Zwischenwandler 21 vor gesehen. Die Ströme i können auch hier über den gemeinsamen Wechselstromwiderstand 18 eingestellt werden. Die Gegenspannung 19 ist genau wie in Fig. 7 auf der Höhe der doppelten Sollwertspannung Uso zu halten.
Soll der Sollwertgeber für einen Gleichstrommotor mit Ankerspannungsregelung und zusätzlicher Feld- schwächung, die in Abhängigkeit von der Anker- spannung nach Überschreitung eines bestimmten Wertes vorgenommen wird, verwendet werden, so kann ein weitestgehend konstanter Beschleunigungs- strom erreicht werden,
wenn der vorgegebene Sollwert von dem Augenblick der beginnenden Feldschwä chung mit geringer, etwa exponentieller Steilheit ver läuft.
Eine solche Ankerspannungssollwertvorgabe kann mit Hilfe der in Fig. 9 dargestellten Anordnung er folgen, bei der parallel zu dem Ladekondensator 4 noch ein ohm-scher Widerstand 22 geschaltet ist, der jedoch erst nach Überschreitung eines bestimmten Sollwertes U1 wirksam werden soll.
Das wird erreicht, indem eine Brückenvenulanordnung 23 mit der Ge- genspannung 24 vor den Widerstand 22 geschaltet wird. Der zeitliche Verlauf bei einer derartigen An ordnung entspricht dem der Fig. 10. Die Gegen- spannung U1 hat hierbei die Grösse des Ankenspan- nungssollwertes, bei welchem die Feldschwächung des Gleichstrommotors beginnt.
Bei Überschreiten der Spannung U1 fliesst ein Teil des vorher ausschliesslich zur Aufladung des Kondensators U dienenden einge prägten Stromes über die Ventilanordnung 23 in die Spannungsquelle 24. Ein ähnlicher Verlauf lässt sich auch erreichen, wenn parallel zu dem Ladekonden sator ein nichtlinearer Widerstand, z.
B. ein Silit- widerstand oder eine Glimmstrecke in Reihe mit einem ohmschen Widerstand geschaltet wird. Nachzutragen ist noch, dass der Ladekonden sator auch durch den Anker eines kleinen Gleich- strommotors ersetzt werden kann.
Es wird hier die sogenannte dynamische Kapazität ausgenützt, wobei der Motor in Anlehnung an das beschriebene Ver fahren bei konstantem Ankerstrom beschleunigt, ver zögert und reversiert wird.