-
Regeleinrichtung mit einem Verstärker für die als schwache Gleichstromsignale
gegebenen Regelgrößen Es sind Gleichstromverstärker bekannt, die einen fremdgeführten
Wechselrichter, einen Transformator, einen Wechselspannungsverstärker und einen
Transduktor enthalten, wobei Wechselrichter und Demodulator synchron durch einen
gemeinsamen Impulsgeber gesteuert werden. Bei Regelkreisen tritt nun oftmals das
Problem auf, als schwache Gleichstromsignale gegebene Regelgrößen wirksam zu verstärken.
So ist es z. B. bei der Zugspannungsregelung in Antrieben für bandförmiges Gut üblich,
eine Anzahl von verhältnismäßig schwachen Gleichstromsignalen zur Berücksichtigung
verschiedener Regel- und Korrekturgrößen einem Magnetverstärker zuzuführen, der
die Erregung eines Leonardgenerators für den Antriebsmotor steuert.
-
Eine besonders gute Regelung, insbesondere Geschwindigkeitsregelung,
läßt sich bei der Regeleinrichtung nach der Erfindung unter Verwendung von Gleichstromverstärkern
der vorgenannten Art erfindungsgemäß dadurch erzielen, daß dem Demodulator ein vom
Impulsgeber für den fremdgeführten Wechselrichter gesteuerter Impulsbreitenmodulator
nachgeschaltet und dessen Ausgangssignale verstärkt als Stehgröße der Regelstrecke
zugeführt sind, von der eine oder mehrere Regelgrößen auf parallel geschaltete Eingänge
des Wechselrichters geführt sind. Bei gleichzeitigem Auftreten mehrerer Regelgrößen
ist somit die Summe derselben maßgebend, so daß auch der Demodulator am Ausgang
schon verstärkte Rechteckimpulse abgibt, die in Phase mit den Führungsgrößen des
Wechselrichters sind und den Regelgrößen bzw. ihren Summenwerten entsprechen. Die
Ausgangsspannung des Demodulators ist also stets ein getreues Abbild der Eingangsspannung
des Wechselrichters. Zur Beeinflussung der Regelstrecke werden aber zweckmäßig nicht
diese Spannungen als solche zugeführt, sondern erst eine Impulsbreitenmodulation
vorgenommen, wie dies in anderer Weise schon vorgeschlagen worden ist. Zur Impulsbreitenmodulation
der Ausgangsimpulse des Modulators ist diesem daher -der Impulsbreitenmodulator
nachgeschaltet, dessen Ausgangsimpulse eine Breite haben, die der Amplitude der
Modulatorausgangsimpulse proportional ist.
-
Eine einfache und in weiten Grenzen variierbare Impulsbreitenmodulation
kann unter Anwendung anderweitig vorgeschlagener Dreieckimpulse erreicht werden,
wenn der Impulsbreitenmodulator eingangsseitig noch von Dreieckimpulsen beaufschlagt
wird, die mittels eines Impulsformers aus den Rechteckimpulsen des Impulsgebers
für den fremdgeführten Wechselrichter phasengleich abgeleitet werden. Im Impulsbreitenmodulator
werden somit die Gleichstromimpulse des Demodulators, die ja veränderliche Amplituden
und konstante Breiten haben, in Verbindung mit den Dreieckimpulsen zu annähernd
rechteckförmigen Impulsen konstanter Amplitude und veränderlicher Breite umgewandelt.
Sie können dann über einen nachgeschalteten Impulsverstärker einem Magnetverstärker
zugeführt werden, der die Erregerwicklung für einen Leonardgenerator speist. Der
Verstärker, der Modulator, der Impulsformer und der Impulsverstärker können vorteilhaft
mit Transistoren bestückt sein.
-
Die Erfindung ist an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
nachfolgend noch näher erläutert.
-
Gemäß Fig. 1 ist als Impulsgeber ein selbstgeführter Wechselrichter
9 vorgesehen, der zwei N-P-N-Transistoren 10 und 11 enthält. Als Speisespannung
dient die Spannung einer Batterie 12. Im Kollektorstromkreis der beiden Transistoren
liegt je eine Hälfte einer Wicklung 16 des Transformators 15, der mit zusätzlichen
Wicklungen 13 und 14 zur Steuerung der Transistoren 10 und 11 versehen ist.
-
Der Wechselrichter 9 ist nicht Gegenstand der Erfindung. Zu seiner
Wirkungsweise sei hier nur kurz bemerkt, daß die Transistoren 10 und 11 gesperrt
und geöffnet werden, so daß in der Sekundärwicklung 19 des Transformators 15 eine
etwa rechteckförmige Wechselspannung induziert wird.
-
An die Sekundärwicklung 19 ist ein fremdgeführter Wechselrichter 22
angeschlossen, der zwei Transistoren 20 und 21 enthält. Die Transistoren werden
durch die an der Wicklung 19 entstehende Rechteckspannung
abwechselnd
gesperrt und geöffnet und wirken als kontaktloser Zerhacker für die über die Leitungen
23 und 26 eingeführte Signalspannung. Sie setzt sich aus den Signalen an den Eingängen
:1, B, C zusammen. Durch die Zerhackerwirkung entsteht an der Primärwicklung 24
eines Transformators 25 eine Wechselspannung, deren Amplitude dem Eingangssignal
proportional ist.
-
An die Sekundärwicklung 28 des Transformators 25 ist ein Wechselspannungsverstärker
31 angeschlossen, der aus Transistoren 30 und 39 in Kaskade besteht. jeder der beiden
Transistoren ist mit einem RC-Glied 33, 35 bzw. 40, 41 zwischen Emitter und Bezugsleitung
34 versehen. Ferner sind die Transistoren mit Basiswiderständen 32, 43 und Kopplungskondensatoren
29, 36 ausgerüstet. Die Stromversorgung geschieht mittels einer Gleichstromquelle
38, die einerseits über den Widerstand 37 und andererseits über die Leitung 46,
49 die Kollektorspannung für die beiden Transistoren liefert. Über Widerstände 45
und 42 wird durch Spannungsteilung mit den Widerständen 32 und 43 eine Vorspannung
für die Transistoren erzeugt. Die Wirkungsweise eines solchen Transistorverstärkers
kann als bekannt vorausgesetzt werden.
-
In den Kollektorstromkreis des Transistors 39 ist die Primärwicklung
47 eines Transformators 48 geschaltet, dessen Sekundärwicklung 50 die Eingangsspannung
für einen Demodulator 53 liefert. Der Demodulator besteht aus zwei Transistoren
51 und 52, die über eine zweite Sekundärwicklung 55 des Transformators 15 synchron
mit dem Wechselrichter 22 gesteuert werden. An den Klemmen 54 und 56 entsteht die
Ausgangsspannung des Demodulators.
-
In Fig. 2 ist eine komplette Regeleinrichtung für die Drehzahlregelung
eines Gleichstrommotors 60 schematisch dargestellt, die den Verstärker nach Fig.
1 enthält. Der Demodulator 53 liefert ein Signal an einen Impulsbreitenmodulator61,
der aus dem Impulsgeber 9
über einen Impulsformer 62 durch Dreieckimpulse
getaktet wird. Die Ausgangsimpulse des Modulators 61 werden mittels eines Impulsverstärkers
63 verstärkt und einem Magnetverstärker 64 zugeführt, an den die Erregerwicklung
65 eines Leonardgenerators 66 angeschlossen ist. Eine weitere Wicklung 67 des Generators
66 ist über eine Rückführeinrichtung 68 zur Stabilisierung an den Signaleingang
A des Wechselrichters 22 angeschlossen. Ferner wird aus dem Ankerkreis, beispielsweise
von einem Widerstand 69, ein Strombegrenzungssignal über eine Begrenzungseinrichtung
70 dem Signaleingang B zugeführt. Die Drehzahl des Motors 60 wird mit Hilfe einer
Tachometermaschine 71 erfaßt und einer Steuereinrichtung 72 zugeführt, die ein entsprechendes
Signal an den Eingang C des Wechselrichters 22 liefert.
-
In Fig. 3 is der Demodulator 53 nochmals dargestellt und der Anschluß
des Impulsbreitenmodulators gezeigt. Zur Glättung des Signals können eine Drossel
75 und ein Kondensator 77 verwendet werden. Das Signal wird einem Transistor T,
mit Basiswiderstand 78 zugeführt. Der Transistor T2 liegt in Reihe mit einem
weiteren Transistor Ti an der Spannung E einer Gleichspannungsquelle 84. Der Transistor
T1 bildet die Endstufe eines Impulsformers, der aus einem T-Glied mit zwei Widerständen
80 und 81 und einem Kondenstor 86 bestellt. Das T-Glied bildet ein Integriernetzwerk
zur Umformung der Rechteckimpulse in Dreieckinipulse, die dem Basiswiderstand 83
des Transistors Ti zugeführt werden.
-
Die Wirkungsweise sei an Hand der Fig. S A bis 5 D erläutert. Der
Transistor T1 erhält ein Dreieck-oder SägezahnsignalIbl, das zwischen den Grenzen
Ib i min und Ib i max schwankt. Dadurch wird eine unendliche Anzahl von Kennlinien
zwischen diesen Grenzwerten entstehen. Der Transistor
T2 hat eine ähnliche Charakteristik und erhält ein Bezugssignal, das je nach seiner
Größe eine Kennlinie hervorruft. Diese Kennlinien können zwischen
1b2min und Ib2mnx liegen. jedesmal, wenn die Kennlinien des Transistors Ti und des
Transistors T2 einander überstreichen, tritt an jedem der beiden Transistoren ein
Wechsel der Kollektorspannung auf, wie in Fig. 5 D veranschaulicht. Dadurch entstehen
annähernd rechteckförmige Wellen mit einer Breite, die dem Bezugssignal des Transistors
T2 proportional ist. Fig. S C zeigt, wie diese Wellen aus dem dreieckigen Eingangssignal
des Transistors T1 ausgeschnitten werden.
-
Die Impulsbreite und der Anstieg der Impulse kann folgendermaßen berechnet
werden. Für jeden Transistor gilt die Gleichung
Durch Reihenschaltung zweier solcher Transistoren erhält man die Gleichung
Wenn Rcl$Rcz ist, so ist
Diese Bedingung kann aus den Fig. 5 A bis 5 D entnommen werden, da dIcl um seinen
zweifachen Wert variieren muß, um dIc2 völlig zu überstreichen.
-
In den Formeln bedeutet A Ic den Betrag der Kollektorstromänderung,
die erforderlich ist. um eine volle Spannungsänderung am Transistor herbeizuführen,
Ec die Kollektorspannung, Rc den Kollektorwiderstand.
-
Die Gleichung (1) bestimmt den Betrag der erforderlichen Kollektorstromänderung
für die Erzeugung der Impulse. Aus der Gleichung kann man entnehmen, daß dIc für
beide Transistoren möglichst klein gehalten werden soll, um eine annähernd rechteckige
Impulsform zu erhalten. Die Kollektorspannung Ec soll daher klein und der Kollektorwiderstand
Rc groß sein. Wenn die Transistoren verschiedene Kollektorwiderstände haben, rnuß
die Gleichung (1 A) verwendet werden.
-
Wenn man den gesamten Änderungsbereich zwischen Ib 1 min und
Ib 1 max kennt, kann man auch genau berechnen, welcher Teil des Dreiecksignals
im Ausgangsimpuls erscheint. Es ist
wobei X den Prozentsatz des aus dem Dreiecksignal ausgeschnittenen Signals angibt.
-
Die Anstiegszeit d t des Impulses (vgl. Fig. 5 D) kann folgendermaßen
berechnet werden. Die Zeit, die erforderlich ist, um von lb"in zu Iblmax
zu kommen, ist
daher
Darin bedeutet F die Frequenz des Dreiecksignals.
Die Kollektorelektrode
des Transistors T, ist über einen Kopplungskondensator an die Basiselektrode des
Transistors 89 angeschlossen, der als Impulsverstärker wirkt. Zur Vorspannung dient
eine Spannungsquelle 90. Die Speisespannung für den Impulsverstärker wird von einer
Spannungsquelle 98 geliefert, wobei in den Kollektorstromkreis die Steuerwicklungen
94, 96 eines Magnetverstärkers 64 gelegt sind. Ferner sind im Kollektorkreis ein
Strombegrenzungswiderstand 93 und eine Glättungsdrossel 92 angeordnet. Parallel
zum Transistor liegt eine Nullanode 99 zur Vermeidung von Überspannungen, die durch
die induktive Belastung des Impulsverstärkers entstehen können.
-
Der Magnetverstärker 64 kann in beliebiger Weise aufgebaut sein. Im
Ausführungsbeispiel ist ein Selbstsättigungsverstärker in Brückenschaltung gewählt,
der aus zwei Kernen 95 und 97 mit Arbeitswicklungen 103, Selbstsättigungsventilen
104 und Gleichrichterventilen 105 besteht. Die Speisespannung wird an den Klemmen
106 zugeführt. Zur Einstellung des Arbeitspunktes des Magnetverstärkers dient in
bekannter Weise ein Vormagnetisierungskreis mit Wicklungen 100, einer Gleichspannungsquelle
102 und einem Vorschaltwiderstand 101.
-
Die vom Impulsverstärker 89 gelieferten Impulse steuern mit ihrem
Gleichstrommittelwert den Magnetverstärker derart aus, daß die Erregerwicklung des
Leonardgenerators in der gewünschten Weise mit Erregerstrom versorgt wird.
-
In Fig. 4 sind die einzelnen Hilfseinrichtungen für die Regelung näher
dargestellt. Der Rückführkreis 68 für die Stabilisierung enthält ein Potentiometer
110, das an eine Hilfswicklung 67 des Generators 66 angeschlossen ist. Der Abgriff
111 dieses Potentiometers ist über einen einstellbaren Widerstand 113 und einen
Festwiderstand 114 mit dem Impulseingang A des Wechselrichters verbunden. Ein Kondensator
115 sorgt für die erforderliche Zeitkonstante der Rückführung.
-
Die Strombegrenzungseinrichtung 70 besteht aus einer Gleichrichterbrücke
116, die über ein Potentiometer 118 an einen Widerstand 69 im Ankerkreis des Leonardsatzes
angeschlossen ist. An die Gleichspannungspole des Gleichrichters ist eine Bezugsspannung
angeschlossen, die mittels eines Abgriffes 124 von einem Potentiometer 125 abgenommen
wird, das in Reihe mit einem Widerstand 127 an einer Gleichspannungsquelle 126 liegt.
Der Abgriff des Potentiometers 122 ist über Widerstände 123, 121 an den Eingang
B des Wechselrichters angeschlossen. Parallel zum Widerstand 123 und zum abgegriffenen
Teil des Potentiometers 118 liegt ein RC-Glied 119, 120. Die am Abgriff 124 eingestellte
Spannung dient zur Vorgabe des Grenzwertes für den Ankerstrom.
-
Die Steuereinrichtung 72 enthält eine Tachometermaschine 71, deren
Ausgangsspannung eine Sollspannung entgegengeschaltet ist, die von einer Spannungsquelle
131 am Potentiometer 130 erzeugt und mittels des Abgriffes 130' eingestellt wird.
Das Regelabweichungssignal wird mittels des Abgriffes 137 einem Potentiometer 133
entnommen, das im Ankerkreis der Tachometermaschine liegt, und über einen Widerstand
138 dem Eingang C des Wechselrichters zugeführt. Im Kreis der Tachometermaschine
sind ferner noch ein RC-Glied 132, 136 sowie ein Begrenzungsglied 134 vorgesehen.
Das Begrenzungsglied besteht aus einem Gleichrichtersatz, an dessen Gleichspannungspole
eine Gleichspannungsquelle 135 angeschlossen ist. Es wirkt so, daß der über einen
festgesetzten Maximalwert ansteigende Betrag der Regelabweichung durch die vorgespannten
Ventile kurzgeschlossen wird.
-
Die in Fig.4 dargestellten Einrichtungen sind in üblicher Weise aufgebaut.
Die Stabilisierungseinrichtung 68 dient zur Erzielung der erforderlichen Dämpfung
im Regelkreis. Der Strombegrenzer 70 verhindert einen übermäßigen Ankerstrom bei
raschen Geschwindigkeitsänderungen, und die Steuereinrichtung 72 liefert das Regelabweichungssignal
an den Regler, um die Geschwindigkeit des Motors auf dem eingestellten Wert zu halten.
-
Die einzelnen Signale werden in Parallelschaltung dem Eingang des
Wechselrichters 22 in Fig. 1 und 2 zugeführt, wobei als besonderer Vorteil in regeltechnischer
Hinsicht zu werten ist, daß zwischen dem Regelvergleichskreis und dem eigentlichen
Regler eine Potentialtrennung durch den Transformator 25 gesichert ist. Bei der
Verwendung von reinen Schalttransistorreglern ist eine solche Potentialtrennung
nicht vorhanden, was bei manchen Regeleinrichtungen Schwierigkeiten bringt. Von
wesentlicher Bedeutung ist auch, daß das Problem der Nullpunktwanderung und sonstige
mit Gleichstromverstärkern im Zusammenhang stehende Schwierigkeiten beim Erfindungsgegenstand
vermieden werden.