DE2334040C2 - Einrichtung zur Regelung des Effektivwertes einer plsierenden Regelgröße - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung des Effektivwertes einer pulsierenden Regelgröße.

Derartige Effektivwertregelungen, welche vor allem für elektrische Erwärmungs- oder Beleuchtungsanlagen in Frage kommen, werfen keine besonderen Probleme auf, wenn dabei die Regelgröße sinusförmig verläuft, weil hier Scheitel- und Effektivwert über einen konstanten, bekannten Faktor, den sogenannten Scheitelfaktor miteinander verknüpft sind. Enthält die Regelgröße jedoch einen unregelmäßigen und nicht mehr zu vernachlässigbaren Oberschwingungsgehalt. \lann ist dieser Faktor dauernden Änderungen unterworfen.

Bei einem Regler für Wechselspannung mit steuerbarer Impedanz ist es nach der DE-AS 1 133 804 bekannt, die Regelgröße quadratisch abzubilden und mit einem festen Soiiwert zu vergleichen. Mittel zur Mittelwertbildung der quadratischen Regelgröße sind dort nicht vorgesehen, weshalb eine genaue E'Iektiv-

¹S wertregelung mit dem bekannten Regler nicht erreichbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine genaue Effektivwertregelung zu schaffen. Bei einer Einrichtung zur Regelung des Effektivwertes einer pulsierenden Re-

^ao gelgröße, deren quadrierter Wert als Istwert verwendet wird, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Integral regler gelöst, dem eingangsseitig die Differenz zwischen einer dem quadrierten Sollwert proportionalen Größe und der quadrierten Istwert-

^a5 größe zugeführt ist.

Der Grundgedanke der Erfindung besieht also darin, die Regelgröße so zu beeinflussen, daß ihr quadratischer Mittelwert einem vorgegebenen Wert folgt, wobei der ohnehin vorhandene Regler gleichzeitig auch zur Mittelwertbildung herangezogen wird.

Für sogenannte Festwertregelungen, wo der Sollwert nur sehr selten verändert wird, kann es genügen, den Sollwert des Effektivwertes schon in quadratischer Form einzugeben, also sein Quadrat nicht erst durch Funktionsgeneratoren oder Multiplizierer zu bilden, so daß die erfindungsgemäße Regeleinrichtung im einfachsten Fall nur mit einem einzigen Funktionsgenerator bzw . Multiplizierer zur Bildung des Istwertquadrats auskommt.

♦° Für die Fälle, in denen der Sollwert häufiger verstellt werden muß, ist es zweckmäßig und für die Handhabung bequemer, wenn eine lineare Eingabe des Sollwertes erfolgt. Hierzu sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß ein von der SoII-wertgröße und ein von der Istwertgröße jeweils an beiden Eingängen beaufschlagter Multiplizierer vorgesehen ist und die Ausgangsspannung beider Multiplizierer subtraktiv dem Eingang des Integralreglers zugeführt sind. An Stelle der Multiplizierer können selbstverständlich auch mittels Schwellwertdioden realisierte Funktionsgeneratoren verwendet werden. Diese Variante kann bezüglich des Aufwandes an Multiplizierern bzw. Funktionsgeneratoren noch weiter vereinfacht werden, wenn nach einer Weiterbildung der Erfindung der Eingang des Integralreglcrs mit dem Ausgang eines einzigen Multiplizierers verbunden ist, dessen einem Eingang die Differenz zwischen der Sollwertgröße und der Istwertgröße und dessen anderem Eingang die Summe von Sollwerten größe und Istwertgröße zugeführt ist.

Zweckmäßig zur Beschleunigung des Ausregelvorganges ist es, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Ausgangssignal des Integralreglers um ein dem Sollwert proportionales Signal vergrößert ist. Durch diese Vorsteuerung wird der Integralregler bei seiner Aufgabe, die Regelabweichung zu beseitigen, unterstützt.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist

die Stromregelung von wechselstromgespeisten Elektrodenschmelzöfen. Hierbei hat es sich als zweckmäoig erwiesen, zur Beschleunigung des Regelvorganges den Intcgialregler dem Ofenstromregler ^u überlagern, d.h. das Ausgangssignal des Integralreglers -gegebenenfalls vergrößert um das Sollwertsignal selbst - als Sollwert des Ofenstromreglers wirksam werden /u lassen.

Hine besondere ArI der Hlektrodenschmelzöfon sind die sogenannten Hlektroschlackenum.schmelzöfen. Hierbei hat .sich als vorteilhaft ergeben, wenn die Grundfrequenz des Ofenstroms veränderbar ist. Da die Effektivwerlregelung relativ zu einer Frequenzveränderung langsam vonstatten geht, könnte hierbei die Gefahr der vorübergehenden Überlastung der Stellglieder bei einer Verminderung der Ofenstromfrequen/ bestehen, da hier bei unverändertem Sollwert des Hffektivwertes eine Rücknahme der Stromamplitude erfolgen muß. Als Sicherheitsmaßnahme wird deshalb nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Ausgangssignal des Integralreglers für die Dauer jeder Verminderung der Offüstromfrequenz auf Null zurückgesetzt. Im einfachsten Fall könnte dies mittels eines Differenziergliedes erfolgen, welches eingangsseitig mit einer frequenzproportionale η Spannung gespeist ist.

Bei umrichtergespeisten Elektrodenschmelzöfen, bei welchen die Vorgabe der Ofenstromfrequenz mittels eines aus einem Dreipunktkippverstärker und einem diesen nachgeschalteten Integrator bestehenden Hochlaufgebers erfolgt, kann dieses Rücknahmc&igtial für die Ausgangsspannung des Integralreglers auf besonders einfache Weise dadurch gewonnen werden, daß der Steucreingang eines zweckmäßigerweise im Gegenkopplungspfad des Integralreglers angeordneten Feldeffekttransistors durch Eingangssignal des Integrators über einen Grenzwertmelder betätigbar ist.

Die Erfindungsoll im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfindung bei einer Stromregelung mit einem Gleichstromsteller 1 als Stellglied. Der Gleichstromsteller 1 wird über einen Steuersatz 2 bezüglich seines Tastverhältnisses in bekannter Weise durch die dem Eingang des Steuersatzes zugeführte Gleichspannung y gesteuert. Mit wachsendem Wert der Steuergröße y wird also das Tastverhältnis, d. h. die Zeit, in welcher die konstante Gleichspannung U am ohmisch-induktiven Verbraucher 3 wirksam wird, größer. Die Steuergröße y besteht im Ausgangssignal eines Integralreglers 4, dem eingangsseitig der quadrierte Istwert / und der quadrierte Sollwert I₅ über zwei Multiplizierer 5 und 6 subtraktiv zugeführt sind. Die an den Eingangsklemmen 7 bzw. 8 anliegenden, dem Soll- bzw. dem Istwert proportionalen Größen beaufschlagen beide Eingänge der ihnen zugeordneten Multiplizierer 5 bzw. 6 gleichzeitig. An Stelle der als Quadrierer verwendeten Multiplizierer 5 und 6 können selbstverständlich bei geringeren Anforderungen an die Genauigkeit zur Nachbildung der quadratischen Charakteristik Funktionsgeneratoren treten, welche beispielsweise Verstärker und vorgespannte Schwellwertdioden enthalten. Die an der Klemme 9 auftretende Ausgangsgröße y des Integralreglers 4 wird sich mit einer von der Differenz der quadrierten Werte /₅ und / abhängigen Änderungsgeschwindigkeit so lange verändern und eine dementsprechende Änderung des Tastverhältnisses des Gleichstromstellers 1 bewirken, bis seine Eingangsgröße, d.h. die Differenz der Ausgangsspannungen der Multiplizierer 5 und 6 im Mittel verschwindet. Dies ist aber genau dann der Fall, wenn der quadratische Mittelwert und damit auch der Ef fektivwert des Stromes / dem an der Eingangs- klcmmc 7 zugeführten Stromsollwert /, entspricht. Es hat sich zur Beruhigung des Regelvorgangs als vorteilhaft erwiesen, die Integrierzeit ( T₁ bei einem I-Regler mit dem Frequenzgang 1/pTi) des Integralreglers 4

ίο größer zu wählen, als die Periodendauer der Grundschwingung der Regelgröße.

Fig. 2 zeigt eine zweite, äquivalent wirkende Variante für den in Fig. 1 mit 10 bezeichneten Effektivwertregler, bei welcher man mit nur einem einzigen

is Quadrierer bei linearer Vorgabe des Stromsollwertes auskommt. Diese Variante beruht auf der mathematischen Umformung des Ausdrucks /_v--/^J = (/_s. + /)(/_A-/) und besteht demgemäß aus einem Multiplizierer 11, an dessen beiden Eingängen

ao die Summe bzw. die Differenz von Sollwert I_x und Istwert / wirksam sind.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1. Der Gleichstromsteller 1 erzeugt an seinem Ausgang in nerhalb jeder Periode Γ Gleichspannungsimpulse mit von der Größe der Steuerspannung y abhängigen Breite. Der Stromistwert /, bzw. der ihm zugeordnete quadratische Wert /- wird sich also während der Einschaltzeiten der Gleichspannung U entsprechend der dem Verbraucherkreis eigenen Zeitkonstar.ten erhöhen und während der Spannungspausen erniedrigen. Bis zum Zeitpunkt il ist l_s ²>l², so daß bis dahin die Steuergröße y, d. h. das Äusgangssignal des Integralreglcrs 4 dauernd in positiver Richtung ansteigt. Der

Zeitmaßstab zwischen il und /2 ist gegenüber den übrigen Zeitbereichen des Diagramms der F i g. 3 verkürzt und angenommen, daß zum Zeitpunkt ti der abgeglichene Zustand beginnt. Dann sind die in F i g. 3 schraffiert gezeichneten Stromquadratzeitflächen einander gleich, und es entspricht der quadratische Mittelwert des Stromistwertes / und damit auch sein Effektivwert dem vorgegebenen Sollwert l_s.

F i g. 4 zeigt ein. auf die Verwendung bei umrichtergespeisten Elektroschlackenumschmelzöfen zuge- schnittenes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier wird ein ohmisch-induktiver Verbraucher 12 in Form des Gebildes Elektrode-Schmelze-Stromzuleitungen mit niederfrequentem Wechselstrom aus einem Wechsel- bzw. Drehstromnetz N von einem steuer-

so bare Ventile enthaltenden Direktumrichter 13 gespeist. Der Stromistwert /, welcher von einem geeigneten Geber 14 als eine Gleichspannung abgebildet wird, ist dem Eingangeines als IP-Reglers ausgebildeten Ofenstromreglers 15 zugeführt, welcher über ei- nen Steuersatz 16 mit nachgeschaltetem Impulsverstärker 17 den Direktumrichter 13 in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen dem dem Ofenstromregler 15 zugeführten wirksamen Sollwert I_Sw und dem Stromistwert / aussteuert. Die Umschaltung von po sitive auf negative Halbwellen des Ofenstroms und umgekehrt erfolgt mittels einer Kommandostufe 18, welche über eine Leitung 19 zu den Umschaltzeitpunkten den gerade stromführenden Stromrichter in den Wechselrichterbetrieb steuert und nach erfolgtem Nullgang des Stromes / für eine stromlose Pause entsprechend der erforderlichen Ventilschonzeit durch Sperrung der Ausgangsimpulse des Impulsverstärkers 17 sorgt. Die Frequenz des Ofenstroms ist direkt pro-

portional einer Steuergröße f_w, welche einen Taktgeber 20 beaufschlagt und der Kommandostufe 18 gewissermaßen ein Zeitraster zuführt. Die Frequenz wird an einem mit einer Gleichspannung I) gespeisten Potentiometer 21 eingestellt, wobei ein aus einem Dreipunktkippverstärker 22 und einem diesem nachgcschaltcten Integrator 23 bestehender Hochlaufgeber dafür sorgt, daß Frequenzänderungen des Ofenstroms nicht sprunghaft, sondern mit einer von der wählbaren Integrierzeit des Integrators 23 abhängigen Geschwindigkeit vor sich gehen.

Der in Fig. 4 dargestellte Effcktivwertreglcr entspricht in seinem Kern dem der Anordnung nach Fig. 1 und ist dem Ofenstromregler 15 in der Weise überlagert, daß seine an der Klemme 9 erscheinende Ausgangsgröße den Sollwert für den Ofenstromrcglcr 15 bildet. Ils ist eine Art Vorsteuerung vorgesehen, indem der Sollwert des einzuregelnden Effektivwertes /, dem Ausgangssignal des Integralreglers 4 aufgeschaltet ist, so daß der wirksame Sollwert l_Sw aus der Summe dieser beiden Signale besteht. Eine solche Vorsteuerung ist immer dann sinnvoll, wenn der Regelkreis selbst verhältnismäßig langsam arbeitet und die im vorliegenden Falle die zur Erzielung eines bestimmten Effektivwertes erforderliche Amplitude der Regelgröße diesen mit Sicherheit immer übcistcigt.

Bei einer Verminderung der Frequenz und konstant belassenem Sollwert des Effektivwertes l_s, welcher am Abgriff eines Potentiometers 26 einstellbar ist, kann auf Grund der verhältnismäßig geringen Regelgeschwindigkeit des Effcktivwertreglers die Gefahr bestehen, daß die crt orderliche Rücknahme der Stromamplitude zu langsam erfolgt und daher die Stromrichter des Direktumrichters 13 einer unzulässig hohen Belastung ausgesetzt sind. Für diesen Fall ist ein das Ausgangssignal des Integrators 4 auf Null zurücksetzender Schalter 24 vorgesehen, welcher seinerseits von einem mit dem Eingangssignal des Integrators 23 beaufschlagten Grenzwertmelder 25 betätigt wird. Da die Augangsgröße des Integrators 23 proportional der Frequenz ist, ist dessen Eingangsgröße proportional dem zeitlichen Differentialquotienten der Frequenz. Solange also eine Verminderung der Frequenz /_K, des Ofenstroms erfolgt, wird dem Grenzwertmelder 25 eine negative Eingangsgröße zugeführt und sein Ausgang weist - wie mit dem in seinem Blocksymbol wiedergegebenen Zusammenhang zwischen Eingangsgröße e und Ausgangsgröße α angedeutet - Nullpotential auf, wodurch der Schalter 24 betätigt wird und so eine Zurücksetzung des Integrators bewirkt. Auf diese Weise wird während der Dauer der Frequenzverstellung in Richtung auf kleinere Werte als Amplitude des einzuregelnden Stroms der Wert /_s vorgegeben, und erst nachdem sich die neue, kleinere Frequenz entsprechend der neuen Stellung des Abgriffs am Potentiometer 21 eingestellt hat, wird die Sperrung des Integrators 4 freigegeben und der wirksame Sollwert /„, vom Wert I₁ durch das Ausgangssignal des Integralreglers 4 wieder auf den Wert erhöht, welcher bei der nunmehr geänderten Frequenz dem am Potentiometer 26 eingestellten Effektivwert /, entspricht.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm /ur Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 4. Zu Beginn des betrachteten Vorgangs ist eine Frequenz/„ eingestellt, welcher eine Periodendauer 7", entspricht. Der Integralregler 4 stellt in der bereits besprochenen Weise die Amplitude des Ofenstroms in einer solchen Weise ein. daß der quadratische Mittelwert des Ofenstroms dem Sollwert /₍ entspricht, was sich im Diagramm der Fig. 5 d;idiiii'h iiußert. daß IHi jede IViiode die schraffierten. mitiThalh dri mit /, be/eiehiieten (ie laden liegenden Flächen gleich sind, derjenigen. welche iüvi ilei Geraden / liegen. Is sei angenommen, daß zum Zeitpunkt /1 eine Verminderung

'5 der Frequenz und damit eine Vergrößerung der Periodendauer einsetzt, welche bis zum Zeitpunkt /2 abgeschlossen ist. Während der Zeitdauer dieser Verminderung wird das Ausgangssignal des Integralreglers 4 auf Null gesetzt, und es ist allein der Wert des am

»o Potentiometer 26 vorgegebenen Sollwertes /₍ für die Amplitudenregelung maßgeblich, welche daraufhin die Amplitude des Ofenstroms auf einen mit Sicherheit die Stromrichterventile nicht mehr überlastenden Wert zurücknimmt. Ab dem Zeitpunkt ti ist der Inte-

»5 gralregler 4 wieder ungestört im Fingriff, d.h. seine Sperrung ist aufgehoben und er wird dann nun den für die neue Periodendauer Tl maßgeblichen Amplitudenwert so einregeln, daß wiederum der quadratische Mittelwert des Stroms / dem des vorgebcncn Sollwertes / entspricht.

Fig. 6 zeigt eine praktische Realisierung eine; riicksetzbaren Integrators. Ein solcher kann als Integralregler 4 oder auch als Ofenstromregler 15 verwendet werden. Bezüglich des letzteren ist noch nach zutragen, daß zweckmäßigerweisc dessen Rückset zung während der Dauer der stromlosen Pauser vorgenommen werden sollte, um einem unkontrollierten Auswandern der Ausgangsspannung de: Ofenstromreglcrs zu begegnen und so gefährlicl

«o große Stromstöße beim Wiedereingriff des Ofen Stromreglers zu verhindern. Der rücksetzbare Inte grator gemäß Fi g. 6 besteht aus einem Verstärker 2" mit großer Leerlaufverstärkung, der über Eingangs widerstände mit den Spannungen Ul und Ul sub traktiv beaufschlagt wird und einen Gegenkopplungs pfad aufweist, welcher bei der AnwendungsvarianU als Effektivwertregler lediglich, wie dargestellt, au: einem Kondensator C besteht und für PI-Verhalten wie im Falle des Ofenstromreglers 15, aus der Reihen schaltung eines ohmschen Widerstandes und eine; Kondensators besteht. In beiden Fällen sind die bei den Beläge des Gegenkopplungskondensators C durch einen Feldeffekttransistor 28 überbrückt, dei dann durchgeschaltet ist und damit praktisch als ge

schlossener Schalter wirkt, wenn an seiner Steuer elektrode 29 Nullsignal anliegt. Im Falle eines reinei I-Reglers wird dann die Ausgangsspannung U_A zi Null, während bei einem PI-Regler die Ausgangs spannung U_A auf einem vom Verhältnis von Gegen kopplungswiderstand zu Eingangswiderstand be stimmten Wert zurückfällt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Regelung des Effektivwertes einer pulsierenden Regelgröße, deren quadrierter Wert als Istwert verwendet wird, gekennzeichnet durch einen Integralregler(4), dem eingangsseitig die Differenz zwischen einer dem quadrierten Sollwert proportionalen Größe und der quadrierten Istwertgröße (Γ²) zugeführt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Sollwertgröße (I^) und von der Istwertgröße (/) jeweils an beiden Eingängen beaufschlagte Multiplizierer (5, 6) vorgesehen sind und die Ausgangsspannungen beider Multiplizierer subtraktiv dem Eingang des Integralreglers (4) zugeführt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Integralreglers (4) mit dem Ausgang eines einzigen Multiplizierers (11) verbunden ist, dessen einem Eingang die Differenz zwischen der Sollwertgröße ( /,) und der Istwertgröße (/) und dessen anderen Eingang die Summe von Sollwertgröße und Istwertgröße zugeführt ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Integralreglers (4) um ein dem Sollwert proportionales Signal (I₁) vergrößert ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 für die Stromregelung eines wechselstromgespeisten Elektrodenschmelzofens, dadurch gekennzeichnet, daß der Integralregler (4) dem Ofenstromregler (15) überlagert ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5 für Elektroschlackenumschmelzöfen, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Integralreglers (4) für die Dauer jeder Verminderung der Ofenstromfrequenz (/„.) auf Null zurückgesetzt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Integralregler aus einem über einen Kondensator (C) gegengekoppelten elektronischen Verstärker (27) besteht, wobei der Kondensator über einen Feldeffekttransistor (28) kurzschließbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7 für umrichtergespeiste Elektrodenschmelzöfen mit Vorgabe der Ofenstromfrequenz über einen Taktgenerator und eine Kommandostufe, wobei der Taktgenerator angesteuert wird von einem aus einem Dreipunktkippverstärker und einem diesem nachgeschalteten Integrator bestehenden Hochlaufgebcr, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang (29) des Feldeffekttransistors durch das Eingangssignal des Integrators (23) über einen Grenzwertmelder (25) betätigbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrierzeit des Integralreglers (4) größer gewählt ist als die Periodendauer der Grundschwingung der Regelgröße.