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Regelkreis mit Störgrössenaufschaltung
Die nachstehend beschriebene Erfindung bezieht sich auf einen Regelkreis mit Störgrössenaufschal- tung, bei dem die Regelgrösse x von mehreren Einflussgrössen, u, v.... die voneinander unabhängig sein können, abhängt. Dies ist beispielsweise bei der Drehzahlregelung von Gleichstromnebenschlussmotoren der Fall. Die Drehzahl derartiger Motoren ist bekanntlich proportional der Ankerspannung und umgekehrt proportional dem Erregerfluss. Es können also beide Einflussgrössen als Stellgrössen für die Drehzahl dienen.
Man wird jedoch in solchen Fällen den Regelkreis so auslegen, dass die Regelung des Istwertes xi auf den Sollwert Xg durch Verändern nur einer dieser Einflussgrössen als Stellgrösse, z. B. u, erfolgt. Wirken auf eine der andern Einflussgrössen, z. B. v, Störgrössen ein, so wirken sich diese zuerst ungehindert auf den Istwert xi der Regelgrösse aus, ehe ihr Einfluss ausgeregelt werden kann. Ändert man bei dem obengenannten Beispiel die Ankerspannung entsprechend der Drehzahlabweichung, so muss sich eine etwaige Änderung des Erregerflusses durch Veränderung des ihn hervorbringenden Erregerstromes infolge Schwankung der Spannung der Erregerstromquelle zuerst als Drehzahländerung bemerkbar machen, ehe sie bei der Regelung berücksichtigt werden kann.
Will man die Auswirkung einer derartigen Störgrösse auf die Regelgrösse verhindern, so muss man die als Stellgrösse benutzte Einflussgrbsse u, die an sich sonst nur entspre- chend der Regelabweichung verändert wird, direkt auch in Abhängigkeit von Änderungen der andern Ein- flussgrössen infolge der auf sie wirkenden Störgrösse verändern. Dies kann geschehen,- indem man den Sollwertgeber durch diejenige elektrische Grösse (s) speist, die mit der Störgrösse behaftet ist, welche die Einflussgrösse (v) hervorruft. Die mit der Störgrösse behaftete Grösse (s) dient also dann als Führungsglösse, indem durch sie der Stellwert verändert wird.
Bei dem erwähnten Beispiel der Drehzahlregelung von Gleich- stromnebenschlussmotoren tritt insofern eine Schwierigkeit auf, als der Erregerfluss zu dem ihn hervorbringenden Erregerstrom in einer nichtlinearen Abhängigkeit steht.
Bei den bisher bekannten Lösungen wurde von der Annahme ausgegangen, dass der Erregerfluss propor- tional dem Erregerstrom ist. Diese Annahme gestattet jedoch nur eine stückweise Lösung der gestellten Aufgabe. Wird beispielsweise bei den bekannten Anordnungen der Anker des in seiner Drehzahl zu regelnden Gleichstromnebenschlussmotors über einen magnetischen Verstärker gespeist, so ist es bekannt, in Reihe mit der Erregerwicklung des Motors den Sollwertgeber, z. B. ein Potentiometer, dessen Abgriffstellung ein Mass für den Drehzahlsollwert ist, zu schalten, Diese Anordnung arbeitet nur so lange richtig, wie ein linearer Zusammenhang zwischen dem Erregerstrom und dem Erregerfluss angenommen werden kann.
Der Erfindungliegtnundie Aufgabe zugrunde, dabei auch einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen
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Dies ist nach der Erfindung durch einen Regelkreis mit Störgrössenaufschaltung möglich, bei dem die Regelgrösse (x) von mehreren Einflussgrössen (u, v..), die voneinander unabhängig sein können, abhängt, die Regelung des Istwertes (xi) auf den Sollwert (xs) aber nur durch Veränderung einer Einflussgrösse als Stellgrösse (u) erfolgt und eine auf eine andere Einflussgrösse (v) wirkende Störgrösse dadurch ohne Einfluss auf die Regel-
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bleibt, dass die mit der Störgrösse behaftete elektrische Grösse (s), diesehen Grösse (s) über die Spannung und die Einflussgrösse (v) entgegengesetzt gleiche Änderungen des Istwertes der Regelgrösse hervorrufen.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei angenommen, dass die Abhängigkeit des Istwertes (xi) der Regelgrösse von den Einflussgrössen (u und v) durch die Funktion xi = f (u v) darstellbar sei. Wird die Einflussgrösse (u) als Stellgrösse verwendet, so hängt sie sowohl vom Istwert (xi) als auch vom Sollwert (xs) ab. Diese Abhängigkeit sei durch die Funktion u = g (x., Xg) darstellbar. Xs hänge dabei von einer Führung-
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grösse aus, die zu einer Verkleinerung der Grösse (s) um As führt. Wenn s damit übergeht in s + As, so geht auch v über in v+6v=h (s+6s). Die Änderung der Einflussgrösse v um 6 v ruft eine Änderung des Istwertes der Regelgrösse um öxiv hervor, so dass für den Istwert der Regelgrösse nunmehr gilt :
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ändert.
Diese Bedingung kann durch entsprechende Bemessung der Schaltelemente, über die die Grösse (s) auf die Einflussgrösse (u) wirkt, leicht erfüllt werden.
Speziell bei der Regelung der Drehzahl von Gleichstromnebenschlussmotoren, deren Regelung durch Beeinflussung der Ankerspannung in Abhängigkeit von der Regelabweichung erfolgt, die durch Gegeneinanderschaltung der EMK des Motors und der Spannung an einem entsprechend dem Drehzahlsollwert eingestellten Potentiometer, dem Sollwertpotentiometer, das ein vom Erregerstrom abhängiger Strom durchfliesst, gewonnen wird, lässt sich die Erfindung verwirklichen durch nichtlineare Widerstände, die den Strom durch das Sollwertpotentiometer entsprechend der Abhängigkeit des Erregerflusses von dem Erregerstrom verändern.
Genügt in diesem Fall eine stückweise lineare Nachbildung der Abhängigkeit des Erregerflusses vom Erregerstrom im Bereich des Arbeitspunktes, so kann man das Sollwertpotentiometer von einem konstanten Strom und einem dem Erregerstrom proportionalen Strom durchfliessen lassen.
An Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele der Drehzahlregelung eines Gleichstromnebenschlussmotors sei der Zrfindungsgegenstand näher erläutert.
Bei der Schaltung nach Fig. l wird der Anker des Gleichstromnebenschlussmotors 1 über eine Drosselspule 2 von einem magnetischen Verstärker 3 gespeist. Die Steuerung des magnetischen Verstärkers erfolgt durch dieSteuerwicklung 3'. DerDrehzahlsollwert wird am Sollwertpotentiometer 4 eingestellt. Die Spannung am Sollwertpotentiometer4 zwischen den Punkten 5 und 6 wird mit der Spannung zwischen den Punkten 6 und 7 verglichen. Die Spannung zwischen 6 und 7 ist proportional der EMK des Gleichstromnebenschlussmotors 1, da die Spannung zwischen 6 und 7 von einer sogenannten EMK-Brückenschaltung, bestehend aus den Widerständen 8, 9, 10 und dem Innenwiderstand des Ankers, geliefert wird. Der Widerstand 10 liegt dabei im Nebenschluss zu den Wendepolen.
Der Erregerstrom wird bei diesem Beispiel über den Transformator 11, den Gleichrichter 12 und das Sollwertpotenticmeter 4 in die Erregerwicklung 13 geschickt. Ein nichtlinearer Widerstand 14 ist dem Sollwertpotentiometer parallel geschaltet. Durch diese Parallelschaltung wird bewirkt, dass die Spannung an dem Sollwertpotentiometer 4 proportional dem Erregerfluss q. wird und nicht mehr proportional dem Erregerstrom IE ist. Als nichtlineare Widerstände kann man beispielsweise spannungsabhängige Widerstände verwenden. Der Temperaturkoeffizient der nichtlinearen Widerstände muss gegebenenfalls durch geeignete Parallel- oder Reihenschaltung von temperaturabhängigen Widerständen ausgeglichen werden.
Die Isolation des Sollwertpotentiometers von dem gemeinsamen Netz lässt sich ausser durch den Transformator 11 auch durch einen Stromwandler im Wech- elstromkreis des Erregerstromes vor dem Gleichrichter erreichen. An Stelle von nichtlinearen ohmschen Widerständen lassen sich vielfach auch nichtlineare induktive Widerstände verwenden.
Der oben erwähnte Stromwandler lässt sich auch bei geeigneter Ausbildung in dieser Form ausnutzen.
Eine entsprechende Schaltung zeigt Fig. 2. Vom Wechselstromnetz 15 fliesst der Erregerstrom durch die Primärwicklung des Stromwandlers 16 über Gleichrichter 12 zur Erregerwicklung 13. Von der Sekundärwicklung 16'des Stromwandlers 16 wird das Sollwertpotentiometer 14 über einen weiteren Gleichrichter 17 gespeist. Legt man den Stromwandler nun so aus, dass er dieselbe Kennlinie hat wie die Erregerflusskurve, was durch Wahl des Magnetwerkstoffes und durch Wahl des Luftspaltes leicht erreichbar ist, so
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lässt sich auf diese Weise die gewünschte Unabhängigkeit vor Erregerstromnchwankungen erreichen.
Anstatt die Erregerflusskennlinie durch eine gekrümmte Kurve von nichtlinearen Elementen nachzubilden, kann man auch im Arbeitspunkt eine Tangente an die Erregerflusskennlinie legen und diese nachbilden. Dies erreicht man, indem man die Speisespannung des Sollwertpotentiometers aus einer konstanten Gleichspannung, die man beispielsweise einem magnetischen Spannungskonstanthalter entnehmen kann, und einem erregerstromproportionalen Anteil zusammensetzt.
Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 liegt auch hier der Erregerstromkreis an der Wechselspannung 15 und besteht aus dum Stromwandler 16, dem Gleichrichter 12 und der Erregerwicklung 13. Die Sekundärwicklung des Stromwandlers 16'speist über den Gleichrichter 17 eine Bürde 21. Der Stromwandler ist in diesem Fall als idealer linearer Stromwandler gedacht. Die Spannung für das Sollwertpotentiometer 14 wird hiebei aus der stromproportionalen Spannung in der Bürde 21 und der Spannung der Konstantstromquelle 22 zusammengesetzt. Diese Schaltung hat den besonderen Vorteil, dass sie sich durch Veränderung von Widerständen leicht jeder beliebigen Erre- gerflusskurve anpassen lässt.
Fig. 4 schliesslich zeigt eine andere Schaltung, die bei kleinen Leistungen billiger sein kann. Die Isolation des gesamten Erregerstromkreises erfolgt hier ähnlich wie in Fig. 1. An den von der Sekundärwicklung eines Transformators 11 gespeisten Gleichrichter 12 sind die Erregerwicklung 13 und ein Widerstand 24 geschaltet. Die Spannung für das Sollwertpotentiometer 14 wird in diesem Fall durch die konstante Spannung 22'und die Spannung am Widerstand 24 geliefert.
An Stelle der bisher ausgeführten nichtlinearen Widerstände lassen sich vorteilhaft auch Halbleiter verwenden. Insbesondere eignen sich auch Gleichrichterschwellspannungen und die Zenerspannung von Dioden dafür. Man kann auch die für Funktionachbildung in der Analogrechentechnik übliche Diodenschaltung verwenden.
Die Erfindung kann jedoch genau so gut auch als Sollwertgeber für die Lösung anderer Regelaufgaben eingesetzt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regelkreis mit Störgrössenaufschaltung, bei dem die Regelgrösse (x) von mehreren Einflussgrössen (u, v... ), die voneinander unabhängig sein können, abhängt, die Regelung des Istwertes (xi) auf den Sollwert (xs) aber nur durch Verändern einer Einflussgrösse ah Stellgrösse (u) erfolgt und eine auf eine andere Einflussgrösse (v) wirkende Störgrösse dadurch ohne Einfluss auf die Regelgrösse bleibt, dass die mit der Störgrösse behaftete elektrische Grösse (s), die die Einflussgrösse (v) hervorruft, den Sollwertgeber als Führungsgrösse beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass bei nichtlinearer Abhängigkeit dieser Einflussgrösse (v) von der sie hervorrufenden elektrischen Grösse (s) der Sollwertgeber an einer Spannung liegt,
die aus der elektrischen Grösse (s) über Schaltelemente, z. B. lineare und nichtlineare Widerstände, abgeleitet wird, welche so bemessen sind, dass die Spannung die gleiche oder zumindest eine ähnliche nichtlineare Abhängigkeit von der elektrischen Grösse (s) wie die Einflussgrösse (v) hat und Änderungen der elektrischen Grösse (s) über die Spannung und die Einflussgrösse (v) entgegengesetzt gleiche Änderungen des Istwertes der Regelgrösse hervorrufen.