DE2658218A1

DE2658218A1 - Wechselstrom-wechselstrom-leistungswandler

Info

Publication number: DE2658218A1
Application number: DE19762658218
Authority: DE
Inventors: David James Gritter
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1976-01-02
Filing date: 1976-12-22
Publication date: 1977-07-14
Also published as: AU504194B2; GB1564934A; CA1067149A; JPS5285330A; JPS6043749B2; DE2658218C2; FR2337460B1; US4041368A; AU2045676A; FR2337460A1

Description

Wechselstrom-Wechselstrom-Leistungswandler

Die Erfindung betrifft einen Wechselstrom-Wechselstrom-Leistungs-j wandler mit drei Eingangsanschlüssen, an denen ein Dreiphasenwechselstrom aufgenommen wird, und drei Ausgangsanschlüssen, an : denen ein Dreiphasenwechselstrom angegeben wird. .

In letzter Zeit wurde beträchtliche Arbeit auf den Betrieb von Induktionsmaschinen als selbsterregte Generatoren verwendet. Im

betreffend einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler US-Patent 3 829 758/wird die Verwendung eines inverterartigen Schaltkreises zur Erregung des Generators gelehrt. Seither hat sich herausgestellt, daß das Generatorfeld moduliert werden kann. Dadurch wird ein Wechselstromsystem mit konstanter Frequenz geschaffen. Eine solche Anordnung ist in der US-Patentanmeldung 568 746 beschrieben. In der Entwicklung dieser Technologie folgte daraufhin der Schritt, eine gesteuerte Schalteranordnung zu schaffen, die sowohl die Generatoranschlüssen kurzschließt und dadurch das Induktionsgeneratorfeld erregt als auch periodisch die Polarität der Spannung umkehrt, die den Lastanschlüssen zuge-

führt wird. Dadurch erhält man vom selben inverterartigen Schaltkreis, der den Generator erregt, eine Rechteckwechselspannung.

^; Dieser Schritt ist in der US-Patentanmeldung 63 6 331 beschrieben.

In dieser Patentanmeldung wird auch ausgeführt, daß ein Generator mit einer unüblichen Wicklungskonfiguration, nämlich einer Mehrzahl eng gewundener Wicklungen für jeden Phasenkreis, erforderlich wäre, um eine Quasi-Rechteck-Wechselspannung mit konstan-

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ter oder geregelter Frequenz zu schaffen, die eine mehrphasige
Last speist.

ί Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltersy- j

j i

ι stem zu schaffen, das sowohl intermittierend die Generatoran- !

: i

: Schlüsse kurzschließt und dabei den Induktionsgenerator erregt j

j j

; als auch eine dreiphasige Wechselausgangsspannung, die quasi j

j i

I rechteckförmig ist und konstante (oder geregelte) Frequenz be- ;

; sitzt, einer Last zuzuführen, wobei nur ein herkömmlicher, drei- j phasiger Induktionsgenerator verwendet wird, der über einen gro- j

^: ßen Geschwindigkeitsbereich arbeitet. Das Schaltersystem soll ί voll regenerierfähig sein und keinen großen Energiespeicher be- ; nötigen.

ί Die Frequenz der Ausgangsspannung soll unabhängig von der Genera-:

ί torfrequenz sein, dabei entweder höher oder geringer als die ; Frequenz des Induktionsgenerators sein. Insbesondere soll dabei j

i ein Wandler mit neun Schaltern geschaffen werden, der in einem ' j
direkten Wechselstrom-Wechselstrom-Leisturigswandler verwendet

. werden kann.

J Der Leistungswandler soll eine allgemeine Quasirechteckspannung
j bei einer bestimmten Frequenz empfangen und in eine andere

Quasirechteckspannung bei einer anderen Frequenz umwandeln.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen erläutert.

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— D —

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Figur 1

ein Schemaschaltbild, welches ein bekanntes, bei variabler Geschwindigkeit und eine konstante Frequenz erzeugendes System darstellt;

Figur 1A eine Q-S-W-"line-to-line"-Spannung;

Figuren 2, vereinfachte Schemadarstellungen; 3 und 4

Figuren Vektordiagramme, die zum Verständnis der vorliegen-

5 und 6 den Erfindung von Nutzen sind;

Figur 7

ein Blockdiagramm der Hauptbestandteile der vorliegenden Erfindung;

Figur 8

ein Schemaschaltbild, welches bestimmte in Figur gezeigte Komponenten detaillierter darstellt;

! Figur 9

ein Blockdiagramm, welches ein tatsächlich angeschlossenes und erprobtes System darstellt, mit dem die Grundzüge der vorliegenden Erfindung verifiziert wurden.

In Figur 1 ist ein System gezeigt, mit dem eine Wechselausgangsspannung mit konstanter Frequenz von einem Generator 10 erhalten

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wird, der über eine Welle 11 mit einer variablen Frequenz ω angetrieben wird. Er erzeugt eine dreiphasige Energie an den Ausgangsanschlüssen 30,31 und 32. Solche Anordnungen werden allgemein als ^SCF-systeme bezeichnet (variable speed, constant frequency = variable Geschwindigkeit, konstante Frequenz). Wie dort gezeigt, umfaßt ein inverterartiger Kreis 12 die Schal- \

\ ter A - F. Er ist an die Gleichstrom-Leiterschienen 13,14 ge- ]

- i

koppelt. Dieser inverterartige Schaltkreis erzeugt nicht nur j

die Felderregung für den Generator 10, sondern speist außerdem

Gleichstrom zu den Leiterschienen 13,14, wie dies im US-Patent J 3 829 758 gelehrt wird. Ein zweiter Inverterkreis 15 mit den Schaltern G-L wird vom Gleichstrom auf den Leiterschienen 13, 14 gespeist und liefert eine Ausgangsspannung mit drei Phasen und geregelter Frequenz auf den Ausgangsleitern 16,17 und 18.

Die Schalter A-F des ersten Inverters 12 werden durch einen j logischen Kreis 2 0 gesteuert, der seinerseits durch einen j spannungsgeregelten Oszillator (VCO) 21 geregelt wird. Dieser j liefert Taktimpulse bei einer Frequenz, die durch ein Fehlersig- { nal bestimmt wird. Dieses Fehlersignal wird durch einen Komparator 22 geliefert. Der Komparator empfängt sowohl ein Referenzsignal von einer Referenzeinheit 22, die beispielsweise ein Potentiometer sein kann, und ein Rückkopplungssignal von einem Gleichrichterkreis 24. Dieser ist an die Ausgangsanschlüsse des Induktionsgenerators 10 gekoppelt. Natürlich kann das Rückkopplungssignal auch von den Leiterschienen 13,14 abgeleitet werden. Auf diese Weise wird ein Gleichrichterkreis erübrigt. Diese Anordnung, welche die Bauteile 20 bis 23 enthält, zwingt

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die Schaltfrequenz des Inverters 12 dazu, der Geschwindigkeit der Induktionsmaschine sehr eng zu folgen. Dies ist im oben beschriebenen Patent näher erläutert. Die Leistungsschalter G - L im zweiten Inverterkreis 15 werden durch einen getrennten Logikkreis 25 gesteuert. Dieser wird von einem zweiten Oszillator 26 betrieben. Der Knopf 27 stellt eine Einrichtung dar, mit der die Frequenz des Taktsignals eingestellt werden kann, das vom Oszillator 26 dem Logikkreis 25 zugeführt wird. Auf diese Weise hängt die Frequenz der Ausgangsspannung auf den Leitern 16 bis 18 nicht von der Drehgeschwindigkeit des Generators 10 und von der Schaltgeschwindigkeit des ersten inverterartigen Kreises 12 ab.

Nach ausführlicher Analyse des in Figur 1 gezeigten Systems wurde

ί entdeckt, daß eine Matrix von Schaltern geschaffen werden kann, ι
die eine Wechselstrom-Wechselstrom-Transformation bewirken, ohne

daß in einem Zwischenschritt die Gleichspannung auf den Leitern |

! 13,14 erzeugt wird. Zwei Bedingungen müssen gegeben sein, damit ;

j die Transformation in derselben Weise geschieht wie bei dem in j : Figur 1 dargestellten System mit zwei Invertern: 1) Die Eingangs-

anschlüsse müssen wahlweise mit entsprechenden Ausgangsanschlüssen verbunden werden, damit die erwünschten Ausgangspotentiale _; erzeugt werden; 2) die richtigen Eingangsanschlüsse müssen mit- ■ einander verbunden werden und die richtigen Ausgangsanschlüsse _; müssen miteinander verbunden werden, und zwar in der richtigen ' Folge. Die Grunderregung des Generators hängt von dem periodi-. sehen Kurzschließen der Generatoranschlüsse ab. Dies wird in ; der oben genannten US-Patentanmeldung 63 6 331 näher erläutert.

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Diese Bedingungen können unter Verwendung von nur 9 Leistungsschaltern (beispielsweise den Schaltern P1 - P9 in Figur 2) anstelle der 12 in Figur 1 gezeigten Schalter erfüllt werden; dabei werden alle Verbindungen zwischen allen Anschlüssen 16 bis 18 und 30 bis 32 richtig hergestellt. Der Ausdruck "Wandler", wie er hier verwendet wird und in den Ansprüchen, betrifft allgemein eine Mehrzahl von Leistungsschaltern, die so in einer Matrix miteinander verbunden sind, daß bei gegebenen Potentialen auf den Eingangsanschlüssen 3 0,31 und 32 das Schließen der Schalter in verschiedenen Kombinationen im Effekt verschiedene Potentiale auf die Ausgangsleiter 16 bis 18 gibt, je nach den in einer bestimmten Kombination geschlossenen Schaltern.

Um Mißverständnisse darüber zu vermeiden, was durch eine Quasi-Rechteckwelle bezeichnet werden soll, zeigt Figur 1A eine QSW-"line-to-line"-Spannung (QSW = quasi-square wave - Quasirechteckspannung). Dies kann beispielsweise die Spannung sein, die zwischen den Ausgangsleitern 16 und 17 in Figur 1 liegt. Es ist zu erkennen, daß das "line^to-line"-Potential über 120" positiv ist, Null (Anschlüsse kurzgeschlossen) für die Dauer der nächsten 60°, negativ für die Dauer der nächsten 120°, kurzgeschlossen für die nächsten 60" usw. Aus der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung folgt, daß der Leistungswandler nicht nur die geeigneten Potentiale zwischen den Eingangsanschlüssen und den Ausgangsanschlüssen des vollständigen Systems übermitteln muß, sondern auch die Kurzschlußkreise zwischen den richtigen Anschlüssen zur richtigen Zeit schaffen muß, wodurch die QSW-Ausgangsspannung !erzeugt ist.

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Eine andere Betrachtungsweise für ein VSCF-System ergibt sich aus der einphasigen Anordnung, die in Figur 3 gezeigt ist. Wieder wird ein inverterartiger Kreis 12 zur Erregung eines Induktionsgenerators verwendet, indem periodisch die Leistungsschalter AS geschlossen werden. Dadurch wird eine Quasirechteckwechselspannung an den Ausgangsleitern 30 bis 32 des Generators erzeugt. Eine Gleichspannung wird auf den Leiterschienen 13,14 erzeugt. Betrachtet man eine bestimmte Zeit, in der die Schalter A,B und E geschlossen sind, und in der ein durch die Vorzeichen 33 dargestelltes Potential anliegt, so wird der Inverter "umgekehrt" oder im elektrischen Sinne invertiert, wenn A,D und F plötzlich geöffnet und gleichzeitig die Schalter B,C und E geschlossen werden. D.h., die Polarität der Spannung auf den Leiterschienen wird umgedreht und nun durch die Polari- ; tätsymbole 34 dargestellt. Indem also die Geschwindigkeit gesteuert wird, mit der der Inverter sich selbst "invertiert", ' kann die Frequenz der Ausgangsspannung auf den Leiterschienen

! in der Weise geregelt werden, wie dies in der US-Patentanmeldung 63 6 331 gelehrt wird.

Es ist offensichtlich, daß beim System nach Figur 3 die Ausgangsspannung eine Rechteckspannung ist. Die Leiterschienen können nämlich nicht zur Erzeugung einer QSW-Spannung kurzgeschlossen werden, ohne daß gleichzeitig die Generatoranschlüsse kurzgeschlossen würden. Die Verwendung einer QSW-Wellenform ist \ wünschenswert, da sie bestimmmte Harmonische im Gegensatz zu ; anderen möglichen Wellenformen enthält und da das System infolge

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der geschaffenen Zirkulationswege mit einer gewissen Menge Blindenergie zu Rande kommt. Normale Inverterschalter, beispielsweise Thyristoren, denen eine Diode parallel liegt, sind als Schalter A-F nicht geeignet. Stattdessen ist ein Schalter erforderlich, der den Strom in beiden Richtungen unterbricht, wenn er offen ist, und der den Strom in beiden Richtungen durchläßt, wenn er geschlossen ist. Ein solcher Schalter, der als "Leistungsschalter" in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen bezeichnet wird, kann aus zwei umgekehrt angeschlossenen Leij stungstransistoren bestehen. Wenn ein Thyristor als Leistungs- ! schalter verwendet wird, dann muß ein Kommutationskreis vorgesehen sein, wie dies an und für sich wohl_bekannt ist.

Figur 4 zeigt, daß durch Zufügen eines weiteren Ausgangsanschlusses und dreier zusätzlicher Schalter G,Q und R zum System von Figur 3 eine dreiphasige Ausgangsspannung auf die Leitungen 16,17 und 18 gebracht werden kann. Die zusätzlichen Schalter ermöglichen das Kurzschließen beliebiger zweier Ausgangsanschlüsse. Dadurch wird eine Quasi-Rechteckwellenausgangsspannung erhalten, da die Eingangsanschlüsse, die nicht kurzgeschlossen werden sollen, jetzt nicht direkt mit den kurzgeschlossenen Ausgangsanschlüssen verbunden werden müssen.

Bei einem gewöhnlichen Inverter-Treibersystem werden die Ausgangsanschlüsse periodisch entweder mit der positiven oder der negativen Gleichstromschiene verbunden. Torsignale von einem Logikkreis, beispielsweise einem Ringzähler, bestimmen, welche Leiterschiene mit welchem Anschluß verbunden wird. Sie bestimmen

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außerdem, welche Anschlüsse zur Aufrechterhaltung des Generatorfeldes kurzgeschlossen werden sollen. Zur Erläuterung des vorliegenden Systemes ist die Annahme hilfreich, daß das Leistungskonvers ions sy stern gemäß der vorliegenden Erfindung eine imaginäre Gleichstromschiene sowie zwei getrennte Logikkreise oder Ringzähler besitzt. Der erste Logikkreis verbindet normalerweise die Generatorausgangsanschlüsse (oder Wandlereingangsanschlüsse) mit der imaginären Schiene, und zwar auf eine Weise, die der Verbindung der Ausgangsanschlüsse 30 - 32 des Generators 10 in Figur 1 mit der tatsächlichen Schiene 13,14 entspricht. Dadurch werden die Kurzschlüsse zwischen den Anschlüssen geschaffen, welche das Generatorfeld aufrechterhalten. Der zweite Ring-

j zähler kann dazu verwendet werden, die Verbindungen der Ausgangsanschlüsse des Systems, beispielsweise der Leiter 16 bis 18 in Figur 1, mit der imaginären Schiene zu steuern. Es wird noch deutlich werden, daß ein wichtiger Bauteil der vorliegenden Erfindung ein kombinierter Logikkreis ist, der vergleicht:

• 1) Die erwünschten Verbindungen der Eingangsanschlüsse des Systems mit der imaginären Schiene mit 2) den erwünschten Verbindungen zwischen den Ausgangsanschlüssen des Systems und der imaginären Schiene, wobei nur diejenigen Wechselstromleistungsschalter zwischen den Anschlüssen geschlossen werden, deren Verbindungen mit der Schiene zusammenfallen.

Die Figuren 5 und 6 zeigen die Ausgangsanschlüsse 30,31,32 und die Lastanschlüsse 16,17 und 18 des Generators von Figur 4, ohne die Wandlerleistungsschalter. Figur 5 gibt die Polaritäten an einem bestimmten Zeitpunkt an, zu dem das Potential am An-

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Schluß 30 bezogen auf die Potentiale auf die beiden Anschlüsse 31 und 32 positiv ist. Die letzten beiden Anschlüsse sind dann kurzgeschlossen. In ähnlicher Weise ist das Potential am Ausgangsanschluß 17 positiv bezogen auf die Potentiale, die dann auf den beiden Anschlüssen 16 und 18 liegen. Um diese Ausgangsspannungen zu erzeugen, verbinden die Leistungsschalter des Systems den Anschluß 3 0 mit dem Anschluß 17 (A in Figur ist geschlossen) , den Anschluß 31 mit den Anschlüssen 16 und 18 (Q und D sind geschlossen, und den Anschluß 32 mit den Anschlüssen 16 und 18 (R und F sind geschlossen). Auf diese Weise werden nicht nur die richtigen Verbindungen zwischen Eingang und Ausgang geschaffen, sondern außerdem die erforderlichen Kurzschlüsse

\ (16 mit 18 und 31 mit 32). Während des nächsten Polaritätwechsels!

des Generators sind die Anschlüsse 30 und 32 bezüglich des An- ■ \ i

\ Schlusses 31 positiv, wie dies in Figur 6 gezeigt ist. Es wird i

ι ι

! ί

angenommen, daß die Ausgangspolaritäten auf den Anschlüssen 16 bis 18 so bleiben, wie sie in Figur 5 waren. Figur 6 zeigt die neuen Schalterverbindungen, die zu diesem Zeitpunkt erforderlich sind. Aus dem obigen folgt, daß dies durch Schließen der Schalter A, Q, D und E in Figur 4 verwirklicht wird. Der Fachmann versteht nun ohne weiteres die Schalterfolge, die verwirklicht werden muß, wenn eine direkte Wechselstrom-Wechselstrom-Leistungswandlung ohne eine feste Gleichstromleiterschiene erj zielt werden soll, wie sie im Kreis von Figur 1 verwendet wird.

Das Blockdiagramm von Figur 7 stellt die bedeutenden Bestandteile des Wandlersystems gemäß der vorliegenden Erfindung dar.

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Wie gezeigt, besorgt ein Wandler 40 die erforderlichen Schaltungen zwischen einem Induktionsgenerator 10 und der Last, die mit einer dreiphasigen, Quasirechteckspannung versorgt werden soll. Der Wandler 40 kann neun Schalter umfassen, wie sie allgemein mit P1 bis P9 in Figur 2 bezeichnet sind. Die in Figur 7 dargestellte Kombinationslogik 41 liefert über die Leitung 42 Ausgangssignale, welche den Konverterbetrieb so regeln, daß die erforderliche Energie der Last zugeführt wird, wenn der Induktionsgenerator arbeitet. Die Kombinationslogik erzeugt die Signale, welche die Schalter P1 bis P9 schließen. Auf diese Weise werden die erforderlichen Verbindungen bewirkt, wie sie oben anhand der Figuren 5 und 6 beschrieben wurden. Hierzu erhält die Kombinationslogik eine erste Reihe von Steuersignalen von einem ersten Zähler 43, der im Ergebnis die Generatorfrequenz durch diejenigen Signale regelt, die über die Leitung zur Kombinationslogik gelangen. Die Signale vom zweiten Zähler

j 45 werden über die Leitung 46 zur Kombinationslogik geleitet.

) Diese Signale bestimmen im Ergebnis die Frequenz der Ausgangs-, spannung, die vom Inverter über die Ausgangsleiter, beispiels-

weise die Leiter 16,17 und 18 in Figur 1, zu irgendeiner ge-

eigneten Wechselstromlast geführt wird.

Die Regelsignale, die vom ersten Zähler 43 erzeugt werden, wer-

■ den wiederum durch Taktsignale bestimmt, die von einem ersten

i Oszillator 47 ausgegeben werden. Die Frequenz dieser Taktsignale

wird durch irgendeine Einstellvorrichtung bestimmte, die durch ' einen Einstellknopf 48 dargestellt ist. Die Ausgangs- oder Takt-

■ signale des Oszillators 47 liegen auf der Leitung 50. Der

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zweite Oszillator 51 enthält ebenfalls eine Einrichtung 52 zur Einstellung der Frequenz der Taktsignale, die auf seiner Ausgangsleitung 53 liegen. Der Fachmann weiß, daß die Ausgangssignale auf den Leitungen 50,53 auch direkt auf die Zähler 43, 45 gegeben werden können. Die Taktsignale können auch durch einen einzigen Oszillator erzeugt und über verschiedene Kreise geleitet werden, von denen einer Divisions- und/oder Multiplikationsstufen zur Erzeugung der erforderlichen Taktsignale aufweist. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind jedoch getrennte Oszillatoren, wie dargestellt, vorgesehen. Ein Verzogerungskrexs 54 ist bei der bevorzugten Ausführungsform zwischen dem ersten Oszillator und dem ersten Zähler eingekoppelt. Zusätzlich ist dort ein Riegelkreis (latch) 55 vorgesehen und wie gezeigt angeschlossen. D.h., die verzögerten Ausgangssignale des Kreises 54 werden über eine erste Leitung 56 zu einem ersten Zähler 43 geführt. Die Signale auf der Leitung 57, die länger als" diejenigen auf der Leitung 56 verzögert sind, werden dann an den anderen Eingangsanschluß des "latch"-Kreises 55 gelegt. Das Ausgangssignal des "latch"-Kreises wird über die Leitung 58 zum zweiten Zähler 45 geleitet. Der Fachmann erkennt, daß die Verwendung der stärkeren Verzögerung und des "latch"-Kreises ein Weg dazu ist, Fehlschaltungen in den Leistungsschaltern zu verhindern, die möglicherweise sonst durch das praktisch gleichzeitige Ankommen von Taktimpulsen auf den Leitungen 44 und 46 erzeugt würden. Dies läßt sich besser anhand der detaillierteren Darstellung in Figur 8 verstehen. Für den Augenblick ist es wichtig festzuhalten, daß der Wandler, die Kombinationslogik und der erste und der zweite Zähler wichtige

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Bausteine der Erfindung sind. Die zusätzlichen Blocks, welche den ersten und den zweiten Oszillator zusammen mit dem Verzögerungs- und "latch"-Kreis zeigen, können insgesamt als Vorrichtung betrachtet werden, welche Taktimpulse zu den beiden Zählern 43 und 45 liefert und damit die Generatorgeschwindigkeit (und hierüber die Ausgangsamplitude) und die tatsächliche Frequenz der Quasirechteckausgangsspannung regeln.

Der Wandler mit neun Schaltern ist selbst wichtig, da er eine J Wechselstrom-Wechselstrom-Wandlung bei geregelter Frequenz und I geregelter Amplitude ermöglicht. Die anderen Bausteine (41,43,

! 45,47,51,54 und 55) können dann kollektiv als Regeleinrichtung • verstanden werden, welche das Einschalten und Ausschalten der j neun Leistungsschalter im Wandler regeln.

: Figur 8 zeigt die Details des Zählers und der Kombinationslogik. ! Wie dargestellt, werden Taktsignale, die vom ersten Oszillator

' erzeugt werden, auf derytieitung 50 empfangen und an beide Stufen

! 60 und 61 im Verzögerungsteil 54 gelegt. Es sei angenommen, daß I die Leistungsschalter im Wandler 40 eine Ausschaltzeit T be- ! sitzen. Dann liefert die Stufe 60 eine Verzögerung, die doppelt j so groß ist wie die Ausschaltzeit, oder 2T; die Verzögerungsstufe 61 liefert eine wesentlich längere Verzögerung, 4T. Diese

! Verzögerungen stellen sicher, daß der Leistungsschalter hin-I reichend Zeit besitzt, vollständig abzuschalten und sich vollständig zu erholen, bevor er wieder angeschaltet wird.

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Das Ausgangssignal der Stufe 60 im Verzögerungskreis 54 gelangt über die Leitung 56 zum Eingang des ersten Zählers 43, Dieser Zähler ist ein herkömmlicher Logikkreis oder Ringzähler, der drei Flip-Flop-Stufen 62,63 und 64 enthält. Diese sind so angeschlossen, daß sie auf den Leitern 65,66 und 67 Ausgangssignale als Funktion der Grundtaktsignale liefern, die auf der Leitung 50 vom ersten Oszillator empfangen werden. Zusätzlich enthält der Zähler 53 die NAND-Stufen 68, 70, die so angeschlossen sind, daß der erste Zähler 43 richtig startet.

Die stärker verzögerten Signale von der Stufe 61 im Verzögerungskreis 54 werden über den Leiter 57 zur Eingangsseite des "latch"-Kreises 55 geführt. Dieser enthält die herkömmlich angeschlosse- \ nen logischen Stufen 71,72,73 und 74. Das andere Eingangssignal für den "latch"-Kreis 55 kommt vom zweiten Oszillator über die Leitung 53. Zwischen dem zweiten Oszillator und dem "latch"-Kreis 55 liegt der durch zweiAeilende Kreis 75. Dies geschieht zweckmäßigerweise dazu, die geeignete Signalfrequenz für den "latch"-Kreis zu schaffen. Ein Rückstellsignal kann über die Leitung 76 an den durch zweiteilenden Kreis 75 gelegt werden, wenn das System gestartet wird. Das Ausgangssignal des "latch"-Kreises 55 wird über den Leiter 58 zur Eingangsseite des zweiten Zählers 45 geleitet. Dies ist in der Darstellung ein weiterer herkömmlicher Ringzähler mit zwei NAND-Stufen 77,78, welche für den richtigen Startvorgang sorgen, sowie drei Flip-Flops 80,81 und 82. Die letzteren sind so angeschlossen, daß sich die Ausgangssignalfolge auf den Leitungen 83,84 und 85 als Funktion der TaktsignaIe ergeben, die auf der Leitung 58 empfangen werden.

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" ¹⁸ " 26*8218

Die vom ersten und zweiten Zähler kommenden Signale

i werden an die Eingangsanschlüsse der exklusiven ODER-Tore 91 - 99 in der Kombinationslogik 41 gelegt, wie in Figur 8 gezeigt. Dies ergibt die geeignete Kombination von Einschaltsignalen auf den Ausgangsleitern 101 - 109, die an die neun Leistungs- ■ schalter im Konverter 40 gelegt werden (diese sind wie in Figur I 2 gezeigt geschaltet). Der Fachmann weiß, daß die Leistungs- \

ι schalter beispielsweise aus neun umgekehrt parallelen Leistungs- !

transistorpaaren bestehen können, die keine Kommutations- oder ' Abstellsignale benötigen. Wenn andere Schalter, beispielsweise ' Triacs oder umgekehrt parallele Thyristoren verwendet werden, dann müssen selbstverständlich geeignete Kommutationskreise zum Abstellen vorgesehen sein, wie dies wohlbekannt ist.

Figur 9 ist ein Blockschaltbild und zeigt ein System, das tatsächlich gebaut und erfolgreich betrieben wurde. An ihm wurden die Grundzüge der vorliegenden Erfindung erprobt. Ein Wandler ϊ 40 mit neun Schaltern wurde verwendet, wobei die neun Schalter ! wie diejenigen, die mit P1 - P9 in Figur 2 bezeichnet sind, j zwischen die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Systems | geschaltet sind. Der Induktionsgenerator 10 war eine Einheit mit zwei PS. Bei einer Testanordnung war die Last 110 ein j Induktionsmotor mit zwei PS. Der Verzögerungs- und "latch"-Kreis sind in der Darstellung von Figur 9 der Einfachheit halber weggelassen. Bei der Versuchsanordnung wurde ein Brückengleichrichter 111 wie dargestellt angeschlossen. Er liefert ein Signal auf Leitung 112, welches mit der Amplitude der dreiphasigen Ausgangsspannung verknüpft ist, die zur Last

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geliefert wird. Anstelle des ersten Oszillators 47, der eine ; einfache Einheit mit unabhängiger Einstellung ist, wurde in ! spannungsgesteuerter Oszillator (VCO), wie dargestellt, verwen- ! det. Er erhält seine Regelspannung über die Leitung 113 von ■ einem Komparator 114. Das andere Eingangssignal am Komparator ' ist ein Bezugssignal, das auf der Leitung 115 liegt. Der Komparator summiert algebraisch das gleichgerichtete Signal auf der Leitung 112 und die Bezugsspannung auf der Leitung 115, die von der Bezugseinheit 116, beispielsweise einem Potentiometer geliefert wird. Schaltungen dieser Art sind bekannt, sie erzeugen ein Ausgangssignal auf der Leitung 113, welches den Betrieb des VCO 47 regelt. Bei dieser Anordnung wurde der Motor 110 mit zwei PS und leicht über einen Frequenzbereich zwischen 3 0 und 120 Hz betrieben. Es wurde gefunden, daß eine nennenswerte Lastpulsation des Induktionsmotors 110 bei der Beatfrequenz (Differenzfrequenz) stattfand, wenn die Frequenz der Ausgangsspannung, die dem Motor zugeführt wurde, sehr nahe j an der Eingangsfrequenz lag, die dem Induktionsgenerator I

zugeführt wurde, oder nahe an einer Subharmonischen der Eingangsfrequenz. Wenn die Trägheit des Motors 110 gering war, war diese Pulsation immerhin so bedeutend, daß Geschwindigkeitsvariationen verursacht wurden, die oberhalb des normalen Schlupfbereiches lagen. Der Effekt war sehr bedenklich, wenn die Ausgangsfrequenz nahe an der Eingangsfrequenz lag, wurde jedoch bei höheren Geschwindigkeitsverhältnissen nicht beobachtet.

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^! Es versteht sich, daß der Induktionsgenerator während des ]

ι ^l

Startens des Systems in irgendeiner Weise erregt werden muß. ! Wie im oben erwähnten Patent gelehrt wird, kann dies mit einer i einfachen Niedervoltbatterie geschehen. Diese wird angeschlossen ^;

. und liefert während der anfänglichen Speisung des Induktionsgenerators ein kleines Gleichspannungspotential. Alternativ hierzu kann die remanente Magnetisierung des Rotors verwendet werden; es kann auch irgendeine andere Versorungsquelle verwendet werden, von der eine kleine Menge Energie beim Starten in das System abgezogen wird.

Die technischen Vorteile des oben beschriebenen, dreiphasigen, eine Quasirechteckspannung erzeugenden Systems sind folgende. Die Frequenz der Ausgangsspannung auf den Leitern 16 bis 18 kann unabhängig von der Generatorfrequenz geregelt werden. Dies geschieht einfach, indem die Frequenz der Taktimpulse geregelt wird, die vom zweiten Oszillator geliefert werden. Das System kann eine Widerstandslast bis zum Nennwert des Induktionsgenerators versorgen; es kann beträchtlich größere induktive Lasten versorgen. Das einfache Schaltersystem des Wandlers kann neun Leistungsschalter oder zwangskommutierte Schalter verwenden, wie dies an und für sich bekannt ist.

Es ist wichtig festzuhalten, daß der Wandler 40 mit neun Schaltern zusätzlich zu seiner Verwendung in Induktionsgeneratorsystemen von beträchtlicher Brauchbarkeit ist. Beispielsweise kann er bei jedem Wechselstrom-Wechselstrom-Wandlersystem an-

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stelle bekannter zwei Invertersysteme (Figur 1) oder Zyklowandlern und anderen ähnlichen Anordnungen verwendet werden.

Es ist außerdem wichtig festzuhalten, daß die Regeleinrichtung, die den Wandler regelt, nicht darauf beschränkt ist, nur Quasi-

i rechteckausgangsspannungen zu erzeugen. Stattdessen können auch i

Impulsbreitenmodulationen, die an und für sich bekannt sind, ■ zur Regelung der Wellenform der Ausgangsspannung des Systems

verwendet werden. j

In den Ansprüchen bedeutet der Ausdruck "verbunden" eine Gleich- , Stromverbindung zwischen den beiden Komponenten ohne nennenswerten Gleichstromwiderstand. Der Ausdruck "gekoppelt" bedeutet, daß es eine funktionale Beziehung zwischen den Komponenten gibt, wobei möglicherweise andere Elemente zwischen den beiden als "gekoppelt" bezeichneten Komponenten liegen.

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Claims

Dipl. Inn- H. Kstick Dipl. ρ;·λ-··>·. W. Schmitz Dipl. !ng. E. Cr.iHfs Dipi. in-n. '·./. >.'"t-hrvrt Dip;. Γ-' vi . v. Carstens ei ..' -i ■ ι — · w η Ä Borg-Warner Corporation South Michigan Avenue Anwaltsakte M-4142 Chicago, 111. 60604, USA 17. Dezember 1976 Patentansprüche

1.j Wechselstrom-Wechselstrom-Leistungswandler mit drei Eingangsanschlüssen, welche einen Dreiphasenwechselstrom aufnehmen, und drei Ausgangsanschlüssen, welche einen Dreiphasenwechselstrom abgeben, gekennzeichnet durch

einen Wandler (40), der neun Leistungsschalter (P1 - P9) enthält, die in einer Matrix zwischen den Eingangsanschlüssen des Systems und den Ausgangsanschlüssen des Systems so geschaltet sind, daß sie in verschiedenen Kombinationen geschlossen werden können und dabei im Ergebnis verschiedene Potentiale an die Ausgangsanschlüsse des Systems legen;

eine Regeleinrichtung (41,43,45,47,51), die an den Wandler (40) gekoppelt ist und das Einschalten und Ausschalten der neun Leistungsschalter (P1 - P9) regelt, wodurch die an die Ausgangsanschlüsse gelegten Potentiale bestimmt werden.

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2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ;

j Regeleinrichtung Mittel (43,47) zur Regulierung der Frequenz \ des dreiphasigen Wechselstromes enthält, der an den Eingangs-!

anschlüssen des Systems liegt. i

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Regeleinrichtung Mittel (45,51) zur Regelung der Frequenz

des dreiphasigen Wechselstromes enthält, der an den Ausgangs-; anschlüssen des Systems bereitgestellt wird,

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Regeleinrichtung eine Kombinationslogik (41) umfaßt, deren
Ausgangskreis (101 - 109) so angeschlossen ist, daß jedem
der neun Leistungsschalter im Wandler individuelle Einschaltsignale zugeführt werden, und der außerdem enthält: einen
Eingangskreis, einen ersten Zähler (43), der (über 65-67)
an den Eingangskreis der Kombinationslogik (41) gekoppelt
ist und Taktimpulse liefert, welche die Frequenz des drei-

phasigen Eingangswechselstromes regeln, und einen zweiten
Zähler (45), der ebenfalls (über 83 - 85) an den Eingangskreis der Kombinationslogik (41) gekoppelt ist und Taktimpul-j

se liefert, welche die Frequenz des dreiphasigen Ausgangs- !

Wechselstromes regeln. :

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die !

Regeleinrichtung eine Vorrichtung (47/51) zur Frequenzeinstellung besitzt, die sowohl an den ersten als auch den

zweiten Zähler gekoppelt ist und eine Einstellung der Frequen£

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der Taktimpulse ermöglicht, die der Kombinationslogik (41) zugeführt wird, und auf diese Weise eine entsprechende Regelung der Amplitude und der Frequenz des dreiphasigen Ausgangswechselstromes bewirkt.

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