DE3518059C2

DE3518059C2 - Frequenz-Steuerschaltung

Info

Publication number: DE3518059C2
Application number: DE3518059A
Authority: DE
Inventors: David Alan Fox
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1984-05-24
Filing date: 1985-05-20
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2005-05-21
Also published as: GB2159350A; JP2636835B2; DE3518059A1; FR2565046B1; US4618920A; GB8510186D0; GB2159350B; FR2565046A1; JPS60257774A

Description

Die Erfindung betrifft eine Frequenz-Steuerschaltung für ein elektrisches Stromversorgungssystem nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine solche Steuerschaltung ist aus der DE-OS 21 44 147 bekannt. Derartige Frequenz-Steuerschaltungen werden insbesondere zur Steuerung der Ausgangsfrequenz eines elektronischen Wechselrichters verwendet.

Wechselrichterschaltungen, beispielsweise in Stromversor gungssystemen mit Gleichstromanschluß (bspw. von einem Generator mit variabler Drehzahl und nachgeschaltetem Gleichrichter) und konstanter Ausgangsfrequenz (VSCF) enthalten Schalter, die nach einem festgelegten Schaltfolgemuster arbeiten, das durch einen Mikroprozessor oder einen anderen digitalen Schaltkreis er zeugt wird. Beide Systeme verwenden als Frequenzreferenz einen Kristalloszillator, um die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters in einem Bereich zu halten, der beispiels weise kleiner ist als 0,05% von 400 Hz. Bei gewissen Anwen dungen, beispielsweise in Stromversorgungssystemen für Flug zeuge, ist es wünschenswert, den Wechselrichter parallel mit einer anderen Quelle zu betreiben, beispielsweise einem Stromversorgungswagen des Flughafens. Damit das VSCF-System zeitweise parallel mit einer externen Stromquelle verwendet werden kann, um eine ununterbrochene Stromversorgung zu ge währleisten, ist es notwendig, den Ausgang des VSCF-Wechsel richters zur externen Energiequelle zu synchronisieren. Eine typische Energiequelle, wie sie auf Flughäfen verwendet wird, kann großen Frequenzänderungen unterworfen sein, beispiels weise ± 5% von 400 Hz. Um diesen Änderungen zu folgen, benötigt der VSCF-Wechselrichter ein Referenzsignal mit einer variablen Frequenz. Es sind zwar spannungsgesteuerte Kristalloszillatoren verfügbar, doch arbeiten diese im allge meinen nur über einen kleinen Bereich von beispielsweise ± 0,1%. Spannungsgesteuerte Oszillatoren ohne Kristalle (Quarz) können zwar so ausgelegt werden, daß sie einen be liebigen Frequenzbereich überstreichen; im Bereich von 3 bis 6 MHz verwenden spannungsgesteuerte Oszillatoren Varactor- Abstimmdioden in Resonanzkreisen, um die Frequenz abzustim men. Diese Schaltungen enthalten sehr kleine Kapazitäten und Induktivitäten und unterliegen daher Beschränkungen, die durch Layout und Schaltungsentwurf bedingt sind. Sie sind außerdem gegenüber den verwendeten Deckschichten und Feuchtigkeit empfindlich und benötigen eine Temperaturkompen sation. Spannungsgesteuerte Oszillatoren, die in Stromver sorgungsanlagen für Flugzeuge verwendet werden, sind daher relativ komplex und erfordern relativ viel Platz.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Frequenz-Steuerschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, deren Frequenz in einem Bereich von mehreren Prozent abstimmbar ist, und die auch bei hohen Frequenzen gegen äußere Störeinflüsse unempfindlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit der hier beschriebenen Frequenz-Steuerschaltung kann beispielsweise die Ausgangsfrequenz eines VSCF-Wechsel richters mit einer Stabilität eingehalten werden, die fast so gut ist wie bei Verwendung eines Kristall oszillators. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein von einem Kristall gesteuertes Taktsignal mit einem Signal geringer Frequenz kombiniert, das von einem Spannungs gesteuerten Oszillator erzeugt wird. Die Frequenz- Steuerschaltung erzeugt ein modifiziertes Taktsignal, indem die Taktimpulse des stabilen Taktsignals durch die Ausgangsimpulse des spannungsgesteuertes Oszillators gesperrt werden. Die Durchschnittsfrequenz des modifi zierten Taktsignals ist dann gleich der Differenz zwischen dem ursprünglichen Taktsignal und der Ausgangs frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators.

Wenn die Frequenz-Steuerschaltung zur Steuerung des Aus gangssignals eines Wechselrichters verwendet wird, stellt die an den spannungsgesteuerten Oszillator angelegte Steuerspannung den Unterschied zwischen der normalen Aus gangsfrequenz des Wechselrichters und der Frequenz einer externen Energiequelle dar. Die erfindungsgemäße Schal tung ermöglicht Frequenzanpassungen, ohne daß ein Haupt oszillator mit variabler Frequenz erforderlich wäre.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Frequenz- Steuerschaltung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Reihe von Wellenformen zur Erläuterung der Betriebsweise der Schaltung in Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Wechsel richters, in den die vorliegende Erfindung ein gebaut ist; und

Fig. 5 eine Kurve mit der Darstellung der Ausgangs charakteristiken der Schaltung nach Fig. 4,

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Frequenz- Steuerschaltung. Diese Schaltung enthält einen spannungs gesteuerten Oszillator (VCO) 10 mit einer relativ geringen Aus gangsfrequenz von beispielsweise 0 bis 10% der Ausgangs frequenz des Kristalloszillators 12. Der spannungsge steuerte Oszillator 10 empfängt an einer Eingangsklemme 14 eine Steuerspannung, beispielsweise eine Gleichspannung, und erzeugt ein Ausgangssignal mit einer Vielzahl von Spannungsimpulsen, die mit einer variablen Frequenz auf treten, und zwar abhängig von der angelegten Steuerspan nung. Ein erster bistabiler Schaltkreis, beispielsweise ein D-Flipflop Z1, empfängt das Ausgangssignal des span nungsgesteuerten Oszillators 10 an seiner Eingangs klemme C₁. An der Klemme 16 wird ein Signal mit logisch hohem Pegel aufrechterhalten, so daß der Dateneingang D₁ laufend ein Signal sieht, das logisch hoch liegt. Die VCO-Ausgangsimpulse setzen daher den Flipflop Z1 so, daß dessen Ausgang Q₁ hoch bleibt und einen zweiten bi stabilen Schaltkreis, wie beispielsweise D-Flipflop Z2 veranlaßt, sein Ausgangssignal Q₂ auf einen hohen logischen Pegel zu setzen, wenn der nächste Taktimpuls an der Eingangsklemme C₂ erscheint. Der Kristall oszillator 12 erzeugt ein Ausgangssignal, das eine Viel zahl von Spannungsimpulsen enthält, die mit einer festen Frequenz an der Klemme 18 erscheinen. Wenn der Ausgang Q₂ in seinen hohen logischen Pegel übergeht, nimmt Aus gang ₂ niederen logischen Pegel ein und setzt so den Ausgang Q₁ des Flipflops Z1 auf Null. Der nächste Taktimpuls schaltet dann den Ausgang Q₂ des Flipflops Z2 auf den Wert Null zurück. Der Ausgang Q₂ nimmt daher den hohen logischen Pegel für genau einen Zyklus der Takt frequenz ein, und zwar jedes Mal, wenn ein VCO-Ausgangs impuls erscheint.

Die logische Schaltung nach Fig. 1 erzeugt zwei Ausgänge an den Klemmen 20 bzw. 22. Wenn der gesteuerte Wechsel richter einen Mikroprozessor enthält, kann die Klemme 22 als ein ()- Ausgangssignal aufgefaßt werden, das mit dem Eingang "Ready" (bereit) des Mikroprozessors verbunden ist; das NOR-Glied Z3 wird dann nicht benutzt. Der Mikroprozessor geht dann in einen Wartezustand über, während sein Bereit-Eingang auf dem niedrigen logischen Pegel liegt, so daß ein Taktzyklus ausgelassen wird. Wenn der Wechselrichter einen digitalen Schaltkreis zur Er zeugung der Schaltmuster enthält, der ohne Mikroprozessor arbeitet, wird das NOR-Glied Z3 dazu verwendet, den Aus gang Q₂ und die Taktsignale an der Klemme 18 zu kombinie ren und so ein modifiziertes Taktsignal zu erzeugen, in dem die Spannungsimpulse des Taktsignals vom Kristall oszillator 12 zur Ausgangsklemme 20 gegeben werden, daß jeder Spannungsimpuls des Taktsignals, der unmittelbar auf einen Spannungsimpuls im Ausgangssignal des span nungsgesteuerten Oszillators 10 folgt, gesperrt wird. Die modifizierten Taktsignale, die an der Klemme 20 er scheinen, überspringen daher den nächsten vollen Takt impuls, nachdem ein Ausgangsimpuls des spannungsgesteuer ten Oszillators 10 empfangen wurde. Bei dieser Schaltung sind keine Halb-impulse oder Spannungsspitzen möglich, da nur volle Impulse durch das NOR-Glied Z3 durchge lassen werden. Wenn die Frequenz des Kristalloszilla tors 12 den Wert f_c aufweist und die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 10 f_v ist, so hat die modifizierte Taktfrequenz f₀ den Wert f_c-f_v.

Fig. 2 zeigt eine Reihe von Wellenformen, mit denen die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 1 erläutert wird. Die Wellenform 24 von Fig. 2 stellt den Ausgang des Kristalloszillators 12 dar und enthält eine Vielzahl von Spannungsimpulsen, die mit einer festen Frequenz auf treten. Die Wellenform 26 zeigt den Ausgang des Spannungs gesteuerten Oszillators 10 und enthält eine Vielzahl von Spannungsimpulsen, die mit einer variablen Frequenz auf treten, und zwar abhängig von der an die Klemme 14 ange legten Steuerspannung. Die Wellenform 28 zeigt den logi schen Pegel des Ausgangs Q₁ und des Eingangs D₂. Die Wellenformen 30 und 32 zeigen die logischen Pegel der Ausgangsklemmen Q₂ bzw. ₂ des Flipflops Z2. Die Wellen form 34 stellt das modifizierte Taktausgangssignal dar, das an der Ausgangsklemme 20 erscheint. Bei der Unter suchung der Wellenformen in Fig. 2 stellt man fest, daß beim Auftreten eines Impulses am Ausgang des Spannungs gesteuerten Oszillators 10 der Ausgang Q₁ des Flipflops Z1 in den hohen logischen Pegel übergeht, bis der nächste Taktimpuls in der Wellenform 24 erscheint. Zu dieser Zeit geht Q₁ wieder in den niederen logischen Pegel über, während Q₂ den hohen logischen Pegel einnimmt und dort verbleibt, bis der nächste Taktimpuls erscheint. Wenn Q₂ hoch liegt, verhindert das invertierte ODER-Glied NOR Z3 den Durchgang der Taktimpulse des Kristalloszillators 12. In Fig. 2 ist der gestrichelte Taktimpuls 36 gesperrt worden. Das modifizierte Taktsignal an der Ausgangsklemme 20 hat daher eine mittlere Frequenz, die gleich ist der Ausgangsfrequenz des Kristalloszillators 12 minus der Aus gangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 10.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform enthält der spannungsgesteuerte Oszilla tor 10 einen Funktionsgenerator Z5, Widerstände R1, R2 und R3 sowie Kapazitäten C2 und C3. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 10 gelangt durch den Kondensator C1 zur Ein gangsklemme des Flipflops Z4A. In diesem Ausführungs beispiel wird die Versorgungsspannung an die Klemme 38 angelegt und die Flipflop-Schaltkreise Z4A und Z4B sind identisch Z1 und Z2 von Fig. 1. Der Schaltfolgemustergenerator 40 empfängt das modifizierte Takt signal vom NOR-Glied Z3 und erzeugt an seinen Klemmen 42, 44, 46, 48, 50 und 52 eine Schaltfolge für die Schalter eines Dreiphasenwechselrichters. In die sem Ausführungsbeispiel enthält der Schaltfolgemustergenerator 40 einen Digitalschaltkreis ohne Mikroprozessor. Wäre ein Mikroprozessor enthalten, würde die Ausgangsklemme ₂ in der oben beschriebenen Weise mit dem Bereit (Ready)- Eingang des Mikroprozessors verbunden. Tabelle I zeigt typische Beispiele für die Komponenten, die in der Schal tung nach Fig. 3 verwendet werden können.

Komponenten im Schaltdiagramm der Fig. 3
CR1\|1N914
C1, C2, C3	0,001 µF
R1, R3	2 K Ohm
R2	1 K Ohm
Z3	5402 TTL NOR-Glied
Z4	5474 TT1 D Flipflop
Z5	566 Funktionsgenerator

Fig. 4 ist ein teilweise in schematischer Form ausge führtes Blockdiagramm eines Gleichstromwechselrichters mit einer Frequenzsteuerschaltung gemäß der vorliegen den Erfindung. In diesem System erzeugt ein Generator 42 einen Wechselstrom, der durch eine Brückenschaltung 44 gleich gerichtet wird, um an den Gleichstromverbindungs leitungen 46 und 48 eine Gleichspannung zu erzeugen. Eine Transistorschalter 71-76 in einem Schaltnetz werk 50 werden durch einen Schaltfolgemustergenerato 40 gesteuert, um die Ausgänge des Netzwerks 50 zwischen den Gleichspan nungsverbindungsleitungen alternativ zu schalten. Ein Spannungsregler 58 fühlt die Spannung an den Ausgangs leitungen hinter dem Ausgangsfilter 60 ab und steuert die Gleichspannung durch entsprechende Einstellung des Erregerstroms im Generator 42. Wenn die Ausgangsleitungen des Wechselrichters parallel zu einer externen Spannungs quelle geschaltet werden sollen, fühlt ein Referenzspan nungsgenerator 62 die Frequenz der externen Quelle an den Klemmen 64 und 66 ab und erzeugt eine Steuerspannung an der Klemme 14, die den Unterschied zwischen der Fre quenz der externen Spannungsquelle und der normalen Aus gangsfrequenz des Wechselrichters darstellt. Die Frequenz steuerung 68, die entsprechend Fig. 1 oder Fig. 3 ausge legt sein kann, erzeugt ein modifiziertes Taktsignal oder ein Wartesignal entsprechend der Schaltung in dem Schalt folgemustergenerator und modifiziert so die Ausgangsfre quenz des Schaltfolgemustergenerators 40, um sie an die Fre quenz der externen Spannungsquelle anzupassen. Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, in der die Ausgangsfre quenz des spannungsgesteuerten Oszillators und die Grund frequenz der Umschaltfolge in dem Wechselrichter in Ab hängigkeit von der Steuerspannung an Klemme 14 aufgetragen sind.

Aus der bisherigen Beschreibung wird deutlich, daß bei der Parallelschaltung eines Wechselrichter-Spannungs versorgungssystems mit einer Frequenz-Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer externen Spannungs quelle diese das gesamte System steuert. Die Frequenz steuerung ermöglicht es, die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters anzupassen, ohne daß ein variabler Takt geber für die Hauptfrequenz erforderliche wäre. Die Genauigkeit der modifizierten Ausgangsfrequenz des Wechselrichters hängt dann von der Genauigkeit des Steuerspannungsdifferenzsignals und des Ausgangs des spannungsgesteuerten Oszillators ab. Da der VCO-Oszilla tor nur mit einem Bruchteil der Frequenz des Haupt taktoszillators arbeitet, ist die Stabilität des modifizierten Taktsignals fast so gut wie die des Kristalloszillators. Mit der vorliegenden Erfindung wird somit die Steuerung der Frequenz beliebiger takt gesteuerter Schaltkreise über einen relativ engen Bereich ermöglicht und gleichzeitig die grundlegende Genauigkeit des ursprünglichen Taktes beibehalten.

Claims

1. Frequenz-Steuerschaltung für die Ansteuerung der Schalter in einem Wechselrichter einer Wechselstrom-Versorgungs einrichtung, dessen Ausgangsfrequenz bestimmt wird von der variablen Ausgangs-Pulsfrequenz eines Spannungs gesteuerten Oszillators, gekennzeichnet durch
einen Oszillator (12), der ein Taktsignal mit fester Pulsfrequenz abgibt,
Vorrichtungen (Z1, Z2, Z3), die aus dem Taktsignal ein modifiziertes Taktsignal dadurch erzeugen, daß jeder Impuls des Taktsignals, der unmittelbar auf einen Impuls des spannungsgesteuerten Oszillators (10) folgt, gesperrt wird,
wobei das modifizierte Taktsignal über einen Schaltfolge mustergenerator (40) die Schaltfolge der Schalter (71-76) des Wechselrichters und somit dessen Ausgangsfrequenz bestimmt.

2. Frequenz-Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisierung der Ausgangsfrequenz des Wech selrichters mit einer Frequenz einer anderen Wechsel spannungsquelle, die etwas kleiner als die Ausgangs frequenz des Wechselrichters bei nicht modifiziertem Taktsignal ist, die Differenz der Ausgangsfrequenzen zwischen dem Wechselrichter und der anderen Wechsel spannungsquelle eine Steuerspannung erzeugt zur Steue rung der Ausgangs-Impulsfrequenz des spannungsgesteuer ten Oszillators.

3. Frequenz-Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (Z1, Z2, Z3) zur Erzeugung des modifizierten Taktsignals erste und zweite D-Flipflops (Z1, Z2) aufweisen, wobei das erste Flipflop (Z1) eine Dateneingangsklemme (16-D1) aufweist, eine Takteingangsklemme (C₁), eine Klemme zum Rücksetzen des Flipflops (CLR) und eine Ausgangsklemme (Q₁), daß die Dateneingangsklemme (16-D1) des ersten Flipflops (Z1) mit einem hohen logischen Signalpegel verbunden ist und seine Takteingangsklemme (C1) das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (10) empfängt, daß das zweite Flipflop (Z2) eine Dateneingangsklemme (D₂) aufweist, eine Takteingangsklemme (C₂), eine Eingangsklemme zum Rückstellen, eine Ausgangsklemme (Q₂) und eine invertierte Ausgangsklemme (₂), wobei die Dateneingangsklemme (D2) mit der Ausgangsklemme (Q₁) des ersten Flipflops (Z1) verbunden ist, die Takteingangsklemme (C2) mit dem Taktsignal und die invertierte Ausgangsklemme () mit der Rücksetzklemme (CLR) des ersten Flipflops (Z1), daß ein invertiertes ODER-Glied (Z3) mit zwei Eingangsklemmen und einer Ausgangsklemme (20) vorgesehen ist, wobei die Ausgangsklemme (Q₂) des zweiten Flipflops (Z2) mit einem Eingang des invertierten ODER-Glieds (Z3) verbunden ist und dessen andere Eingangsklemme das Taktsignal empfängt, so daß an der Ausgangsklemme (20) des invertierten ODER-Gliedes (Z3) das modifizierte Taktsignal erscheint.

4. Frequenz-Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kristalloszillator (12) zur Erzeugung des Taktsignals vorgesehen ist.