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Impulsgeber für mehrphasige Stromrichter, insbesondere für mehrphasige
fremdgeführte Wechselrichter Für zahlreiche Anwendungen von Wechselstrom oder Drehstrom,
beispielsweise in der Antriebstechnik zur Speisung von Synchron- oder Asynchronmotoren
veränderbarer Drehzahl oder in der Fernwirktechnik zum Betrieb einer Rundsteuerung
in Verteilernetzen, insbesondere in Hochspannungsanlagen, benötigt man Wechselstrom
oder Drehstrom mit einer netzfremden Frequenz. Diese Frequenz kann dabei ein Vielfaches
der Netzfrequenz betragen. Zur Erzeugung dieser Wechselströme verwendet man häufig
Umrichter, die aus einem Gleichrichter, einem Gleichstromzwischenkreis und einem
fremdgeführten Wechselrichter zusammengesetzt sind.
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Dieser Wechselrichter ist mit einem Steuergerät verbunden, das die
erforderlichen Steuerimpulse erzeugt. Die gewünschte Impulsfolge dieses Steuergerätes,
die die Frequenz des zu erzeugenden Wechselstromes bestimmt, kann durch einen Impulsgeber
beliebiger Art vorgegeben werden. Hierbei ist es möglich, auch mehrere, an verschiedenen
Stellen befindliche Wechselrichter in der Weise zu betreiben, daß sie von einem
gemeinsamen Impulsgeber gleichzeitig gesteuert werden. .
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In zahlreichen Anwendungsfällen muß der Wechselrichter einen Dreiphasenstrom
liefern, er muß also dreiphasig ausgebildet sein. Da ein Impulsgeber aber gewöhnlich
einphasig ausgeführt ist, muß eine weitere Einrichtung vorgesehen werden, die aus
der Impulsreihe des Einphasen-Impulsgebers drei drehstromsymmetrische Impulsreihen
aufbaut.
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Eine bekannte Möglichkeit, einen dreiphasigen Impulsgeber herzustellen,
bietet die Anwendung einer sogenannten Phasenbrücke, mit der eine Einphasenspannung
in ihrer Phasenlage um 120 bzw. 240° e1. geschwenkt werden kann. Da derartige Phasenbrücken
jedoch immer Kombinationen von Widerständen, Induktivitäten und Kondensatoren sind,
ist die Phasenlage der mit ihnen gebildeten Wechselspannungen last- und spannungsabhängig.
Ferner ist die relative Phasenlage der erzeugten Spannungen zueinander noch frequenzabhängig.
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Diese Schwierigkeiten lassen sich umgehen, wenn man mechanisch wirkende
Taktgeber anwendet. Diese Taktgeber können z. B. bestehen aus einer mit einem Synchronmotor
angetriebenen Lochscheibe, die mittels Fotozellen abgetastet wird. Diese Impulsgeber
arbeiten mit großer Genauigkeit. Sie lassen sich so ausbilden, daß sie drei drehstromsymmetrische
Impulsreihen erzeugen. Sie sind indessen verhältnismäßig kompliziert und erfordern
einen ständig laufenden Antriebsmotor.
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Es ist deshalb anzustreben, einen Impulsgeber für die drei symmetrischen
Impulsreihen oder gegebenenfalls auch das Mehrfache dieser Impulsreihen auf einer
anderen Basis, und zwar mit ruhenden Anordnungen aufzubauen.
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Die Erfindung sieht zur Bildung von 6 m symmetrisch phasenversetzten
Impulsreihen der Frequenz f aus einer Einphasenwechselspannung der Frequenz
3 mf, wobei m eine ganze Zahl ist, einen der Impulsbildung dienenden,
über eine Drosselspule an die Einphasenwechselspannung angeschlossenen Sättigungstransformator
mit einer sekundären Wicklung mit Mittelanzapfung zur Bildung von zwei entgegengesetzt
gleichen Impulsen zeitlich abwechselnder Polarität und zwei an die sekundären Wicklungsenden
angeschlossenen Halbleiterdioden zur Unterdrückung der Impulse der einen Polarität
und Bildung von zwei Impulsreihen mit 180° e1. Phasenversetzung und weiterhin einen
über zwei mit den Halbleiterdioden mittels zwei Steuerleitungen in Verbindung stehenden,
aus bistabilen Kippstufen und damit verbundenen »Und«-Gliedern gebildeten 6 m-gliedrigen
Zählring vor, dessen Glieder durch die Impulse des Sättigungstransformators nacheinander
aus ihrer Grundstellung in ihre Arbeitsstellung und damit zur Abgabe eines Spannungsimpulses
gebracht werden, wobei die Zählglieder mittels einer verzögerten Rückstellung in
Gruppen nacheinander wieder in ihre Grundstellung gebracht werden.
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Unter Arbeitsstellung der Zählglieder wird dabei diejenige der bistabilen
Kippstufen verstanden, die zur Abgabe einer Spannung an dem gezeichneten Ausgang
führt, während in der Grundstellung keine Spannungsabgabe stattfindet. Die Wechselspannungsquelle
zur Erzeugung der einphasigen Wechselspannung kann auch einem selbsterregten Röhrengenerator
mit Rückkopplung seines Schwingkreises bestehen,
sie kann aber auch
als ein ruhender Frequenzvervielfacher, dessen Eingangsspannung eine einphasige
Wechselspannung der Frequenz f ist, ausgebildet sein.
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Ein Beispiel einer Ausführung eines Impulsgebers nach der Erfindung
ist in F i g. 1 wiedergegeben. In diesem Beispiel handelt es sich um einen Impulsgeber
für den Betrieb eines sechspulsigen Wechselrichters, so daß die Zahl der zu bildenden
Impulsreihen 6 m = 6 und damit m = 1 beträgt. Dementsprechend ist die Frequenz der
erforderlichen einphasigen Wechselspannungsquelle = 3 f, wenn f die Frequenz jeder
der 6 Impulsreihen ist. Die Versetzung der Phase je zweier aufeinanderfolgender
Impulsreihen beträgt 60° e1.
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In F i g. 1 bedeutet 1 eine Drosselspule annähernd konstanter Induktivität
und 2 ein aus einer Primärwicklung, einer mit Mittelanzapfung ausgeführten Sekundärwicklung
und einem Kern mit rechteckförmiger Magnetisierungsschleife gebildeten Sättigungstransformator.
Die Drosselspule und die Primärwicklung des Transformators sind, in Reihe geschaltet,
an eine Wechselspannung der Frequenz 3 f angeschlossen.
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An der Primärwicklung dieses Transformators entsteht in bekannter
Weise eine Spannung, die aus abwechselnd positiven und negativen kurzen Spannungsimpulsen
besteht. Infolgedessen können an den Wicklungsenden der Sekundärwicklung Spannungen
abgenommen werden, die gegen den Mittelpunkt gemessen entgegengesetzt gleich sind
und ebenfalls aus abwechselnd positiven und negativen Spannungsimpulsen bestehen.
An die sekundären Wicklungsenden sind Halbleiterdioden 3 so angeschlossen, daß hinter
diesen nur noch negative Spannungsimpulse erscheinen, wobei die eine Impulsreihe
gegen die andere symmetrisch, also um l80° e1. phasenversetzt ist, wenn die Periodendauer
jeder Impulsreihe mit 360° e1. bezeichnet wird. Diese Spannungsimpulse, die über
Leitungen a und b weitergeleitet sind, dienen zur Steuerung der einzelnen
Glieder des Impulsgebers, durch welchen die Bildung der sechs gleichmäßig phasenversetzten
Impulsreihen erfolgt.
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Die Bestandteile des Impulsgebers sind neun bistabile Kippstufen 4
bis 12 und ebenso viele »Und«-Glieder 13 bis 21. Die Kippstufen und die »Und«-Glieder
können beispielsweise aus Schalttransistoren in an sich bekannten Schaltungen gebildet
sein. Die Kippstufen und die »Und«-Glieder sind so geschaltet, daß sie einen Zählring
bilden. Die Ausgänge der letzten sechs »Und«-Glieder 16 bis 21 führen zu den Anschlußklemmen
G1 bis G6, an die ein nicht wiedergegebenes Gittersteuergerät zur Lieferung der
Gitterspannungsimpulse des Wechselrichters angeschlossen ist.
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Durch eine Spannung am rechten Eingang jeder Kippstufe wird diese
in ihre Grundstellung gebracht. Dies ist, wie bereits gesagt, derjenige Kippzustand,
in welchem die Kippstufe an dem gezeichneten Ausgang keine Spannung abgibt. Durch
eine Spannung am linken Eingang der Kippstufe wird diese in ihre Arbeitsstellung
gebracht, also in denjenigen Kippzustand, in welchem die Kippstufe eine Spannung
an ihrem Ausgang und damit an das daran angeschlossene »Und«-Glied abgibt.
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Die ersten drei Kippstufen dienen dem Einlauf des Impulsgebers nach
der ersten Einschaltung, während die weiteren sechs Kippstufen zur Abgabe der sechs
Impulsreihen führen. Zur Rückstellung der Kippstufen in ihren Grundzustand dienen
drei Rückstellkreise mit Verzögerungsgliedern 22 bis 24.
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Der Impulsgeber arbeitet nun folgendermaßen: Der erste Spannungsimpuls
an Leitung a bringt die Kippstufe 4 in ihre Arbeitsstellung, wodurch diese
eine Spannung an den einen Eingang des »Und«-Gliedes 13 abgibt. Nach Erscheinen
des zweiten Spannungsimpulses an Leitung b läßt dieses »Und«-Glied 13 den Spannungsimpuls
an die Kippstufe 5 durch, die dadurch in ihre Arbeitsstellung gelangt, wodurch eine
Spannung an das »Und«-Glied 14 abgegeben wird. Dieses Spiel setzt sich in der beschriebenen
Weise weiter fort, so daß nacheinander alle Kippstufen in ihre Arbeitsstellung gebracht
werden.
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Bei Erscheinen des fünften Spannungsimpulses an dem »Und«-Glied 16
wird der erste Spannungsimpuls an die Klemme G1 abgegeben. Danach folgen die Spannungsimpulse
an den weiteren Klemmen bis zur Klemme G, in gleichmäßigen Zeitabständen.
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Mit Erscheinen des sechsten Spannungsimpulses an dem »Und«-Glied 17
entsteht ein Spannungsimpuls, der außer an die Klemme G2 über das Verzögerungsglied
22 an die rechten Eingänge der ersten fünf Kippstufen 4 bis 8 gegeben wird. Hierdurch
werden mit einer kurzen Verzögerungszeit, die beispielsweise etwa 30° e1. beträgt,
also etwa gleich dem halben Impulsabstand ist, alle fünf Kippstufen 4 bis
8 in ihre Grundstellung zurückgestellt.
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Infolge dieser Rückstellung beginnt mit Erscheinen des nächsten Spannungsimpulses
des Transformators an Leitung a an dem »Und«-Glied 18 das Kippen der Kippstufen
4 bis 8 in der vorhin beschriebenen Reihenfolge aufs neue.
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Inzwischen werden im Anschluß an das Kippen der Kippstufe 9 in der
gleichen Reihenfolge die weiteren Stufen 10, 11 und 12 in ihre Arbeitsstellung gekippt.
Infolge der getroffenen Wahl der Anzahl der Kippstufen 4 bis 7 wird nun erreicht,
daß nach Kippen der Stufe 12 als nächstfolgende Stufe die Kippstufe 7 in ihre Arbeitsstellung
gekippt wird, so daß auf den Impuls an Klemme G8 ordnungsgemäß der Impuls an der
Klemme G1 folgt.
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Die Kippstufen 9 und 10 werden über das Verzögerungsglied 23, die
Kippstufen 11 und 12 über das Verzögerungsglied 24 in die Grundstellung zurückgekippt.
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Der Impulsgeber besteht hiernach aus dreimal 2 Kippstufen mit den
zugehörigen dreimal 2 »Und«-Gliedern und drei Rückstellkreisen, wobei den ersten
zwei Kippstufen, nämlich 7 und 8, noch drei Kipp= stufen 4, 5, 6 mit »Und«-Gliedern
13, 14, 15 für den Anlaufvorgang vorgeschaltet sind.
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Es kann die Notwendigkeit bestehen, den Impulsreihen, die an den Klemmen
G1 bis G6 abgegeben werden, eine feste zeitliche Zuordnung zu einer gegebenen Spannung
der Grundfrequenz f zu erteilen. Diese Notwendigkeit ist beispielsweise gegeben,
wenn in Rundsteueranlagen mehrere Umrichter an verschiedenen Orten in das Hochspannungsnetz
einspeisen sollen. In solchen Fällen müssen die Umrichter, um Wechselspannungen
übereinstimmender Frequenz zu erzeugen, von einer zentralen Stelle aus gesteuert
werden. Die Wechselspannungen sollen aber auch die gleiche Phasenlage haben, um
in Überschneidungsgebieten des Netzes, in denen die Spannungen von zwei oder mehreren
Umrichtern wirksam sind, eine Spannungsaddition zu erhalten.
Die
Wechselrichterspannung hat in bezug auf die Steuerspannung der Frequenz f keine
eindeutige Phasenlage. Dies ist in F i g. 2 deutlich gemacht. Darin stellen die
mit g und h bezeichneten Impulsreihen die durch Striche angedeuteten negativen Spannungsimpulse
der Frequenz 3 f dar, die gemäß F i g. 1 über die Gleichrichterventile 3 an den
Kippstufen und »Und«-Gliedern des Impulsgebers anstehen. Darüber sind zwei um 180°
e1. versetzte Impulsreihen c und d der Grundfrequenz f, die aus einer Wechselspannung
dieser Frequenz abgeleitet sein sollen, dargestellt.
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Es ist nun unentschieden, ob nach Einschalten des Impulsgebers auf
das Gitter G1 des Wechselrichters der Impuls 1, 3 oder 5 einwirkt. Das hängt nur
vom zufälligen Einschaltaugenblick des Zählers ab. Die Phasenlage der Ausgangsspannung
des Umrichters kann daher gegenüber der Steuerung um 120 oder 240° e1. verschoben
sein. Damit eine eindeutige Zuordnung entsteht, muß also dafür gesorgt werden, daß
unabhängig vom Einschaltaugenblick der Impuls 1 beispielsweise auf den Ausgang G1
gegeben wird.
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Diese eindeutige Zuordnung kann nach einer Weiterentwicklung der Erfindung
durch die in F i g. 3 gezeigte Einrichtung erreicht werden. Wie darin zu ersehen
ist, sind die Impulse g dem rechten Eingang einer Kippstufe 25 zugeführt, während
die Impulse c über ein Verzögerungsglied 26 dem linken Eingang der Kippstufe 25
zugeleitet sind. Die Ausgangsspannung der Kippstufe 25 ist mit dem einen Eingang
eines »Und«-Gliedes 27 verbunden, während die Impulsspannung an der in F i g. 1
ersichtlichen Klemme G", also die Ausgangsspannung des »Und«-Gliedes 17, mit dem
anderen Eingang des »Und«-Gliedes 27 verbunden ist. Der Ausgang des »Und«-Gliedes
27 bildet nun über das Verzögerungsglied 22 der F i g. 1. den Rückstellkreis der
Kippstufen 4 bis B.
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Durch diese Einrichtung nach F i g. 3 ist die Rückstellung dieser
Kippstufen 4 bis 8 nur durch den Steuerimpuls h möglich, der in Koinzidenz
mit der von der Kippstufe 25 abgegebenen Spannung ist. Das ist in der gezeigten
Zuordnung der F i g. 2 der Impuls 2. Damit ist aber auch gewährleistet, daß auf
Ausgang G, immer der Impuls 1 der Impulsreihe g, auf G, der Impuls 2 usw. gelangt.
Die Phasenlage der Umrichterausgangsspannung ist durch diese Maßnahme der Phasenlage
der Spannung der Grundfrequenz fest zugeordnet.