DE1246105B - Vorrichtung zur Umformung einer Gleichspannung in ein- oder mehrphasige Wechselspannungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H 02 m

H02p

Deutsche Kl.: 21 d2 -12/04

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

S 93550 VIII b/21 d2
30. September 1964
3. August 1967

Elektrische Drehfeldmaschinen können mit veränderbarer Drehzahl betrieben werden, wenn sie mit Drehstrom veränderbarer Frequenz gespeist werden oder wenn so in den Sekundärstromkreis eingegriffen wird, daß sich der gewünschte Schlupf einstellt. Neben der Drehzahl lassen sich durch geeignete Regel- oder Steuereinrichtungen auch das Moment, die Wirk- und Blindleistung sowie die Spannung beeinflussen· und verändern. Drehstrom-Regelsätze, welche die angedeuteten Aufgaben mehr o.der wenfger vollkommen lösen, sind bekannt; sie arbeiten mit Zusatz- und Hilfsmaschinen. Die wirtschaftlichen und technologischen Grenzen für ihre Anwendung sind durch den baulichen Aufwand und die elektrischen und mechanischen Trägheiten gegeben.

Der Einsatz von ruhenden elektronischen Einrichtungen, wie z. B. Transduktoren oder Stromrichtern, eröffnet Möglichkeiten für die Vereinfachung solcher Anlagen. Um die Vorteile dieser Einrichtungen, die vor allem auf ihrer geringen Trägheit und der guten Anpaßbarkeit beruhen, auch ausnutzen zu können, ist eine Steuereinrichtung erforderlich, die ebenfalls verzögerungsfrei arbeitet und alle benötigten EinfLußgrößen¹ möglichst freizügig auf niedrigem Leistungsniveau zu verändern erlaubt. Ein wichtiges Bindeglied zwischen einer Regel- oder Steuereinrichtung und den direkt auf die Maschine einwirkenden elektronischen Stellgliedern ist ein Drehstromgenerator, dessen Frequenz, Amplitude, Phasenlage und Drehrichtung voneinander unabhängig und verzögerungsfrei eingestellt werden können.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umformung einer Gleichspannung in ein- oder mehrphasige Wechselspannungen mit Hilfe von ruhenden, kontaktlosen, steuerbaren Bauelementen, und die Erfindung besteht in der Anwendung eines Analog-DigitaL-Wandlers zur Umwandlung einer einstellbaren Gleichspannung in eine Spannungsimpulsfolge mit einer der einstellbaren Gleichspannung proportionalen Impulsfolgefrequenz, eines diesem Analog-Digital-Wandler nachgeschalteten, wahlweise in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung fortschaltbaren Schrittschaltwerkes, mindestens eines Digital-Analog-Wandlers zur Bildung je einer einphasigen, angenähert sinusförmigen Wechselspannung sowie von Mitteln zur Amplitudensteuerung der Wechselspannung der einzelnen Digital-Analog-Wandler.

Die Frequenz und die Phasenlage der Wechselspannungen der einzelnen Digital-Analog-Wandler sind durch die Impulsfolgefrequenz des Digital-Analog-Wandlers und die Stufenzahl des Schrittschaltwerkes bestimmt.

Vorrichtung zur Umformung
einer Gleichspannung in ein-
oder mehrphasige Wechselspannungen

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Josef Wolf, Erlangen

Zur optimalen Annäherung der Wechselspannungen der einzelnen Digital-Analog-Wandler an die Sinusfunktion ist die Anzahl der Stufen sowohl des Schrittschaltwerkes als auch des bzw. der Digital-Analog-Wandler möglichst groß gewählt.

Die Wechselspannungen der einzelnen Digital-Analog-Wandler sind aus einzelnen Elementarbereichen aufgebaut, welche vom Schrittschaltwerk jeweils in der erforderlichen Ordnung nacheinander auf Grund von nach dem Binärcode arbeitenden Schaltkombinationen -mittels des abgestufte Widerstände enthaltenden Digital-Analog-Wandlers gebildet werden.

Für die Erzeugung einer Drehspannung wird eine volle Sinuswelle in sechs oder zwölf Wertbereiche aufgeteilt, die durch 'einzelne Geraden oder Hyperbelabschnitte annähernd nachgebildet werden.

Jeder der sechs oder zwölf Wertberedche der vollen Sinuswelle wird mit einem Binärzähler nachgebildet, dessen komplementäre Ausgänge an hyperbolische Digital-Analog-Wandler für die Darstellung von zwei um 120° zeitlich versetzte Phasen angeschlossen sind, und der Funktionswert für die dritte Phase wird aus der Symmetriebedirtgung als Summe der Funktionswerte der beiden anderen Phasen mit umgekehrten Vorzeichen abgeleitet.

Der Binärzähler schaltet nach jedem Durchlauf eines Sinuswertebereiches das aus einem weiteren Zähler mit zugeordnetem Verteilungsgatter bestehende Schrittschaltwerk für die Darstellung der Kombination des nächsten Sinuswertebereiches um eine Stuf e weiter.

Weitere Einzelheiten der Erfindung und beispielsweise Ausführungsformen für?, den Aufbau eines

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Drehstromgenerators aus kontaktlosen ruhenden, weils um einen Schritt weiter. Diese SchrittschalteJn-

steuerbaren Bauelementen werden nachstehend an richtung hat die Aufgabe, nacheinander die nach der

Hand der Zeichnung näher erläutert. Sinusfunktion gestuften Leitwerte dreier Digital

Mit digitalen Steuerbausteinen lassen sich reelle Analog-Wandler 5, 6, 7 durchzuschalten. Die Schritt-Funktionen' mittels eines Schrittschaltwerks darstel- 5 schalteinrichtung kann ein linearer Zähler in Form len, das nacheinander auf die Funktionswerte ab- eines Schieberegisters sein oder auch aus einem gestimmte Widerstände in elektrischen Netzwerken Binärzähler mit nachgeschaltetem Gatter aufgebaut zu- und abschaltet. Durch die fortlaufende Zu- und werden, das: jeweils nach dem vorhandenen Zähler-Abschaltung solcher Widerstände oder Widerstands- stand eine diesem zugeordnete Schaltverbindung herkombinationen können zeitlich veränderliche Funk- io stellt. Am Ausgang der Digital-Analog-Wandtionen durch stufenförmig veränderte elektrische ler 5, 6, 7 sind drei Phasen R, S und T des Dreh-Größen annähernd nachgebildet werden. Die An- Stroms entnehmbar. Die drei Phasen sind um n/3 Stunäherung an den stetigen Funktionsablauf ist um so fen gegeneinander versetzt (n = Anzahl der Stufen besser, je mehr und je feiner unterteilte Stufen vor- je Vollwelle), so daß dadurch eine Phasenverschiehandensind. 15 bung von 120° für die einzelnen Phasen zustande

Drei miteinander verkettete sinusförmige Span- kommt. Mit Hilfe einer Umschalteinrichtung 3 wird nungen eines Drehstromsystems können mit einem die Schrittschalteinrichtung 2 veranlaßt, nach vor-Schrittschaltwerk, z. B. einem Drehwähler oder einer wärts oder rückwärts fortzuschalten, wodurch die elektronischen Schalteinrichtung, aufgebaut werden, Phasenfolge des Drehstromsystems vorgegeben wird, das gleichzeitig drei den verschiedenen Phasen zu- ao Die Amplitude der einzelnen Phasenspannungen geordnete und nach den Funktionswerten der Sinus- wird durch eine Amplitudensteuereinrichtung 4 befunktion gestufte Leitwerte an Spannung legt. Durch stimmt. Mit dieser wird über einen nicht dargestellpassende Wahl der Polarität der Spannungen und ten symmetrierten Gleichspannungsverstärker die der Leitwerte für die einzelnen Phasen lassen sich Speisespannung der Digitäl-Analog-Wandler 5, 6 Ströme erzeugen, die zusammen das gewünschte 25 und 7 auf einen einstellbaren Wert festgelegt. Da die Drehstromsystem bilden. Der Aufwand für eine Frequenz, und die Phasenlage der Ausgangsspaniiunsolche Anordnung ist sehr groß, wenn jeder Stufe gen von der Frequenz der Impulsspannung des ein Schaltschritt mit einem eigenen abgestuften Analog-Digital-Wandlers 1 und der Stufenzahl der Widerstand zugeordnet wird. Schrittschalteinrichtung 2 abhängen, sind somit alle

Eine Verringerung des Aufwands und eine Ver- 30 charakteristischen Größen des Drehstromsystems

besserung der Genauigkeit ist jedoch durch Aus- einstellbar.

nutzung der Symmetrieeigenschaften und durch Ver- Um eine brauchbare, genügend feinstufige Anwendung einer kodierten Schalteinrichtung mit mehr- näherung der Ausgangsspannungen an die Sinusfunkfacher Verwendung der abgestuften Widerstände er- tion zu erhalten ist die Anzahl der Stufen sowohl reichbar. Mit einer η-stufigen Schalteinrichtung las- 35 der Schrittschalteinrichtung als auch der Digitalsen sich nach dem Binärcode der Reihe nach 2" Analog-Wandler möglichst groß zu wählen.
Schaltkombinationen herstellen. Werden an die ver- Unterteilt man den Bereich einer vollen Sinusschiedenen Schalter Leitwerte angeschlossen, so welle, wie F i g. 4 veranschaulicht, in sechs gleiche läßt sich ein sinnvoller, fünktioneller Zusammen- Abschnitte I bis VI, so wiederholt sich die Wellenhang der Ausgangsgröße mit der Anzahl der Ein- 40 konfiguration in jedem Abschnitt mit wechselndem gangsschaltschritte nur herstellen, wenn die Leit- Vorzeichen. Betrachtet man den Bereich I, so durchwerte nach der binären Potenzreihe 2", wobei laufen die Phasen R und T den gleichen Wertebe- n = 0,1,2, 3 ... (n — 1), gestuft und die Werte den reich A gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung, entsprechenden Schaltschritten zugeordnet sind. Auf Nähert man den Bereich von 0 bis 60°. der Sinuslinie diese Art läßt sich eine lineare Funktion, die Zahlen- 45 (Bereich I) durch einen Hyperbelabschnitt an₅ so gerade darstellen, auf Grund der die einzelnen können zur Nachbildung gleichartige Digital-Analög-Wertebereiche der Sinusfunktion aus geradlinigen Ab- Wandler eingesetzt werden, die im Bereich I durch schnitten zusammensetzbar sind. An Stelle eines die komplementären Ausgangswerte des gleichen linearen Digital-Analog-Wandlers mit nach F i g. 1 binärkodierten Zählers ansteuerbar sind. Da es für abgestuften Widerständen ist es aber vorteilhaft, zur 50 die weitere Verarbeitung der Ausgangsspannungen besseren Nachbildung der Sinusfunktion einen Digi- der Digital-Analog-Wandler ohnehin günstig ist, den tal-Analog-Wandler mit hyperbolischem Verlauf an- Wandlern Verstärker nachzuschalten, kann der zuwenden. Ein solcher hyperbolischer Digital- Funktionswert für die Phase S im Bereich I aus den Analog-Wandler läßt sich aus dem linearen Digital- am Verstärkerausgang mit umgekehrtem Vorzeichen Analog-Wandler durch Nachschalten eines passen- 55 summierten Funktionswerten der Phasen R und T den Widerstandes Gr am Ausgang des Widerstands- gewonnen werden, da nach F i g. 4 in Verbindung garters aufbauen, wie sich aus F i g. 2 ergibt. mit der Tabelle in F i: g. 5 B — — (A + Ά~) ist. Das

Durch Unterteilung der Sinusfunktion in sechs gleiche Arbeitsspiel wird in den folgenden Berei-

oder zwölf gleiche Abschnitte lassen sich die einzel- chenll bis VI (Fig. 4) mit wechselnder Phäsenzu-

nen Teile der Sinuskurve durch Geraden, besser 60 Ordnung wiederholt. Hierbei muß die in F i g. 5 ver-

durch Hyperbelabschnitte, nachbilden. anschaulichte jeweilige Schaltkombination für jeden

Fig.SveranschaulichtdenprinzipiellenAufbaueines der sechs Abschnitte sinngemäß entsprechend den

digital arbeitenden ruhenden Drehstromgenerators. einzelnen Phasen aufgebaut werden.

Ein Analog-Digital-Wandler 1 liefert an seinem Ein Blockschaltbild für einen auf dieser Grund-Ausgang eine Impulsspannung, deren Frequenz pro- 65 lage digital arbeitenden ruhenden Drehstromgeneraportional der Größe seiner Eingangsgleichspannung tor ist in Fig. 6 veranschaulicht
ist. Die vom Analog-Digital-Wandler kommenden Der von dem Analog-Digital-Wandler ADW, wel-Impulse schalten eine Schrittschalteinrichtung 2 je- eher eine der Steuergleichspannung proportionale

Frequenz liefert/ gesteuerte Zählerl liefert die n-stelligea Binärzahlen Z und Z, welche parallel vier gleichartige hyperbolische Digital-Analog-Wandler ansteuern und die Funktionswerte des Sinus von 0 bis 60° und von 60 bis 0° mit beiden Vorzeichen liefern. Damit schalten die beiden komplementären Zahlen Z und Z des Zählers I die zugeordneten Widerstandskombinätiönen der angeschlossenen Digitäl-Anälog-Wändlergruppen entsprechend durch. Diese Digital-Anälog-Wändlef sind so aufgebaut,- daß sie gleich- iö zeitig die der Zahl Z oder ihrem Komplement Z zugeordneten mittleren Funktiönswerte A bzw. A~ der Sinusfunktion sowohl mit positivem als auch mit negativem Vorzeichen liefern können,

Nach jedem Durchlauf beginnt der Zähler I von ig neuem sein Spiel und schaltet dabei ein Schrittschaltwerk, nämlich den Zähler II mit zugeordnetem Verteilungsgatter VG, um einen Schrift weiter. Mit Hilfe des Zählers Π und des Verteilungsgatters VG wird jeweils derjenige Funktionswert A bzw. ~Ä vor- ät> zeichenrichtig an die Phasenverstärker weitergegeben, der nach Tabelle 5 an der Reihe ist. Die Wertebereiche ± B werden durch B — -(A + 3) gebildet. Der Schaltzustand I ist in F i g. 6 durch Schraffieren hervorgehoben.

Der Zähler II und das aachgeschattete Verteilungsgatter VG können aus einem Vor-, Rückwärts-Schieberegister mit sechs Stellen aufgebaut sein. Dieses Register liefert ein einstelliges Sperr- oder Freigabesignal, welches nach jedem Durchlauf des Zählers I die neuen Schaltkombinationen der Digital-Analog-Wandler freigibt. Wie aus der Tabelle nach Fig. 5 ersichtlich ist, genügt es, daß der Zählern nur bis drei zählt. Es muß aber dann dafür gesorgt werden, daß das Verteilungsgatter nach jedem Durchlauf eine andere Polarität der Digital-Analog-Wandler freigibt. Mit Hilfe, von Vor-, Rückwärts-Zählern und einer Umschalteinrichtung3 (Fig. 3) läßt sich die Phasenfolge des Drehstromsystems vorgeben. Durch die Steuerung der Speisespannung der Digital-Analog-Wandler mittels der Amplitudensteuereinrichtung 4 (F i g. 3) kann die Ausgangsamplitude beliebig eingestellt werden.

In entsprechender Weise kann, wie schon in F i g. 4 angedeutet ist, der Bereich einer Sinusvollwelle in zwölf gleiche Abschnitte unterteilt werden, die mit arabischen Ziffern 1 bis 12 bezeichnet sind. Die entsprechende Schaltfolge ist in der Tabelle nach Fig. 7 veranschaulicht, während Fig. 8 den schematischen. Gesamtaufbau zeigt. Der lineare Zähler II nach F i g. 8 (ein Schieberegister oder Binärzähler) mit nachgeschalteter elektronischer Schrittschalteinrichtung) schaltet wie bei dem vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die in F i g. 4 bzw. 7 dargestellten zwölf verschiedenen Kombinationen der Digital-Analog-Wandler durch. Die Digital-Analog-Wandler müssen in diesem Falle für die Wertebereiche α und b sowohl für positive als auch negative Vorzeichen ausgelegt sein, und der Zähler I (Fig. 8) muß im Gegensatz zu dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel abwechselnd vorwärts und rückwärts zählen können. Die Digital-Analog-Wandler für jede Phase bestehen auch hier aus vier einzelnen Teilen, wovon je zwei für die positiven und negativen Wertebereiche α und b ausgelegt 6g sind. Der Wertebereich α enthält die Werte der Sitmsfunktion von 0 bis 30° und der Wertebereich b die Werte der Sinusfunktion von 30 bis 60°. Die Digital-Analog-Wandler für die Wertefoereiche + α und — a werden an die eine Gruppe der η Ausgänge des Zählers I angeschlossen und die Digital-Analog-Wandler für die Wertebereiehe -f b und — b an die andere Gruppe mit den dazu komplementären Ausgängen. Durch das abwechselnde Vor- und Rückwärtszählen des Zählers I werden die Digital-Analog-Wandler für + α und ± b auch abwechselnd vor- und rückwärts durchlaufen, und zwar ± α und + b immer im gegenläufigen Sinne, da sie von komplementären Äusgangsgrüppen des Zählers I gesteuert werden. Die Wertebereiche ± c für die Kuppen der SinusfuüMon von ±60 bis ±90° und von ±90 bis + 120° werden auch hier als Summe der Werte a und b mit umgekehrten Vorzeichen gewonnen. Auf Grund der Symmetriebedingung gilt immer c = (a + Zf) sowie 3 = — (a +b). Die Funktionswerte ±a, ±b,±c nehmen beim Fortschreiten auf der Abszisseaaclwe in positiver Richtung zu und beim Fortschreiten in negativer Richtung ab. Für die Werte a, Έ, l· gilt das Umgekehrte, wie sich aus Fig. 4 und 7 ergibt. Die richtige Zuordnung und Freigabe der in jedem Augenblick gleichartig angesteuerten Bereiche ±aund ±b der verschiedenen Digital-Analog-Wandler, entsprechend dem Schema nach F i g. 7, erfolgt auch hier über die schrittweise Weiterschaltung des Verteilungsgatters mit dem Zähler II. Dabei kann man mit einem sechsstelligen Zählern auskommen, wenn nach jedem Durchlaufen der sechs Stufen die Polarität der zugeordneten Digital-Analog-Wandler getauscht wird. Die Vorgabe der Phasenfolge und die Amplitudensteuerung erfolgten in der schon beschriebenen Weise.

In F i g. 8 ist der für den Bereich 1 durchgeschaltete Teil der Digital-Analog-Wandler und des Verteilungsgatters schraffiert.

Mit einem vierstelligen Binärzähler I (sechzehn Kombinationen) und einem sechsstelligen Linearzähler mit nachgeschaltetem Polaritätswechsler läßt sich die Vollwelle in sechzehn mal zwölf gleich hundertzweiundneunzig Stufen unterteilen.

Die Anordnung hat gegenüber der Erzeugung von Wechselspannungen durch Induktion den Vorteil, daß die Amplituden der Ausgangsgrößen des Gerätes nicht frequenzabhängig sind, sondern alle charakteristischen Größen (Frequenz, Phasenwinkel, relativ zu einer gleichartigen anderen Größe, Amplitude und Phasensfolge im Mehrphasensystem) völlig unabhängig voneinander einstellbar sind. Das ist von besonderem Wert bei sehr kleinen Frequenzen.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Umformung einer Gleichspannung in ein- oder mehrphasige Wechselspannungen mit Hilfe von ruhenden, kontaktlosen, steuerbaren Bauelementen, gekennzeichnet durch einen Analog-Digital-Wandler (1) zur Umwandlung einer einstellbaren Gleichspannung in eine Spannungsimpulsfolge mit einer der einstellbaren Gleichspannung proportionalen Impulsfolgefrequenz, ein diesem Analog-Digital-Wandler (1) nachgeschaltetes, wahlweise in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung fortschaltbares Schrittschaltwerk (2), mindestens einen Digital-Analog-Wandler (5, 6, 7) zur Bildung je einer emphasigen, angenähert sinusför-

migen Wechselspannung sowie Mittel (4) zur Amplitudensteuerung der Wechselspannung der einzelnen Digital-Analog-Wandler (5, 6, 7).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz und die Phasenlage der Wechselspannungen der einzelnen Digital-Analog-Wandler (5, 6, 7) durch die Impulsfolgefrequenz des Analog-Digital-Wandlers (1) und die Stufenzahl des Schrittschaltwerks (2) bestimmt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur optimalen Annäherung der Wechselspannungen der einzelnen Digital-Analog-Wandler (5, 6, 7) an die -Sinusfunktion die Anzahl der Stufen sowohl des Schrittschaltwerks (2) als auch des bzw. der Digital-Analog-Wandler (5, 6,7) möglichst groß gewählt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungen der einzelnen Digital-Analog-Wandler (5, 6, 7) aus einzelnen Elementarbereichen aufgebaut sind, welche vom Schrittschaltwerk (2) jeweils in der erforderlichen Ordnung nacheinander auf Grund von nach dem Binärcode arbeitenden Schaltkombinationen mittels des abgestufte Widerstände enthaltenden Digital-Analog-Wandlers (5, 6, 7) gebildet werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 für die Erzeugung einer·Drehspannung, dadurch gekennzeichnet, daß eine volle Sinuswelle in sechs oder zwölf Wertbereiche aufgeteilt ist, die durch einzelne Geraden oder Hyperbelabschnitte annähernd nachgebildet werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der sechs oder zwölf Wertbereiche der vollen Sinuswelle nacheinander mit einem Binärzähler nachgebildet wird, dessen komplementäre Ausgänge an hyperbolische Digital-Analog-Wandler für die Darstellung von zwei um 120° zeitlich versetzte Phasen angeschlossen sind, und daß der Funktionswert für die dritte Phase aus der Symmetriebedingung als Summe der Funktionswerte der beiden anderen Phasen mit umgekehrten Vorzeichen abgeleitet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Binärzähler nach jedem Durchlauf eines Sinuswertebereichs das aus einem weiteren Zähler mit zugeordnetem Verteilungsgatter bestehende Schrittschaltwerk für die Darstellung der Kombination des nächsten Sinuswertebereiches um eine Stufe weiterschaltet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Zähler als Linearzähler ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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