DE1438459A1 - Drehstromgenerator fuer in weiten Grenzen einstellbare Frequenzen - Google Patents

Description

Pat. /

16. November 1961

I N T ER M E T A L L 1438459

Gesellschaft für Metallurgie und Elektronik m.b.H,

Drehstromgenerator für In weiten Grenzen einstellbare Frequenzen

Es ist oft erwünscht, Maschinen oder Maschinenteile mit Drehstrom-Synchron-Motoren anzutreiben, auch wenn die Drehzahl geändert werden muß. Für diesen Zweck sind Drehstrom-Generatoren mit einstellbarer Frequenz entwickelt worden (siehe die Veröffentlichung von H. Keller "Ein transistorbestückter Drehstromgenerator mit stetig einstellbarer Frequenz" in "Elektronik", Heft 5, 1961, Seiten l40 - 142). Um die Verluste in den Endstufen solcher Generatoren klein zu halten, was besonders erwünscht 1st, wenn sie mit Halbleiter-Bauelementen, z. B. Transistoren, bestückt sind, wird gewöhnlich keine sinusförmige Ausgangsspannung, sondern eine Rechteckspannung gewählt, d. h. die Endstufen-Transistoren werden rasch vom stromführenden Zustand in den vollkommen gesperrten umgeschaltet. Diese Abweichung der Ausgangswechselspannung von der Sinusform 1st normalerweise für den Betrieb von Drehstrom-Synehron-Motoren bedeutungslos.

Wenn der Drehzahl-Einstellbereich auch sehr niedrige Frequenzen umfaßt, ist eine induktive übertragung der Ausgangsleistung auf den Motor unwirtschaftlich, weil sehr große und schwere Transformatoren erforderlich werden. Deshalb sind Drehstromgeneratoren mit in weiten Grenzen einstellbarer Frequenz normalerweise mit sogenannten eisenlosen Endstufen ausgerüstet.

Die bisher bekannten Drehstromgeneratoren erzeugen meistens aus einer sinusförmigen Spannung mit Hilfe von phasenschiebenden RC-Gliedern entsprechende Phasenspannungen. Die so gewonnenen Phasenspannungen werden entweder direkt zur sinusförmigen Aussteuerung von Endstufen benutzt, oder es wird die Sinusspannung, z. B. mit Hilfe eines Schmitt-Triggers, in eine Rechteckspannung umgewandelt, die dann ihrerseits die Endstufen schaltet.

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INTERMETALL Pat. Dr, St/Sn - Pl - 2 - ■ 16. November 1961

Solehe Generatoren benötigen zur Einstellung der Arbeitefrequenz Dreifach-Potenfciometer, well für jede Phasenspannung ein veränderbares RC-Glied vorhanden sein muß, dessen Widerstand variiert wird. Es sind ohne gleichzeitiges Umschalten der frequenzbestimmenden Kapazitäten im allgemeinen nur Frequenzänderungen im Verhältnis 1 : 10 möglich.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, einen eisenlosen Drehstromgenerator su schaffen, dessen Frequenz in weiten Grenzen (1 s 100) mit Hilfe nur eines Potentiometers einstellbar ist und bei welchem die Umformung der ursprünglich erzeugten Sinusspannung in eine rechteckige Ausgangsspannung vermieden wird, indem die zur Steuerung der Endstufen benötigte Rechteckspannung direkt mit Hilfe von bistabilen Stufen erzeugt wird» Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß sechs bistabile Stufen zu einer geschlossenen Kette vereinigt sind und nach dem Prinzip des Ringzählers arbeiten.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Figur 1 zeigt das Prinzipschaltbild der Endstufe eines Drehstromgenerators für rechteckige Aussteuerung. An die Batterie U sind drei parallelgeschaltete aus einem oberen und einen unteren Schalter bestehende Schalterpaare E_RQ, E™*; E₃₀, E_su und Ε~_ο, angeschlossen und die Mitte jedes Schalterpaares mit den drei Anschlußbuchsen R, S, T eines Drehstrommotors verbunden, Wenn die sechs Schalter so betätigt werden, daß zu jeder Zeit von zwei in Reihe liegenden Schaltern entweder beide geöffnet oder nur einer geschlossen ist, fließt über die drei Anschlußbuchsen R, S, T ein für den angeschlossenen Drehstrommotor geeigneter Strom. Es ist an sich denkbar, die Endstufe nach Figur 1 dadurch zu vereinfachen, daß nur die oberen Schalter benutzt werden und der Motor mit geerdetem Sternpunkt betrieben wird. Da bei einer

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IN TERMETALL Pat. Dr. St/Sn - Fl 124 - 3 - l6. November I96I

βolchen Arbeitsweise die Wicklungen von QIeiahströmen durchflossen werden, besitzt diese Betriebsart einen sehr schlechten Wirkungsgrad und isj^gaur für Mo tore" kleiner Leistung geeignet.

Die Figuren 2 und 3 aeigen den Spannungs- bzw. Stroraverlauf der einmeinen phasen, der durch geeignete Betätigung der sechs Schalter der in Figur 1 dargestellten Bndstufe erreicht werden kann. Der Motor kann an die Ausgangsbüchsen H, S, T entweder im Dreieck oder im Stern angeschaltet werden. Die verschiedenen Vlloklungen werden von reinen Wechselströmen durchflossen.

In Figur 2 ist die Perlode der Ausgangswechselspannung in sechs Tellinttrvalle zerlegt. Die drei oberen Kurven, die mit R, S und T bezeichnet sind, geben den Spannungsverlauf an den Teilpunkten R, S und T an. Dabei 1st in dem Schalterpaar E_R beispielsweise der obere Schalter E^₀ in den TeilIntervallen 1 bis J geschlossen und der untere E^„ geöffnet und In den Te11Intervallen 4 bis 6 der untere E«ii geschlossen und der obere E_RQ geöffnet. Dasselbe gilt mit einer Phasenverschiebung von je 120° bzw. von zwei Teilintervallen für die Schalterpaare S und T. Je nachdem, ob der Motor an die Ausgangsbuchsen im Stern oder im Dreieck angeschlosfctn ist, ergeben sich verschiedene Formen des Stromes durch 4ie Wicklungen-. Im Gegensatz zu sinus*fo'rmigem Drehstrom hängt die Stromkurve außerdem noch davon ab, ob der Sternpunkt mit einer Mittelanzapfung der Batterie verbunden 1st oder nicht.

Wenn angenommen wird, daß die Wicklungen des Motors eine rein ohmsehe Last darstellen, d. h. wenn die V'icklungsinduktlvität vernachlässigt wird, so geben die Kurven R, S, T gleichzeitig den Ausgangsstrom en für den Fell, daß der Motor in Sternschaltung betrieben wird und der Sternpunkt mit einer Mi ttelsnz?.pfung der Batterie verbunden ist. Bei freiem Sternpunkt ergibt sich eine vierstufige Treppenspannung, wie sie in der unterster Kurve YR dargestellt ist.

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IN TERM E TALL Pat. Br. St/sN - Pl - 4 - l6. November 19βΐ

Öles® Kurve ist in ihrer äußeren Form einer Sinusspannung ähnliches* als die reinen Rechteckkurven R, S_e T. Das Verhältnis zwischen Spitzenwert und Effektivwert ist bei"dieser Kurvenform ebenso / 2 wie beim r@in<an Sinus. Wird der Motor im Dreieck an die Buehüen R, ß_s T angeschlossen, so hat der Strom die Form der Kurve ^ES« B©i dlsser dreistufigen Treppenkurve ist das ¥erhaltnie zwischen Spitzenwert und Effektivwert \ 3/2."

Figur 3 zeigt den Spannungsverlauf bei einer anderen mogliclien !«tätigung der sechs Sohaltsr von Figur 1,- bei der sich ebenfalls reine Weghselepannungen bzw«- Ström® ergeben* Die Kurve R Sielt« w©im der ober© Schalter"Bp_Q während der Teilinter-1 ηηύ 2 geschlossen wzü der untere Ep™ offen sind. Im Interval 3 sirad beide offen, in den Intervallen 4 und 5 ist der un&üF© gesehlossen und d®r ober© offen , l® Intervall 6 sind ©eiii® «ieä3F ©ff©»« Mit einer Phasenverscniehung von zwei T_eilintervellen gilt ent&pF@ok®na®B für die Kurven ä und T₀ Bei dieses! SchaLtsiodus giöfe die Kurv® R gleichseitig den Strom an* der tant©s* Vernachlässigung der Windungsinduktivität bei Sternbetrieb fließt. Diesmal besteht kein Unterschied zwischen freiem Strrnpunkt und solchem, der an ©ine Batteriemitte!anzapfung angeaeohlossen ist, Man erhält die Form YR. Bine vierstufige Treppenkurve ^ R S ergibt sich hier im Dreieckbetrieb.

Nach der Erfindung wird ein solcher Sehaltbetrieb dadurch erreicht« daß ein sechsgliedriger Ringzähler zur Steuerung der Endstufen benutzt wird, wobei die Fortschaltfrequenz für den Zähler mit Hilfe eines Impulsgeneratora erzeugt wird, dessen Frequenz auf einfache Weise mit Hilfe eines Potentiometers in weiteen Orenzen geregelt werden kann. Ein solcher Ringzähler ist eine Kette von bistabilen Stufen, die entweder mit bistabilen Elementen, wie z, Bl Thyratrons, ähnlichen Röhren und Yierschicht-Dioden, oder rait Je zwei Transistoren oder Röhren bestückt sind, die kreuzweise untereinander so rückgekoppelt s<ind, daß sie wie ein bistabiles Element arbeiten.

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INTERMETALL P=Vt. Dr- St./Sn - Pl - 5 - l6* November 19^3

Bei einem solchen Ringzähler unterscheidet■ 3ich. der Schaltzustand •iner Stufe von asm aller Übrigen. Beim Vierschicht-Dioden-Ringzähler i3t .2. B. eir.e Diode gezündet und alle anderen sinö gelöscht. Durch einen periodischen Fortsehaltimpuls wird dieser Zustand "gesundet"jeweils auf die folgere¹ ο Stuf« 'itfirtrF.geri, webet gleichzeitig die bisher gesundste Stufe gelöscht vlrd.

Figur ²^ zeigt das AusHJhrungsbeispiel ela?s Drehstromgenerators nach der Erfindung, der nrch dim in Figur ? gezeigten Τε-ktsystem rrbeitet. Er enthält als Impulsgenerator eiio RC-Kipp'johaltung, die mit der Vierschicht-Diode V_K bestückt ist und die die Widerstände Hv-, R„_o und P..,, sowie dJe Kondensator^ C₁ und C«._ound Kl K2 Λρ Λΐ Kc

df.s Potentiometer P enthält. Der Generator arbeitet in be'cyj inter Weise so , c*aß dar frecue-nzbe-stiimwnde KonJO.isptor C^p über die Reihenschaltung von P und R^ ?uf gel ader vird, bi? die Zündspannung der Vierschicht-Diode V₅, erreicht int. N&olr. ·?.θιπ Zünden-vox Vj-

er in sahr* kurr.fr Z?it entlEde^ und der t^dun?svorgang v/iederholt sich. Die Precuenz viird durch des Produkt der Kapazität von

^^{es 1}''i^|:5^er3i:pi?f^^esj ^^er 3ich ?uus der Reihenschaltimg von j^p P ergibt, bentimmt. Durch Veränderung des Potentiometers P krnn sie in weiten Kreisen geregelt v.crden»

/n cifjn Ir.;pulsgenerrtor int ein mit den Vierschient-Dior¹.Q;i V^ 'oie Vy- bfstüclcter Ringcnhler angcgchlosoen. Er enthält außerdem die , Dioden D„, welche einen hohen Widerstand HIr dsn PoT-tschPl timpul 3 bilden sowie die Koprjelkondensstoren CU.. außerdem die Arbeitsv.-iderstRnde R. Die Arbeits^ider?.tS.nde öer Vierschicht-Dioden Vp, V^ und V_f- bestehen jeweils aus eir-ern Widerstand H.,^. R^_;. und Die */>rbe¹.tswiderstHniG der Vierschicht-Di öden V₁, V-, und Vc sind geteilt und mit dor Buchstaben R,.- R,„, ϊ R,.., R--, und R_rt£-, R

Hi Xx' AJ' a op

bezeichnet. Die aulot'st genannten ''idcrstifnde sind doppelt so groß wie die zuerst genannten, so daß sämtliche Vierschicht-Dioden im gesundeten Zustand von demgleichen Strom durchflossen werden.

BAD ÜriSÜiiNAL

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INTERMETALL Pat. Dr. St/sn - Pl 134 -β - l6. November 196I

Au₁ den Ringzähler sind drei Treibertransistoreu Tr angeschlossen, je einer für jedes Endschalterpaar. Die Schalter E_R0, E„q und Efj,Q und &'„„ und Egy und E„,y v.'erden von entsprechenden Endtranaistoren gebildet. In Figur 2 sind nur die beiden zur Phase T gehörigen gezeichnet. Die anderen sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Die JSudeotufo f^flr die i'iiafje T enthalt außer den Leistur-gstraiisistoraii 2,„_Q ur.d E_TU noch uio Diode Bg und den Widerstand R™, welche gewährleisten, daß bei stromführendem. Treiber transistor Tr™ der untere E; -.!transistor E_m{j ganz durehgesteuert und der obere Endtransistor Em₀ g&nz gesperrt ist. Bei gesperrtem Tr Ubertrausistor Tr,„ ist der untere Endtranais tor Emjj ebenfalls gesperrt und der obere Εφ₀ führt Strom.

Die Arbeitsweise nach Figur 2 wird dadurch erreicht, ά&3 an oen !Trelbertransisto/· Tim ^ie Arbeitswidcrstande Rr»-i» R^« R„, angeschlossen sind usw. Demzufolge führt der Treibertransistor Tr™ Strom, \«enn entweder V.. Vg oder V-, gezündet ist. Eritsprechendes gilt für die anderen Treibertransistoren. Die Widerstände Hm« dienen zur Unterdrückung des Sperrstroaies in den Teilintervallen, iii denen c^ie augehörigen Treiber tr ans is toren gesperrt sind» Die Kondensatoren €,„„ verhindern, daß beim Fortschalten des Ringzählers •Spamiung'ieinbrüche an der Bcsis des Treibertransistors bzw. in der galvanisch angekoppelten Endstufe entstehen.

Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drehstromgenerators nach der Erfindung, der nach dem in Figur 5 gezeichneten Taktsystern arbeitet. Der Übersichtlichkeit halter ist der Impulsgenerator in dieser Figur nicht gezeichnet, er entspricht vollkommen dem von Figur -¹I-. AuSerdem ist die Wirkungsweise der Vierschicht-Dioden V, - Vg sowie der Koppelkonaensatoren CU und der Dioden D„ die gleiche wie- bei Figur h bzw. jade der Vier3chicht-Diodon von Figur 5 besitzt zwei gleich große Teilarbeitswideretände Rjiyi und R₃Q., IL^ und R_Tqp usw. Den oberen Schaltern ^ER0* ^ES0 ¹^^{10 2}TO ^{von Pi}e^{ur 1} entsprechen in diesem AusfUhrungs-

BAD üriSÜSriÄL.

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INTER M ETALL Pat. Dr. St/Sn - Fl - ·? - 3.6. November 196I

beisplel Eudtransistoren E-,q us·«., die iu dly.iem Falle von entgegenecaetztein Loitf£higkc-itst;p aiad, vLe all«3 uurigen in der Schaltung jgHshal tenen Transistoren. Diese Mc:.¹ als npn-Tranais toren gezeichneten oberen End transis toren werden von zugehörigen Treiber transistoren Tr_RQ> Tr_aQ und. Ti'^ angesteuert. Die. unteren End transistoren, die iaier also wie die Treibertransiatoreri als pnp-Transistorea gezeiühnet- sind, werden direkt voa dea Vlerachiclit-Dloden i<3S Hingzälilers angesteuert- Der Übersichtlichkeit halber iüi; wiederum nur eine Endstufe geaeiciviet. Um die Arbeltsweiae von tfi^ur J> zu erreichen« Bind abwechselnd zwei Teilarbul'vSwlacrsuUiide von verschiedenen Viörsohicht-Diodeij a.* die Baals cine3 Treibertransietora für den oberen Endtransistar oder an die Dasls eines der unteren Endtransigtoren angcuchloasen. Die Punktionen derUiderstände R_TR und Rj. faowic dar KoxiüCinsatoren aind die gleichen wie ,in Figur U.

8AD

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Claims (1)

1. INTSRKBTALL Pat. Dr. St/Sn - Pl - 8 - 16. November 1961

   PATENT ANSPRÜCHE

   1) Drehstromgenerator, bei dem die Frequenz mittels eines Potentiometers in weiten Grenzen einstellbar ist, dessen Endstufen im Schaltbetrieb.arbeiten und durch mit Hilfe von bistabilen Stufen direkt erzeugte., Rechteckspannungen gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß sechs bistabile Stufen zu einer geschlossenen Kette vereinigt sind und nach dem Prinzip eines Ringzählers arbeiten.

   2} Drehstromgenerator nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß die Stufen des Ringzählers mit Viersehicht-Dioden (V₁ - V^) bestückt sind.

   5) Drehstromgenerator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortsohaltimpulse für den Ringzähler in einer RC-Kippschaltung erzeugt werden, und dafl an die einzelnen Stufen des Ringzählers je zwei Endtransistoren (E) entweder direkt oder über Treibertransistoren (Tr) angeschlossen sind.

   •V) Drehstromgenerator nach Ansprüchen 1 - J>, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsv.-iderstänofc. der Vierschicht-Dioden V., V-, und V,- aus zwei gleich großen Teilwiderständen (R_R1, R^₁; R_R,, Rg^ und R₃^* R^c₁) bestehen, von denen jeder -_t doppelt so groß ist xvie die einfachen ArbeitswiderstSnde (R„g, Rg^und IW) eier Vierschichtdiode^ Vg, V^ und Vg, und daß an die Basis jedes Tx-eiber- bzr, . Eautransistors (Tr bzw. E) je drei entsprechend dem gewünschten Schaltsehema zn verschiedenen Vlerschicht-Dioden gehörende Widerstände angeschlossen sind (Fig. h).

   BAD rii^if^

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   INTERMETA LL Pat. Dr. St/Qn - Fl - 9 - l6. November 1961

   *;·) Drehstromgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß joder untere Endtransistor (Eoit* ^s\3* Ειρτί) ölrekt an den Emitter des zugehörigen Treibertransistors (Ti¹D* Tr«, Tr_T} und jeder obere Endtransistor <E_ROi E₃₀, E₁₀) über elne.Dioct (l>_E) direkt an den Kollektor des zugehörigen Treibertrausistors (Tr_R, Tr₃, Ti'_T) angeschlossen ist (Fi*,. ^r).

   C) Drehstrom£e-1 trainer aech Ausprücheit 1 - ~j, öu.dui'c.i

   gekcxuizeichi^fct, cfiß der /l-beltsv.-ideritaiid jeder Vierschicht-Diode (V. - V^) des Ringzölers EUS₁ av/ei gleich ci.. Teir..^riüi:iT.Länden besteht and lh die Basis jedes

   Trcibertrancistoi's bzv;. Ende transistors (T bav.-. E) zvei TeilvicV.rstiiiide unterschiedlicher entsprechend öen gev.Uxischten Schaitschenia ausgewählter Vierscnicht-Lioden nngeschiossexi sind (Piß. 5)»

   7) Dreht3tiOinge^ei"ator nach Anspruch G, dadurch gekennzeichnet, da.-i de unteren Exidtransistüren (E_Ru' ¹ _> ) direkt und die oberen End tr ans is tor en (E„_o..

   über je einen Trelbertranelstor (Tr_R0,Tr_S0, ί.·η den Ring^öliler eaigeschlosseti sind (Fig, 5)·

   ο) iJichstrorngentrator nach Ansprüchen ü uiid 7, dadurch ntt, d:G> die oberen Lndtransistoren (Eo₀* J π Bc^Uti auX' die unteren Endurälasisturen ^TU^ ^{vora fcrit}ß^e6^ⁿe^eset2ton Leiti'ähigkeits typ cind (Fig. 3).

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