DE1963373A1 - Regelsystem fuer die Konstanthaltung der Spannung pro Periode - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

dr. ing. H. NEGENDANK · dipi^-ing. M. HATJCK · DIPL.-PHYS. W. SCHMITZ

HAMBÜHG-MÜNCHEK ZUSTEUTUNGSANSCHRIFT: HAMBTTRG 36 · KEUEBWAL·! 41

TEL·. 3874 28 USB 364119

TKLEGR. NEGBSiFlTKVT HAMBURG MÜNCHEN 15 · MOZARTSTR. 23

TEL. Γ5 38 03 86

TKXEGH. NEQBBAPATEJiT MÜNCHEN

Hamburg, 17i Dez. 1969

Borg — Warner Corporation _Λ
200 South Michigan Avenue,
Chicago₃ Illinois 606OiJ₃

(¥. St, v. A.)

Regelsystem für die Konstanthaltung der Spannung

pro Periode.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem., das dazu dient, ein konstantes Verhältnis zwischen einer Spannung und einer Frequenz aufrecht zu erhalten.

Für den Betrieb eines Induktionsmotors oder einer anderen induktiven Last innerhalb eines großen Geschwindigkeits- oder Drehzahlbereiches ohne das Auftreten von Sättigung und durch diese bedingte hohe Ströme, welche zur überhitzung führen, ist es im allgemeinen wünschenswert, zwischen der Amplitude und der Frequenz der von einem Wechselrichter oder einer anderen üpeiseeinheit an den Motor abgegebenen Spannung ein vorbestimmtes und festgelegtes Verhältnis aufrecht zu erhalten. Der in der nachstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "Amplitude" bezeichnet allgemein die Größe des für die Steuerung des Elektromotors interessierenden Parameters. Im allgemeinen wird der Halbwellen-

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Spannungsmittelwert beobachtet, um das Auftreten von Sättigung der Motorwicklungen zu vermeiden. Ein derartiger Betrieb mit einem vorbestimmten und festgelegten Verhältnis von Amplitude und Frequenz wird herkömmlicherweise als Betrieb mit "konstanter Spannung pro Periode" (constant volts-per-cycle) bezeichnet.

Systeme für die Konstanthaltung der Spannung pro Periode können unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise ist es möglich, einen Wandler zu verwenden, der sowohl ein in einem bestimmten Verhältnis zur Amplitude stehendes Signal als auch ein in einem bestimmten Verhältnis zur Frequenz stehendes Signal (das in der Praxis aus einer Impulsfolge bestehen kann, die beispielsweise derjenigen entspricht, welche der logischen Schaltung für den Wechselrichter zugeführt wird) zugeführt erhält und ein Ausgangssignal liefert, welches ein Verhältnis W von Spannungsamplitude zu Frequenz darstellt. Dieses das Verhältnis angebende Signal wird der einen Seite eines Vergleichers zugeführt, der außerdem ein anderes Eingangssignal er.-hält, welches das von einem Bezugswertgeber kommende gewünschte Verhältnis von Amplitude und Frequenz darstellt. Ein durch das von dem Vergleicher kommende Ausgangssignal gesteuertes Steuergerät stellt die an den Eingang des Wechselrichters angelegte Gleichspannung in entsprechender Weise ein, so daß zwischen der Amplitude und der Frequenz der von dem Wechselrichter an den Motor abgegebenen Ausgangsspannung ein gleichbleibendes

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-» % mm

Verhältnis aufrechterhalten wird. Ein bedeutender Nachteil eines derartigen Systems besteht in der Komplexität und den Kosten der Wandlerschaltung, die dazu benötigt wird, um die Amplituden- und Frequenzsignale aufzunehmen und zu vergleichen und dem Vergleicher ein entsprechendes Regelsignal zuzuführen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht -darin, ein Regelsystem für die Konstanthaltung der Spannung pro Periode zu schaffen, das aus einfachen und preiswerten Schaltungen besteht und durch welches die Notwendigkeit kostspieliger und verwickelter Wandlerschaltungen überflüssig gemacht wird.

Ein erfindungsgemäß ausgeführtes Regelsystem eignet sich für ein System, welches ein im wesentlichen konstantes Verhältnis von Amplitude zu Frequenz für die von einem Wechselrichter einem Elektromotor zugeführte Wechselspannung aufrechterhält. Vorrichtungen wie z.B. Eingangsleitungen sind so geschaltet, daß sie eine Gleichspannung zur Speisung des Wandlers zuführen. Eine Oszillatorschaltung liefert eine Serie von Zeitgeberimpulsen zur Regelung der Wechselspannungsfrequenz. Entsprechend der Erfindung ist ein Vergleicher mit einem Ausgang zur Abgabe eines Regelsignals und einem ersten und einem zweiten Eingang vorgesehen. Ein erster Signalkanal verbindet den ersten Vergleichereingang mit dem Wandler und weist Schaltungsvorrichtungen auf, die dazu dienen, ein erstes Regelsignal zu

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liefern, das in einer bestimmten Beziehung zu der Amplitude der Wechselspannung steht. Ein zweiter Signalkanal verbindet den zweiten Vergleichereingang mit dem Oszillator und dient dazu, ein zweites Regelsignal zu liefern, das in einer bestimmten Beziehung zur Wechselspannungsfrequenz steht. Somit legt der Vergleicher ein angemessenes Regelsignal an eine zur Spannungsregelung dienende Schaltung an* die so geschaltet ist, daß sie den Spannungspegel der zur Motorspeisung dienendem Wechselspannung einstellen und ein gewünschtes Verhältnis von Amplitude und Frequenz der von dem Wandler aci den Motor abgegebenen Wechselspannung, aufrecht erhalten kann.

Wenn eine Abweichung, von dem konstanten Verhältnis von Amplitude und. Frequenz in einem beliebigen Teil des Arbeitsbereiches, wie beispielsweise eine Spannungserhöhung im unteren Frequenzbereich des Arbeitsbereiches gewünscht ist, kann diese durch Anlegen eines geeigneten Kompensationssignals an den Vergleicher erfolgen.

Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, in denen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Elemente bezeichnen:

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines bekannten Regelsystems

für die Konstanthaltung der Spannung pro Periode, Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Regelsystems für die Konstanthaltung der Spannung pro Periode ent-

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sprechend der Erfindung,,

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines weiteren Regelsystems mit einer anderen Spannungsregelung,

Fig. 4 ist ein Sehaltungsausschnitt,

Fig. 5 ist eine teilweise in Blockform gehaltene schematische Darstellung und dient zur Erläuterung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Systems,

Fig. 6 ist ein schematischer Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 7 ist ein weiteres Blockschaltbild und zeigt ein weiteres Regelsystem nach der Erfindung.

Ein Regelsystem für die Konstanthaltung der Spannung pro Periode läßt sich unterschiedlich ausführen. Eine allgemein übliche Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt, in welcher eine Vergleicherstufe Io ein festgelegtes Bezugssignal, das ein erstes Verhältnis von Amplitude zu Frequenz anzeigt, über die Leitung 11, und ein zweites Signal, das ein zweites Verhältnis von Amplitude zu Frequenz darstellt, über die Leitung 12 zugeführt erhält. Das zweite Signal, das am Ausgang eines Wandlers oder Konverters 13 erscheint, stellt das Verhältnis der tatsächlichen Spannungsamplitude in bezug auf die Frequenz dar. Das Ausgangs-Regelsignal des Vergleichers Io wird über die Leitung 14 an den Eingang eines Steuergerätes 15 angelegt, das dazu dient, an seinem Ausgang eine Gleichspannung E_Q zur Speisung eines Inverters oder Wechselrichters 16 zu liefern. Der Wechselrich-

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ter liefert seinerseits eine Wechselspannung zur Speisung einer Last 17 wie beispielsweise eines Induktionsmotors. Die dem Wechselrichter zugeführte Spannung E wird außerdem einer Eingangsklemme des Wandlers 13 zugeführt, der außerdem ein weiteres Eingangssignal von einem Oszillator 18 zugeführt erhält. Das andere Eingangssignal steht in einer bestimmten Beziehung zur Frequenz (die durch den Drehknopf 2o einstellbar ist) von Zeitgeberimpulsen, die durch den Oszillator über eine weitere Leitung 21 einer logischen Schaltung 22 für den Wechselrichter zugeführt werden. Die logische Schaltung 22 dient zur Regelung des Ein- und Ausschaltens von Halbleitern innerhalb des Wechselrichters 16 mit einer Geschwindigkeit, die durch die Frequenz der durch den Oszillator gelieferten Zeitgeberimpulse festgelegt ist. Wenngleich die logische Schaltung 22 für den Wechselrichter als getrennte Einheit dargestellt ist, ist es für den Fachmann ohne weiteres einleuchtend, daß diese Schaltung in dem gleichen Gehäuse wie der Wechselrichter 16 oder die Oszillatoreinheit untergebracht werden kann. Ein Hauptnachteil von Systemen der in Pig. I dargestellten Art besteht in der Komplexität und den Kosten der Wandlereinheit, der in einer bestimmten Beziehung zur Spannungsamplitude und zur Oszillatorfrequenz stehende Eingangssignale zugeführt werden und die ein Ausgangssignal liefern muß, welches das Verhältnis der Spannungsamplitude in bezug auf die Frequenz angibt und dem Vergleicher Io zugeführt wird.

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Bei bekannten Systemen ist es zur Aufrechterhaltung eines konstanten Verhältnisses von Amplitude- zu Frequenz allgemein üblich, einen Bezugswertgeber wie das auf der linken Seite der Fig. 1 dargestellte Potentiometer 9 zu verwenden, um ein festgelegtes Signal zu erhalten, welches das gewünschte Verhältnis von Spannung pro Periode (Volt pro Hertz) vorgibt. Dieses abgeleitete Signal kann durch das Potentiometer oder durch einen anderen, einstellbaren Bezugswertgeber geliefert werden. Dieses Bezugssignal gibt das gewünschte Verhältnis von Spannung pro Periode in Volt pro Hertz an, während äas andere, über die Leitung 12 dem Vergleicher zugeführte Signal das tatsächliche Verhältnis von Amplitude zu Frequenz der dem Motor zugeführten Spannung anzeigt. Die herkömmliche Praxis, ein das Verhältnis anzeigendes Signal zu erzeugen, hat die Komplexität und die Kosten bekannter Regelsysteme unter Verwendung eines Wandlers zur Folge.

Eine bedeutende, Neuerung entsprechend der Erfindung besteht darin, daß es nicht unbedingt notwendig ist, das seither übliche System, nämlich zwei ein Verhältnis anzeigende Signale miteinander zu vergleichen, anzuwenden. Wenn durch den Oszillator 18 ein Signal geliefert wird, das durch eine Konstante in einem bestimmten Verhältnis zur Oszillatorfrequenz steht, läßt sich dieses Signal selbst entsprechend der Erfindung als gleitendes oder "schwimmendes" Bezugswertsignal verwenden. Damit fällt die Notwendigkeit für ein das Verhältnis anzeigen-

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des Bezugswertsignal der in Pig. 1 verxrendeten Form weg. Wenn außerdem ein zweites Signal, das in einen bestimmten Verhältnis zur Wechselrichterspannung steht, erzeugt und algebraisch mit dem ersten Signal, das in einem bestimmten Verhältnis zur Oszillatorfrequenz steht, kombiniert wird, läßt sich durch den Vergleicher auf einfache V/eise ein Fehler- oder Korrektursignal herleiten. Dabei ist zu beachten, daß das zweite Signal gleicherweise nicht in einer bestimmten Beziehung zu einem Verhältnis steht, sondern nur zu einer Spannungsgröße, so daß dieses Signal durch einen einfachen Rückkopplungskreis geliefert werden kann. Das Korrektursignal kann dann einer geeigneten Spannungsregelungsschaltung zugeführt werden, um die entsprechende Wechselrichterspannung zu liefern, wodurch die erforderliche Regelung der an den Motor angelegten Wechselspannung erreicht wird, ohne daß ein das Verhältnis anzeigendes Signal erforderlich ist.

In Fig. 2 ist ein entsprechend der Erfindung ausgebildetes System dargestellt, das anhand der Bauelemente die verhältnismäßige Einfachheit des erfindungsgemäßen Systems im Gegensatz zu den früher verwendeten Systemen mit einem Wandler zeigt. Als eine Ausführung eines Steuergerätes ist ein Gleichstrom-Gleiohßtrom-Liiiformer 38 dargestellt, der über die Leitung 39 gespeist wird und die Ausgangsspannung L· für den Wechselrichter 16 liefert. Die Ausgangsklernme des Vergleichers Io liefert ein Regelsignal über den Umformer 38 zur Regelung

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der Amplitude von E . Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, kann eine derartige Regelvorrichtung auch aus einer Anordnung zur Impulsbreitenmodulation oder einer anderen, innerhalb des Wechselrichters angeordneten Anordnung bestehen, die anstelle einer äußeren Spannungsregelungsschaltung zur Regelung der Amplitude der Ausgangsspannung des Wechselrichters dient. Wenn die Hauptstromquelle aus einer Wechselstromquelle besteht, könnnen anstelle des Gleichstrom-Gleichstrom-Umwandlers auch andere Regelanordnungen wie beispielsweise ein regelbarer übertrager, der mit Gleichrichtern gekoppelt ist, ein phasengeregelter Wechselstrom-Gleichstrom-Gleichrichter und ähnliche, dem Fachmann bekannte Spannungsregelungseinrichtungen verwendet werden, um den Ausgangspegel von E entsprechend des über die Leitung 29 zugeführten Regelsignals zu regeln, hine derartige Anordnung und die Umstellung der Spannungsregelungsschaltung zur Ausgangsseite des Wechselrichters oder zu dem Wechselrichter selbst wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert.

Entsprechend der Erfindung verbindet ein durch die Leitung dargestellter Signalkanal den Oszillator 18 mit einer ersten i^ingangsklernme des Vergleichers und liefert ein erstes Regelsignal, das in einer bestimmten Beziehung zur Frequenz der dem Motor 17 zugeführten Wechselspannung steht. Ein zweiter üignalkanal verbindet die Auggangsseite des Wechselrichters mit der zweiten Eingangsklemme des Vergleichers und liefert

- Io -

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- Io -

über" die Leitung 34 ein zweites Regelsignal, das in einer bestimmten Beziehung zur Amplitude der an den Motor angelegten Wechselspannung steht. Ein Teil der von dem Wechselrichter abgegebenen Wechselspannung wird durch die Leitung 32 einem Rückkopplungs- oder Rückführkreis 33 zugeführt, der dazu dient, ein zweites Regelsignal zu liefern. Der Rückkopplungskreis kann aus Gleichrichtern, Übertragern, Verstärkungs-, Dämpfungs-, Filter- oder anderen herkömmlichen Gliedern bestehen, benötigt jedoch nicht die für den in Fig. 1 dargestellten Wandler 13 erforderliche komplexe Schaltung, da das in Fig. 2 dargestellte System nicht mit- einem das Verhältnis anzeigenden Signal arbeitet. Das von dem Rückkopplungskreis 33 abgegebene Ausgangssignal wird über die Leitung 34 an eine zweite Eingangsklemme des Vergleichers Io angelegt. Auf diese Weise wird das erforderliche Verhältnis von Amplitude zu Frequenz aufrechterhalten, ohne daß ein erstes, abgeleitetes, verhältnisanzeigendes Signal als Bezugssignal vorhanden ist und ohne daß ein zweites, verhältnisanzeigendes Signal erzeugt wird, welches in einer bestimmten Beziehung" zu dem augenblicklichen Verhältnis von Spannung zu Frequenz der an den Motor angelegten Wechselspannung steht.

Ein weiteres System, das entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre angeschlossen ist, ist in Fig, 3 dargestellt und zeigt ebenfalls die verhältnismäßige Einfachheit des erfindungsgemäßen Systems in bezug auf die erforderlichen Bauelemente,

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Das dargestellte Steuergerät 15 weist einen Vorverstärker 25 auf, dem ein Signal über die Leitung 14 von dem Vergleicher Io zugeführt wird. Der Vorverstärker führt das verstärkte Regelsignal einem Stellmotor 26 zu, welcher wiederum einen regelbaren übertrager 27 in bekannter Weise antreibt und festlegt, welcher Anteil einer über die Leitung 28 zugeführten eingangsseitigen Wechselspannung einer Gleichrichterschaltung 3o zugeführt wird. Diese regelt ihrerseits den Pegel der von der Ausgangsseite der Gleicherichterschaltung 3o zur Speisung des Wechselrichters 16 abgegebenen Gleichspannung. Der regelbare übertrager kann natürlich aus einem einstellbaren Bauelement wie beispielsweise einer Variac-Einheit bestehen, die einen auf mechanische Weise einstellbaren Abschnitt zur Regelung einer abgegebenen Wechselspannung als Funktion der eingangsseitigen Wechselspannung und der mechanischen Einstellung der Einheit aufweist. Alle innerhalb des Steuergerätes 15 dargestellten Bauelemente entsprechen im allgemeinen der Anordnung eines beliebigen derartigen Steuergerätes einschließlich des in Fig. 1 dargestellten.

Das System der Fig. 3 weist einen ersten Signalkanal auf, welcher den Wechselrichter 16 mit einer ersten Eingangsklemme des Vergleichers Io verbindet. Der erste Signalkanal besteht aus der Leitung 32 und dient dazu, der Eingangsseite eines Rückkopplungskreises 33 ein Signal zuzuführen, das in einem bestimmten Verhältnis zur Spannung E steht. Der Rückkopplungs-

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kreis liefert ein erstes Regelsignal, das eine Funktion der Amplitude von Ξ ist, über die Leitung 3^ an die erste Eingangsklemme des Vergleichers Io.

Das System der Fig. 3 weist außerdem einen zweiten Signalkanal auf, der durch die Leitung 31 dargestellt wird und dazu dient, ein zweites Regelsignal der zweiten Eingangsklemme des Vergleichers Io zuzuführen. Das zweite Regelsignal ist proportional der Frequenz des Oszillatorsignals, das über die Leitung 21 der logischen Schaltung für den Wechselrichter zugeführt wird. Einige heutzutage erhältliche Oszillatorschaltungen liefern eine Ausgangsserie von Impulsen, deren Frequenz in einer bestimmten Beziehung zu dem Spannungspegel eines eingangsseitigen Wechselstrom-Steuersignals steht, das an den Oszillator angelegt wird. Durch einen derartigen spannungsgeregelten Oszillator wird die Ausführung der Erfindung noch weiter vereinfacht, da das der Frequenz proportionale Signal nicht von der Oszillatorschaltung hergeleitet werden muß, sondern ein Teil des Oszillatorsteuersignals selbst über die Leitung 31 unmittelbar an die Vergleicherschaltung angelegt werden kann. Wenn kein spannungsgeregelter Oszillator verwendet wird, läßt sich das benötigte zweite Gleichspannungs-Regelsignal, das der Frequenz proportional ist, auf einfache Weise erhalten, wie im nachstehenden anhand der Figuren H und 5 dargestellt ist.

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Ein Kunstgriff zur Erzeugung eines der Frequenz proportionalen Signals über die Leitung 31 ist in Fig. 4 dargestellt. Eine Konstantstromquelle 36 ist so geschaltet, daß sie einen konstanten Aufladestrom I an einen Kondensator 37 anlegen kann, so daß der Kondensator eine Ladung ansammelt und eine Spannung V erhält. Der Ausdruck für diese Spannung ist V = ■ t. In diesem Ausdruck stellt t die Zeitdauer dar, während welcher der Auf Ladestrom angelegt ist. Wenn angenommen wird, daß die an dem Kondensator 37 entwickelte Spannung V zur Zündung einer

Triggervorrichtung bei einer bestimmten Bezugsspannung V_f verwendet wird, wird die Schwingungsdauer T für die vereinfachte

VC Anordnung der Fig. 4 durch die Formel T = vorgegeben.

ο Die Frequenz f ist umgekehrt proportional zur Periode T, so

dafi f = . Somit ist der Aufladestrom I proportional v_yu ο

zur Frequenz f, und dieser Strom (oder ein von diesem Strom abgeleiteter Strom) kann als das der Frequenz proportionale Signal verv/endet werden, das über die Leitung 31 an den Vergleicher Io der Figuren 2 oder 3 angelegt wird.

Anhand der in Fig. 5 dargestellten allgemeinen Anordnung läßt sich ersehen, daß eine Gleichstromspannung E von der Gleichstrorn-Sammelschiene des Wechselrichters über die Leitungen 4o, 4l rückgekoppelt und an die aus dem ersten Widerstand R und dem zweiten Widerstand K₁ bestehende Reihenschaltung angelegt wird. Wenn der Effektivwert des Widerstandes R., 3ehr

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viel größer, wenigstens eine Größenordnung größer als der von R gemacht wird, kann angenommen werden, daß der durch den Pfeil 42 angedeutete Strom, welcher durch diese beiden Widerstände nach oben fließt, im wesentlichen gleich ist dem Wert von E, dividiert durch FL. Die Konstantstromquelle 36 wird durch eine geeignete Spannung gespeist, die von der Niederspannungsquelle 43 geliefert wird. Ein Filterkondensator 44 ist parallel zu dem Widerstand R_Q geschaltet. Eine Triggerschaltung 45 liegt zwischen der Ausgangsleitung 21a und dem gemeinsamen Knotenpunkt zwischen der Konstantstromquelle 36 und dem Aufladekondensator 37. Eine Ausgangsimpedanz 46 liegt zwischen den Ausgangsleitungen 21a und 21b.

Der Kondensator 37 wird aufgeladen, wenn der Aufladestrom I_f von der Leitung 4o durch den Widerstand R und die Konstantstromquelle 36 durch den Kondensator 37 zur Leitung 2ob fließt. Dieser Aufladestrom ist proportional der Oszillatorfrequenz, wie im vorstehenden erläutert worden ist. Die Spannung E ist proportional der Amplitude der Sammelschiene des Wechselrichters. Damit stellt e, die an dem Widerstand R entwickelte Korrekturspannung den Korrekturspannungsausgang des Vergleichers Io dar, der über die Leitung 14 abgegeben wird. In der Tat liefern die gegenläufigen Ströme durch den Widerstand R das Korrektursignal e, das ausgedrückt werden kann als

e = R_Q [l_f - -5—J , wenn angenommen wird, daß R^ sehr viel größer ist als R_Q. Wenn A als der Proportionalitätsfaktor

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( der ggf. über den ganzen Arbeitsbereich nicht konstant bleibt) des Steuergerätes 15 bezeichnet wird, ergibt sich beim Anlegen des Korrektursignals e an das Steuergerät die Samruelschienenspannung E des Wechselrichters zu

E = e A.

Wenn in diese Formel der bereits für e entwickelte Ausdruck eingesetzt wird, ergibt sich

^E =

R A

E = R I„A - E -2— of „

^Rl

E + E^R6 A = R I_fA ^Rl

^Rl

1 + R A ο

R In einem System, in welchem der Wert von einen sehr

viel größeren Wert als die Einheit hat, ergibt sich für Vf ^A

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j-, , . , -, * -^fJL · Wenn die Xonstantstromquelle 36 in einer bestimmten, konstanten Beziehung K.. zur Frequenz f steht, dann ist

i_f

f, oder

•4 = Kp, welches das gewünschte Ergebnis darstellt.

Die allgemeine Anordnung der Fig. 3 und die in Fig. 5 dargestellte Schaltung zeigen beide jeweils eine Anordnung, in welcher die Rückkopplungs spannung E von der Gleichst ror.-Sainmelschiene des Wechselrichters 4o, ¹H an der Eingangsseite des Wechselrichters hergeleitet wird. Es ergibt sich natürlich eine Änderung der Ausgangsspannung des Wechselrichters, wenn die Last 17 von einem unbelasteten Betriebszustand bis zu einem Betriebszustand mit voller Belastung gespeist wird. Wenn daher eine genauere Regelung des einem Induktionsmotor 17 zügeführten Verhältnisses von Spannung zu Periode gewünscht ist, läßt sich die Spannung E von der ausgangsseitigen Wechselspannung (oder einem Bruchteil der Ausgangsspannung) des Wechselrichters 16 herleiten und über die Leitungen 19, >2 der Rückkopplungsschaltung 33 zuführen. Vermittels dieser· Anordnung läßt sich eine f.cnauere Regelung dec eewünschten Ver-

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h;"ltnisse3 von Spannung zu Periode für die Speisespannung des .lotors erzielen.

Fi^. 6 zeigt eine zur Ausführung der Erfindung dienende Schaltung, in welcher ein Transistor als Suramiereinheit geschaltet ist, um dem Steuergerät das gewünschte Ausgangssignal zuzuführen. Wie in dieser Fig. dargestellt, liefert die rJiederspannungsquelle 43 eine Ausgangspotentialdifferenz an den Au3gang3leitungen 5o und |jl, wobei das Potential in der Leitung 5o in bezug auf das Potential in der Leitung 51 positiv ist. Diese Potentialdifferenz dient zur Speisung der Oszillatorscnaltung 18 und zur Abgabe eines der Frequenz des Oszillators 13 proportionalen Ausgangsaignals in der Leitung 31· Da~ zu lasrjen sich verschiedene Oszillatortypen verwenden, und die hier dargestellte Ausführung ist im einzelnen ausführlich beschrieben in der U.S".-Patentschrift 3 4ο6 355 der gleichen Anmelder in, rirfinaer Anthony Trujillo, Ausgabedatum 15. Oktober YjGb. Wie aus eier genannten Patentschrift ersichtlich, erscheinen in der Leitung 21 geeignete Zeitgeberimpulse, welche an die logische Schaltung des v/echselrichters angelegt werden können. Der durch die Leitung 31» die Diode 52 und durch aen /.ollekirr-amitter-überganp; den npri-'I'ransistors 36 fliessende .Jtrom ißt proportional der Arbeitsfrequenz des Oszillators 18. jjieayr otroir. fließt von dem Emitter des Transistors 36 ciureh (Jig Widerstände 53 und 5*f und durch den Basis-Emitterübergang einen Summiertransistors 55 zu der Leitung Hl. Der

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-U

- Io -

Emitter des Transistors 55 ist mit der Leitung 51, der negativen Spannungsleitung der Hiederspannungsquelle 43 und der positiven Leitung 41 der Wechselrichter-Sammelschiene verbunden. Der Transistor 55 kann natürlich auch durch eine äquivalente Halbleitervorrichtung ersetzt werden, die entsprechend der Basis, des Emitters und des Kollektors des Transistors eine Eingangs- und eine Ausgangsklemme und einen gemeinsamen An-™ Schluß aufweist.

Weitere Komponenten, die im oberen Teil der Fig. 6 dargestellt sind, umfassen drei in Reihe geschaltete Dioden 56, 57 und 58, die sämtlich zwischen der Basis des Transistors 36 und der Leitung 51 geschaltet sind und in der Regelungsschaltung zur Temperaturkompensation dienen. Die zur Frequenzeinstellung dienende Schaltung weist ein Haupt-Einstellpotentiometer 6o auf, dessen eines Ende durch ein erstes, zur Einstellung des ψ Frequenzbereiches dienendes Potentiometer 61 mit der Leitung 5o verbunden ist. Das andere Ende des Haupt-Einstellpotentiometers 6o ist mit der Leitung 51 über eine Reihenschaltung verbunden, welche aus dem effektiven Abschnitt eines zweiten, zur Einstellung des Frequenzbereiches dienenden Potentiometers 62 und einer Diode 63 besteht. Der bewegliche Arm (Abgreifer) des Potentiometers 60 ist durch einen Widerstand 64 mit der Basis des Transistors 36 verbunden. Ein Kondensator 62 verbindet die Basis des Transistors 36 mit der Leitung 51. Der zur Frequenzregelung und Temperaturkompensation dienende Ab- ,

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schnitt der Schaltung kann in herkömmlicher Weise vielfach abgeändert werden und die hier dargestellten Bauteile sind für das Verständnis oder die Ausführung der Erfindung nicht unbedingt erforderlich.

Ein Kondensator 65 ist zwischen der Leitung 61 und dem gemeinsamen Anschluß zwischen den Widerständen 53, 54 und 66 geschaltet. Ein Potentiometer 67 ist zwischen dem Widerstand 66 und der Leitung Ho geschaltet und dient zur Regelung des in der Summierschaltung erzeugten Stromes für einen gegebenen Spannungswert, der von der Gleichstrom-Sammelschiene des Wechselrichters angelegt wird. Dieser Strom_s der in einem gegebenen Augenblick in einer bestimmten Beziehung zu dem Spannungspegel in der Gleichstrom-Sammelschiene steht, fließt von der Leitung 4l d'Tch den Basis-Emitter-übergang des Transistors 55, die Widerstände 54 und 66 und das Potentiometer 67 zur Leitung 4o. Daher ist das in einer Beziehung zur Oszillatorfrequenz stehende Signal entgegengesetzt dem Signal, das in einer bestimmten Beziehung zur Wechselrichterspannung in dem Regelabschnitt des Transistors 55 steht, so daß der nutzbare Basisstrom und damit auch der Kollektorstrom dieses Halbleiters ein Summieroder Korrektursignal darstellt, welches (wenn überhaupt) die Abweichung von dem gewünschten Verhältnis von Amplitude zu Frequenz anzeigt. Dieses Summiersignal von dem Kollektor des Transistors 55 wird durch einen Widerstand 68 an die Basis eines pnp-Transistors 70 angelegt, welcher zur Verstärkung

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und zum Impedanzabgleich dient, bevor das gewünschte Regelsignal über den Kollektoranschluß 14a und den Emitteranschluß 14b des Transistors an die Spannungsregelungsschaltung angelegt wird.

Fig. 7 zeigt ein Regelsystem, das wie die Anordnung der Fig. 3 einen regelbaren übertrager 27 und einen Stellmotor 2b aufweist, welcher den übertrager in Abhängigkeit von dem von der Ausgangsseite des Vergleichers angelegten Rcgelsignals antreibt, üas System der Fig. 7 unterscheidet sich nur darin, daß der regelbare übertrager zwischen dem Wechselrichter und der Last angeordnet ist, so daß durch einstellung des Übertragers die Amplitude der Wechselspannung geregelt wird, welche über die Leitung 19 zur Speisung des Motors dient. Andere Ausführungen von Spannungsregelungsschaltungen wie beispielsweise ein phasengeregelter Gleichrichter können zur Ausgangsseite des Wechselrichters gekoppelt sein, um die Amplitude der an die Last angelegten Spannung zu regeln. Anordnungen dieser Art sind für den Fachmann ohne weiteres offensichtlich.

Zusätzlich zu den Steuergeräten, die dazu dienen, entweder die eingangsseitige Gleichspannung an dem Wechselrichter oder die an dem Ausgang des Wechselrichters abgegebene Wechselspannung zu regeln, gibt es viele Regelungstechniken und -schaltungen, die mit dem Wechselrichter zusammengefaßt sind und dazu dienen, die Amplitude der an die Lust abgegebenen Spannung zu regeln.

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Zur Erzielung einer derartigen Regelung lassen sich auch verschiedene Formen von Schaltungen zur Impulsbreitenmodulation verwenden, tine derartige Schaltung ist beispielsweise in der ü.^.-Patentschrift IJr. 3 4o6 328 der Anmelderin mit dem Titel "static Inverter Carrier System" (Statisches wechselrichterj.rägersystem) des Erfinders George H. Studtmann vom 15. Oktooer 1966 offenbart und beansprucht. Das System dieser Erfindung läßt sich ohne weiteres an derartige Anordnungen anpassen, da die hier zur Rede stehende Erfindung nicht auf der Spannungsregelung, sondern auf der Art und Weise beruht, in welcher das erste und das zweite Regelsignal hergeleitet und der Regelanordnung zugeführt v/erden. Für den Fachmann sind derartige äquivalente Anordnungen ohne weiteres ersichtlich.

Es ist selbstredend, daß das erfindungsgemäße Regelsystem gegenüber früheren regelsystemen für die Konstanthaltung des Verhältnisses von Spannurigsarr.plitude zu Frequenz bedeutende Vorteile der i.irtschaftlichkeLt und Einfachheit aufweist, indem die früner verwendete komplexe Wandlereinrichtung ersetzt und vermittels einer einfacnen Rückkopplungsschaltung ein das Verhältnis anzeigendes Signal erhalten wird. Das in einer Bezienun;: zur ArapLitudc stehende Signal läßt sich in einfacher V.'eino von der nückkopplungsschaltung herleiten und das in einer iieziehung zur Frequenz stehende Signal wird entweder durch einen spannungsgere^elten Oszillator oder durch eine der z.B. in den Figuren ^l> oder (> dargestellten Schaltungen oder durch ver-

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schiedene andere, dem Fachmann bekannte Anordnungen erhalten, und diese Signale werden im Vergleicher Io zur Herleitung des gewünschten Regelsignals gemischt.

- Patentansprüche 003829/0987

Claims (2)

Patentansprüche :

1.1 Regelsystem für die Aufrechterhaltung eines im wesentliehen konstanten Verhältnisses zwischen Amplitude und Frequenz der von einem Wechselrichter an eine elektrische Last abgegebenen Wechselspannung, wobei das System eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gleichspannung zum Betrieb eines Wechselrichters und einen Oszillator aufweist, der in einer Weise geschaltet ist, daß er eine Serie von Zeitgeberimpulsen abgeben kann, die zur Regelung der Frequenz der Wechselspannung dienen, gekennzeichnet durch einen Vergleicher (10), der einen zur Abgabe eines Regelsignals dienenden Ausgang, und einen ersten und einen zweiten Eingang aufweist, einen ersten Signalkanal (32, 33, 3¹O , der den ersten Eingang des Vergleichers mit dem Wechselrichter (16) verbindet und eine Vorrichtung (33) zur Abgabe eines ersten Regelsignals, das in einer bestimmten Beziehung zur Amplitude der Wechselspannung steht, aufweist, einen zweiten Signalkanal (31), der den zweiten Eingang des Vergleichers mit dem Oszillator (18) verbindet und zur Abgabe eines in einer bestimmten Beziehung zur Frequenz der Wechselspannung stehenden zweiten Regelsignals dient, durch welches das von dem Vergleicher abgegebene Regelsignal Informationen zur Aufreehterhaltung des gewünschten Verhältnisses zwischen Amplitude und Frequenz der Wechselspannung enthält, und durch eine zur Spannungsregelung dienende Schaltung (25-27

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oder 38), die so geschaltet ist, daß sie den Spannungspegel der an die Last (17) in Abhängigkeit von dem von dem Vergleicher erhaltenen Regelsignal angelegten Wechselspannung in einer Weise einstellen kann, daß das gewünschte Verhältnis zwischen Amplitude und Frequenz der Wechselspannung aufrechterhalten wird.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Signalkanal (31) einen ersten Widerstand (R_Q)j der mit einer Konstantstromquelle (36) in Reihe geschaltet ist, welche dazu dient, einen der Frequenz der Wechselspannung proportionalen Strom zu liefern, und eine Speisevorrichtung (43) für den ersten Signalkanal aufweist, der erste Signalkanal (32) einen zweiten Widerstand (R₁), der mit dem ersten Widerstand (R ) in Reihe geschaltet ist und einen Widerstandswert hat, der wenigstens um eine Größenordnung höher liegt als der Widerstandswert des ersten Widerstandes, und eine Vorrichtung (40, 41) aufweist, die dazu dient, die aus dem ersten und dem zweiten Widerstand bestehende Reihenschaltung mit einer Gleichspannung (E) zu beschicken, die proportional ist der Amplitude der Wechselspannung und die eine solche Polarität hat, daß durch den ersten Widerstand ein Strom entgegengesetzt zu dem erstegenannten Strom fließt und die an dem ersten Widerstand anliegende Nutzspannung (e) eine Regelspannung ist, welche das Ausmaß und die Richtung einer Abweichung von dem konstanten Verhältnis zwischen

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Amplitude und Frequenz angibt, die zur Spannungsregelung dienende Schaltung in einer Weise angeschlossen ist, daß ihr die Regelspannung zugeführt werden und sie die Amplitude der an die elektrische Last abgegebenen Wechselspannung regeln kann, und zwischen dem ersten Signalkanal und dem Oszillator eine zur Regelung der Oszillatorfrequenz als Punktion der Höhe des ersten Stromes dienende Vorrichtung (^5) angeordnet ist.

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Le e rs e i te