DE2045971A1

DE2045971A1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines mehrphasigen Wechselstroms

Info

Publication number: DE2045971A1
Application number: DE19702045971
Authority: DE
Inventors: Charles Edward Chausse Burnette Paul Roanoke Va Konrad (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-09-29
Filing date: 1970-09-17
Publication date: 1971-04-15
Also published as: CH519267A; GB1322596A; SE362556B; JPS549015B1; US3641566A

Description

Dr. rer. nat. Horst Schüler 2045971 ₆ Frankfurt/Main ι, den \ h. Sep.

PATENTANWALT Niddasfraße 52

Telefon (0611) 237220 Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M. Bank-Konto: 523/3168 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

16O6-21-IY-2141

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N. Y. / USA

Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines mehrphasigen Wechselstroms

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines mehrphasigen Wechselstroms und insbesondere eine Anordnung, in der der mehrphasige Wechselstrom auf digitale Weise erzeugt wird.

Bei bekannten Verfahren wird ein Drehstromgenerator für die Erzeugung eines mehrphasigen Wechselstroms verwendet. Bei diesen Verfahren erhält man einen Wechselstrom beliebiger, gewünschter konstanter Frequenz und Spannung. Die Erzeugung von mehrphasigem Wechselstrom durch andere Mittel anstelle eines Drehstromgenerators weist jedoch viele Probleme auf. Beispielsweise hält in einem Dreiphasensystem die mechanische

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Anordnung der Spule in dem Generator die Phasen um einen Winkel von 120° getrennt. Bei irgendeinem anderen System muß dies durch drei einzelne Frequenzschaltungen durchgeführt werden, die miteinander synchronisiert und um einen Phasenwinkel von 120 voneinander getrennt sind. Für sehr niedrige Stromstärken, beispielsweise im M ikroampe rebe reich, ist der Drehstromgenerator unerwünscht, da die bei dem Generatorverfahren entstehenden Oberwellen unzulässige Verzerrungen in den einzelnen erzeugten Phasen verursachen. Außerdem ist die Konstruktion der Regelung für den Motor, welcher den Generator antreibt, notwendigerweise sehr kompliziert in den Fällen, in denen der Wechselstrom eine variable Frequenz besitzen fc soll, da ein sehr hoher Genauigkeitsgrad erforderlich ist,

um in jedem Punkt des Frequenzbereiches die Frequenz konstant zu halten.

Die Korabination eines Motors und eines Drehstromgenerators unterliegt dem Verschleiß und die Regelung zur Frequenzkonstanthaltung einer über einen großen Bereich variablen Frequenz bedingt bei dem Dreiphasenwechselstrom hohe Anlagekosten.

Bei jeder anderen Methode zur Erzeugung von Dreiphasenwechselstrom gibt es zwei Funktionen, die große Schwierigkeiten verursachen:

1) Die Phasen genau in einem Winkelabstand von 120° zu halten und

2) die Notwendigkeit in allen drei Phasen über einen großen Wertebereich eine Spannungslinearität aufrechtzuerhalten.

Fs sind bereits andere Methoden zur Erzeugung eines Wechselstroms mit variabler Frequenz bekannt. Eine Methode liefert eine Frequenz, die auf folgende Weise gewonnen wird: Eine Frequenz mit einem Frequenzbereich von O bis zu einem sehr hohen Wert und eine konstante Frequenz mit einem niedrigeren Wert werden kombiniert und die Resultierende wird durch ein

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Filtersystem gegeben. Elektronische Filter sind üblicherweise für bestimmte Frequenzen konstruiert und es ergeben sich beträchtliche Konstruktionsprobleme bei der Aufrechterhaltung einer hohen Zuverlässigkeit bezüglich der Ausgangsspannung des Systems, wenn sie in Anwendungsfällen verwendet werden, bei denen variable Frequenzen erforderlich sind. Z.Zt. wird jedoch die obige Methode zur Erzeugung variabler Frequenzen für solche Geräte wie beispielsweise Dre iphasenzyklokonve rter verwendet. Für diesen bestimmten Anwendungsfall wird für jede der drei Phasen mit einer Phasenverschiebung von 120 eine Festfrequenz in eine Rechteckwelle umgewandelt. Dann wird jeder dieser Rechteckwe-llen eine gemeinsame variable Frequenz zugefügt. Diese Kombination erzeugt für jede der Phasen eine Frequenz, welche den gleichen Wert wie die Frequenz in der anderen Phase besitzt, wobei die einzelnen Phasen einen Abstand von 120° voneinander besitzen. Da die Festfrequenzen aus der gleichen Quelle stammen und die variable Frequenz jeder dieser Festfrequenzen zugefügt wird, besitzt die resultierende Frequenz eine konstante Phasenbeziehung. Bei einem großen Frequenzbereich kann jedoch der Spannungsabgleich zwischen einer Phase und der anderen bei diesem System die Anforderungen nicht erfüllen.

Das obige System beruht auf einem Analogprinzip, welches eine inhärente Empfindlichkeit gegenüber Temperatüränderungen aufweist.

Um diese Probleme zu überwinden, gibt die vorliegende Erfindung die technische Lehre der Verwendung eines Digitalsystems, in dem der Abgleich der Phasen untereinander sehr genau vorgegeben werden kann. Die Genauigkeit des Digital-Analog-Wandlers in den System bestimmt den erforderlichen Abgleich. Ein Vorteil besteht darin, daß das System völlig unabhängig von der Frequenz ist. Die drei Phasen werden synchron in einem Abstand von 120° zueinander durch die logische Schaltung gehalten, welche in ihrer Auswirkung analog der mechanischen

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Anordnung bei dem Beispiel der Kombination eines Motors und eines Generators ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die von dem System erzeugte Frequenz bis auf O herunter geändert werden kann, so daß die Umkehr der Phasensequenz nicht den magnetischen Kreis des Motors stören kann, der von dem System angetrieben wird. Bei einem Dreiphasensystem ist die momentane Summe der Spannungen in den drei Phasen Null. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit liefert, diese Beziehung im ganzen ' Frequenzbereich beizubehalten.

Nachstehend folgt eine nähere Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Schaltkreises für eine Dreiphasen-Sinusbezugswelle und zeigt die Beziehung zwischen dem Eingangs- und Ausgangssignal.

Figur 2 zeigt die Schaltung für die Sinusbezugswelle, eingerichtet für Verwendung beim Finphasenbetrleb.

Figur 3A zeigt die Eingangs impulse auf den Zähler während einer Periode.

Figur 3B zeigt das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers,

Figur 3C ist eine Übereichtstäbelie des Schalteingangs des Digital-Analog-Wandlers.

Figur 4 zeigt die Schalterschaltkreise zu dem Digital-Analog-Wandler der Phase 1.

Figur 5 zeigt die Schalterschaltung für den Digital-Analog-Wandler der Phase 2.

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Figur 6 zeigt die Schalterschaltung für den Digital-Analog-Wandler der Phase 3.

Figur 7 zeigt die Schaltung des positiven Teils des Digital-Analog-Wandlers.

Figur 8 zeigt die Schaltung des negativen Teils des Digital-Analog-Wandle rs.

Figur 9 zeigt die resultierenden Wellenformen während der Phasenumkehr in einem Dreiphasensystem.

Figur 1 zeigt eine Schaltung 11 für die Sinusbezugswelle, welche an den Ausgangsanschlüssen 13 bis 15 eine Dreiphasen-Wechselspannung an die drei Leistungsverstärker 17 bis 19 abgibt. Jeder der Leistungsverstärker 17 bis 19 verstärkt den zugeführten Strom der einzelnen Phase zur Weiterverwendung mit anderen Einrichtungen, beispielsweise Zyklokonvertern, Invertern und ähnlichen. Fin Anschluß 12 für die Eingangsimpulsfolgefrequenz erhält Impulse mit variabler Folgefrequenz aus einem nicht gezeigten Impulsgenerator. Das Verhältnis der Folgefrequenz der Eingangsimpulse zur Frequenz des Ausgangswechselstroms ist konstant, so daß bei änderung der Folgefrequenz der Eingangsimpulse die Frequenz des Ausgangssignals von der Sinuswellenbezugsspannungsschaltung 11 proportional dazu geändert wird.

Ein Spannungseingang 16 zu der Bezugssignalschaltung 11 ist vorgesehen, um die Stromstärke des sinusförmigen Ausgangswechselstroms mit der Änderung der Frequenz nachzustellen. Es ist erwünscht, eine konstante Amplitude des Wechselstroms zu besitzen, d.h. der Spitzenwert des Stroms muß unabhängig von der Frequenz stets der gleiche sein. Wenn der Verbraucher des Systems nur einen ohm'sehen Widerstand aufweist, dann hat die Amplitude des Bezugswechselstroms einen festen Wert unabhängig von der Frequenz. Wenn jedoch der Verbraucher eine

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Ideale Induktivität ohne ohm'sehen Widerstand ist, dann sollte der zugeführte Betrag an Voltsekunden pro Periode unabhängig von der Frequenz sein, d.h. die Amplitude der Bezugswelle ist direkt proportional der Frequenz. In der Praxis besitzen alle induktiven Verbraucher einen ohm'sehen Anteil und daher ist bei der Frequenz Null eine von Null abweichende Spannung notwendig, um die gewünschte Stromstärke zu erhalten. Der Spannungswert ändert sich daher mit der Frequenz. Er ist jedoch um einen Wert abgeändert, welcher gleich dem Spannungsabfall über dem ohm'schen Anteil des induktiven Verbrauchers für einen vorgegebenen Stromwert ist.

Ein drittes Eingangssignal 20 wird der Bezugsschaltung 11 zu-P geführt und bestimmt die Phasensequenz der drei Phasen 13 bis

15 der sinusförmigen Bezugsspannung am Ausgang. Hierdurch wird eine Umkehr der Phasensequenz möglich, wie weiter unten erläutert.

Figur 2 zeigt eine Einphasenversion der Schaltung für eine sinusförmige Bezugsspannung einschließlich eines Zählers 21 und eines Digital-Analog-Wandlers 23, dessen Ausgangssignal dem Leistungsverstärker 25 mit einem Ausgangsanschluß 29 zugeführt wird. In dieser Ausführungsform wird ein Zähler 21 verwendet, um eine Anzahl von parallelen Leitungswegen zu erhalten. Jeder Leitungsweg wird zeitlich nacheinander während ^ einer vorgegebenen Zahl von Winkelgraden des Phasenwinkels

zugeschaltet. Dadurch wird eine Reihe von Segmenten für jede Periode des Ausgangswechselstroms erzeugt. In dem Beispiel ist eine Periode in Abschnitte von jeweils 10° unterteilt. Daher sind insgesamt 36 Leitungswege 27 vom Ausgang des Zählers 21 zu dem Digital-Analog-Konverter 23 erforderlich, um eine Periode des Wechselstroms zu erzeugen. Der Winkel jedes Teilabschnittes bestimmt auch die Anzahl der am Eingang des Zählers 21 erforderlichen Impulse. Beispielsweise ist die Eingangsfrequenz der Impulse für eine Unterteilung in Abschnitte von 10° sechsunddreißigmal so groß wie die Ausgangsfrequenz

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des Wechselstroms. Die Zahl der Unterteilungen der Periode des Wechselstroms kann geändert werden, um den geforderten Bedingungen gerecht zu werden. Eine Erhöhung der Zahl der Unterteilungen ergibt kleinere Stufen und eine bessere Annäherung an eine reine Sinuswelle als die 36 Segmente des vorliegenden Beispiels. Eine Verringerung der Zahl der Unterteilungen ergibt größere Stufen und damit eine gröbere Annäherung an die reine Sinuswelle.

Zur Umwandlung der Impulsfolgefrequenz in eine Reihe von aufeinanderfolgenden Signalen 27 kann eine nicht gezeigte Decodiervorrichtung erforderlich sein, um das Ausgangssignal vom Zähler 21 so umzuformen, daß es kompatibel für den Digital-Analog-Wandler 23 wird. In dem Beispiel wird ein Binärzähler mit einer Kapazität von 6 Bits verwendet, und es wird ein Decoder benötigt, so daß jeder der 36 Zustände des Zählers auf einen von 36 aufeinanderfolgenden Ausgangsanschlüsse gegeben wird. Dies ist analog einem Drehschalter mit 36 Kontaktpunkten, die jeweils von dem Rotor geschaltet werden, welcher nacheinander mit den einzelnen Punkten Kontakt macht. Die erhaltenen 36 zeitlich aufeinanderfolgenden Signale werden dem Digital-Analog-Wandler 23 zugeführt, wo diese 36 Signale in eine Kombination von St romstärke Signa le n umgewandelt werden. Diese sind jeweils proportional dem Betrag des Sinus des Winkels, bei dem das Signal auftritt.

Figur 3 zeigt den Fingangsimpuls zu dem Zähler 21. Dem Zähler wird in Intervallen von 10° bezogen auf die Periode der Sinuswelle ein Impuls zugeführt. Daher wird an dem Punkt 0°, welcher mit dem Punkt 360° der vorhergehenden Periode zusammenfällt, der Zähler 21 auf Null zurückgestellt, wodurch auch alle 6 Bits des Zählers auf Null zurückgestellt werden. Der Impuls für 10° stellt den Zähler auf 1, der Impuls für 20° stellt den Zähler auf 2, der Impuls für 30° stellt den Zähler auf 3 und dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis der Zähler bei dem Impuls für 350° auf 35 eingestellt ist. Der

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36. Impuls tritt bei 360° auf und stellt den Zähler auf Null zurück und damit auf die Null-Stellung für die nächste Periode. Jede der Zählzahlen wird durch die Decodierungsschaltung decodiert und dadurch werden 36 aufeinanderfolgende Signale erhalten, die jeweils eine Dauer von 10 bezogen auf die Periodendauer besitzen. Daher erzeugt bei der Zählzahl 0 der Decodierer ein Signal, welches 10° lang anhält, bei der Zählung von 1 erzeugt der Zähler ein weiteres Signal, das IO anhält, bei der Zählzahl 2 erzeugt der Decodierer ein weiteres Signal, das 10° lang anhält und so fort, bis zur letzten Zahl bei dem Winkel 360°. Zu diesem Zeitpunkt wird dann der Zyklus wiederholt.

Um eine Annäherung an den sinusförmigen Verlauf des Wechselstroms zu erhalten, wird jedem der so erzeugten Signale ein Stromstärkewert zugefügt, welcher etwa gleich dem Sinus des Winkels ist, während dem das Signal auftritt. Verschiedene Arten von Digltal-Analog-Wandlern sind verfügbar. Es ist daher möglich, einen Digital-Analog-Wandler des Widerstandstyps zu verwenden, bei dem ein Widerstand mit einem anderen Wert für jede Stufe der Sinuswelle einen entsprechend verschiedenen Stromwert dadurch erzeugt, daß an den Widerständen eine konstante Spannung anliegt. Dies würde Schaltanordnungen für neun verschiedene Widerstandszweige für die positive Seite der Sinuswelle und neun Widerstände und zugehörige Schaltungsanordnungen für die negative Seite der Sinuswelle erfordern. Die vorliegende Frfindung verwendet sechs Widerstandszweige und Schaltanordnungen, indem die Widerstandszweige einzeln und in Kombination miteinander verwendet werden, um eine Stromstärke zu erhalten, die dem Wert des Sinus des mittleren Winkels gleich ist, während dem die Zweige verwendet werden. In Figur 3C, Spalte 41, werden die einzeln oder in Kombination verwendeten Sinuswerte der Winkel für den positiven und den negativen Teil der Periode gezeigt. Die durch die Kombination der Sinuswelle dieser Winkel bei Verwendung eines positiven und eines negativen Netzteils für 50 Volt sich ergebenden

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Werte in Mikroampere werden in Spalte 43 aufgeführt. Die Werte für den positiven Teil der Periode sind positiv und für den negativen Teil der Periode ergeben sich negative Werte. Figur 3B zeigt das Ausgangssignal des Dlgital-Analog-Wandlers in Mikroampere, das sich aus der Digital-Analog-Eingangsschaltung entsprechend Figur 3C ergibt. Daher ergibt der Sinus von +10° eine Stromstärke von 175 Mikroampere in dem Zeitraum zwischen dem Winkel von 10 und 20 der Periode. Der Sinus von 20° ergibt während des Zeitraums von 20° bis 30° der Periode einen Strom von +339 Mikroampere. Der Sinus von 30° ergibt während des Zeitraums von 30 bis 40° der Periode +500 Mikroampere. Der Sinus von 40° ergibt in dem Zeitraum zwischen 40 und 50° der Periode 642 Mikroampere. Der Sinus von 50° ergibt in dem Zeitraum zwischen 60 und 70° 765 Mikroampere. Die Kombination des Sinus von 21,2° und des Sinus von 30° erzeugt in dem Zeitraum von 60 bis 70° der Periode 860 Mikroampere. Die Summe des Sinus von 50° und des Sinus von 1O° erzeugt in dem Zeitraum zwischen 70 und 80 der Periode 941 Mikroampere. Die Kombination des Sinus von 40° und des Sinus von 20° erzeugt in dem Zeitraum zwischen 80° und 90° 982 Mikroampere. Eine Kombination des Sinus von 40° und des Sinus von 20° erzeugt 1002 Mikroampere. Das zweite Viertel der Periode ist identisch dem ersten Viertel, wobei sich der Wert von dem Maximalwert von 982 Mikroampere auf 0 verringert während des Zeitraums von 100° bis 190°. Der Teil der Kurve von 190° bis 360° ist identisch dem Teil von 0 bis 190°, wobei die Werte negative Polaritäten besitzen. Die Schaltkombinationen für jede der 10°-Unterteilungen der Sinuswelle sind in Figur 3C durch schraffierte Blöcke gezeigt und in diesem Zeitraum wird die Kombination der Widerstandszweige zugeschaltet.

In dem obenbeschriebenen System sind daher im Endeffekt zwei Decodierschaltungen enthalten. Fine Decodlerschaltung wird verwendet, um das Ausgangssignal des Zählers von einem Binärcode in eine Reihe von Impulsen umzuwandeln, die jeweils zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangsleitungen zugeführt werden.

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Ein zweiter Decodierer liefert eine Umschaltvorrichtung für die Widerstandsbrücken, die so angeordnet sind, daß man einen geeigneten Strom durch jede der zeitlich aufeinanderfolgenden, zugeschalteten Ausgangsleitungen erhält, um einen Wechselstrom zu erhalten, der sich gut an eine echte Sinuswelle annähert.

Der Eingang 16 (Figur 1) für den Spannungswert, welcher die Stromstärke.für den Ausgangswechselstrom nachstellt, erfolgt durch Änderung des Spannungswertes auf den nicht gezeigten positiven und negativen Sammelleitungen. Die in der Spalte "der Figur 3 wiedergegebenen Werte werden proportional zur Verringerung der Spannung von ursprünglich 50 Volt auf den Sammelleitungen verringert. Diese Änderung des Spannungswertes auf den Sammelleitungen ist an sich bekannt und kann durch ein Paar von Rechen verstärkern durchgeführt werden, von denen einer den Faktor 1 und der andere einen vorgegebenen Faktor besitzt. Da das Ausgangssignal eines Rechenverstärkers stets die umgekehrte Polarität wie das Eingangssignal aufweist, kehrt der Rechenverstärker mit dem Faktor 1 lediglich den Ausgang des anderen um und erzeugt dadurch eine negative Ausgangsspannung mit der gleichen Amplitude wie die positive Ausgangsspannung. Eine änderung des Haßstabsfaktors bewirkt eine änderung der Amplitude des Ausgangs sowohl auf der positiven als auch auf der negativen Sammelleitung. Eine weitere Vorrichtung zur Erzeugung einer variablen Spannung besteht darin, daß man für die Ausgangssignale auf der positiven und auf der negativen Sammelleitung eine Widerstandsbrückenanordnung vorsieht.

In einem Dreiphasensystem entsprechend Figur 1 erzeugt ein Zähler das erforderliche codierte Ausgangssignal von 36 Zählzahlen zur Erzeugung der 36 Stufen von jeweils IO , wie es im Zusammenhang für das Einphasensystem beschrieben wurde. Ein Decodierer wandelt dieses codierte Ausgangssignal in eine Folge von Ausgangssignalen um, wobei nacheinander jedes Signal von einer der 36 Ausgangsleitungen erzeugt wird. Dieser

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Decodierer ist nicht erforderlich, wenn eine Vorrichtung verwendet wird, die einen Ausgang mit den notwendigen 36 zeitlich aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen besitzt, beispielsweise ein Drehschalter, ein Verteiler oder etwas ähnliches.

Jede der 36 Leitungen von der Decodierungsschaltung werden einer Reihe von NAND-Schaltungen zugeführt. Eine NAND-Schaltung erzeugt am Ausgang eine binäre Null, wenn alle Fingangssignale die binäre Eins sind. Wenn eines der Eingangssignale eine binäre Null ist, ist das Ausgangssignal eine binäre Eins.

Figur 4 zeigt die NAND-Schaltungen 61 bis 72, die normalerweise von den 36 Leitungen ein Signal für die binäre Eins erhalten.Beispielsweise erhält die NAND-Schaltung 61 Eingangssignale von den Leitungen für 10°, 70°, 110° und 170°. In ähnlicher Weise erhält die NAND-Schaltung 65 Signale von den Leitungen für 40°, 80°, 100°, 140° und 90°. Alle anderen NAND-Schaltungen 62 bis 64 und 66 bis 72 erhalten in ähnlicher Weise Signale von den Leitungen für bestimmte Phasenwinkel, wie in der Figur dargestellt. Da die Fingangssignale für jede der NAND-Schaltungen normalerweise eine binäre Eins sind, sind die Ausgangssignale daher normalerweise eine binäre Null. Jeweils dann jedoch, wenn die einzelnen Leitungen für einen Abschnitt von 10° mit einem Signal für die binäre Null versehen werden, wird am Ausgang der NAND-Schaltung, der das Signal für die binäre Null zugeführt wird, ein Signal für die binäre Eins erzeugt. Beispielsweise wird der NAND-Schaltung 61 über die Eingangs leitungen 10°, 70°, 110° und 170° normalerweise jeweils ein Signal für die binäre Eins zugeführt. Während des Ze it Intervalls von 10° bis 20° der Periode wird jedoch dem 10 -Fingang eine binäre Null zugeführt und in ähnlicher Weise während der Perioden von 70° bis 80° und 11O° bis 120° und 170° bis 180°. Während dieser Perioden ändert sich das Signal am Ausgang der NAND-Schaltung 61 von einer binären 0 auf eine binäre 1. Diese wird dem Digital-

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Analog-Wandler 73P zugeführt, wo auf dieses Signal hin der richtige Strom positiver Polarität erzeugt wird. Ein weiteres Beispiel ist die NAND-Schaltung 65, die Eingangsleitungen für 40°, 80°, 100°, 140° und 90° aufweist. Auf diesen Leitungen wird ihr normalerweise jeweils ein Signal für die binäre 1 zugeführt. Während des Zeitraums von 40° bis 50° wird das Fingangssignal auf der 40 -Leitung geändert in eine binäre 0. Hierdurch wird veranlaßt, daß das Signal am Ausgang der NAND-Schaltung in eine binäre 1 übergeht. In ähnlicher Weise wird der Ausgang der NAND-Schaltung 65 während des Intervalls von 80° bis 90° und 100° bis 110°, 140° bis 150° und 90° bis 100° auf eine binäre 1 abgeändert. Alle anderen NAND-Schaltungen 62 bis 64 und 66 bis 72 arbeiten in der gleichen Weise. Aus Figur 3C ist ersichtlich, daß die 10°-Leitung während der oben im Zusammenhang mit der NAND-Schaltung 61 beschriebenen Perioden zugeschaltet wird und in ähnlicher Weise die 40 -Leitung während der oben im Zusammenhang mit der NAND-Schaltung 65 beschriebenen Perioden zugeschaltet wird. In Figur 3C wird gezeigt, daß während des Intervalls von 80° bis 90° ein Strom geliefert werden muß, der gleich der Summe des Sinus von 20° und des Sinus von 40° ist. Daher müssen in Figur 4 die dieser Schaltkombination entsprechenden NAND-Schaltungen beide gleichzeitig zugeschaltet werden, was durch die Eingani
und 65 bewirkt wird.

was durch die Eingangsleitungen 80° zu den NAND-Schaltungen

Die Ausgangssignale von den NAND-Schaltungen 67 bis 72 werden jeweils durch die Inverter 65 bis 68 umgekehrt, bevor sie dem Digital-Analog-Konverter 73N zugeführt werden. Dadurch wird der negative Teil der Sinuswelle des erzeugten Wechselstroms erhalten. Die Inverterschaltung nach Figur 4 kehrt die Eingangssignale um, so daß bei Vorhandensein eines Signals für die binäre 1 am Eingang der Inverterschaltung das Ausgangssignal eine binäre 0 ist. Wenn dem Fingang des Inverters eine binäre 0 zugeführt wird, ist der Ausgang eine binäre Wenn daher irgendeine der Fingangsleitungen der NAND-Schaltungen 67 bis 72 eine binäre 0 zugeführt wird, dann ist der

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Ausgang der entsprechenden NAND-Schaltung eine binäre 1, die dann einer der Inverte rsc halt ungen 75 bis 80 zugeführt wird. Dadurch wird das Ausgangssignal des Inverters eine binäre O, die dann dem Digital-Analog-Wandler 73N zugeführt wird. Die Ausgangssignale des positiven Digital-Analog-Wandlers 73P und des negativen Digital-Analog-Wandlers 73N werden dem nicht gezeigten Bezugsspannungsverstärker zugeführt, um eine Sinusspannung für die Phase 1 zu erhalten.

Die Sinusspannung für die Phase 2 (Figur 5) wird in ähnlicher Weise durch eine zweite Reihe von NAND-SchaItungen 83 bis 94 gewonnen, die jeweils für die einzelnen Phasenwinkel Eingangsleitungen von der Decodierschaltung der Figur 1 enthalten. Da in einer Dreiphasenschaltung jede der Phasen um 120 gegenüber jeder der anderen beiden Phasen versetzt ist, ist es notwendig, daß die Eingangsleitungen zu den NAND-SchaItungen 83 bis 94 zu Leitungen für die Phasenwinkel so verbunden sind, daß man erreicht, daß diese bestimmte NAND-Schaltung 120° vor oder nach der entsprechenden Schaltung in den anderen Phasen eingeschaltet wird. Daher hat die NAND-Schaltung 83 eine äquivalente NAND-Schaltung 61 in der Phase 1 (Figur 4), welche bei dem Phasenwinkel 10°, 70°, 110° und 170° Signale für die binäre 0 erhält. Da die Phase 2 (Figur 5) um 120° gegenüber der Phase 1 versetzt sein soll, ist damit festgelegt, daß die NAND-Schaltung 83 Eingangssignale bei 130°, 190°, 230° und 290° erhalten muß, um eine Sinuswelle zu erzeugen, welche einen Stromwert entsprechend dem Sinus von 10 besitzt.

In ähnlicher Weise hat die NAND-Schaltung 87 als äquivalentes Gegenstück eine NAND-Schaltung 65 in der Phase 1 (Figur 4), welche Eingangssignale für eine binäre 0 bei 40°, 80°, 90°, 100° und 140° erhält. Durch die 120°-Verschiebungen der Phase 2 gegenüber der Phase 1 ist festgelegt, daß die Eingangssignale zur NAND-Schaltung 87 bei 160°, 200°, 210°, 220° und 260° auftreten. Die NAND-SchaItungen 89 bis 94 geben Ausgangssignale ab, welche den Inverte rsc ha It ungen 97 bis 102

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zugeführt werden. In diesen Schaltungen werden die Signale jeweils umgekehrt und dem Digital-Analog-Wandler 95N zur Erzeugung des negativen Teils der Sinuswelle der Phase 2 zugeführt. Die von den NAND-SchaItungen 83 bis 88 erzeugten Ausgangssignale werden dem Digital-Analog-Wandler 95P zugeführt, welcher den positiven Teil der Sinuswelle der Phase erzeugt.

Die Phase 3 (Figur 6) ist in ähnlicher Weise um 120° gegenüber den anderen beiden Phasen versetzt. Daher müssen die •Sinuswelle, welche durch die Zuführung von Signalen zu den NAND-Schaltungen 115 bis 116 zusammengesetzt wird, und damit auch die entsprechenden Ausgangssignale, um 120° gegenüber den Signalen versetzt sein, die den äquivalenten NAND-Schaltungen 83 bis 94 in Phase 2 (Figur 5) und den NAND-Schaltungen 61 bis 72 in Phase 1 (Figur 4) zugeführt werden. Daher treten beispielsweise die Eingangssignale zur NAND-Schaltung 105 bei 250°, 310°, 350° und 50° auf und die äquivalente NAND-Schaltung in der Phase 2 (Figur 5) erhält ihre Signale bei 130°, 190°, 230° und 290°. Die der NAND-Schaltung 61 der Phase 1 (Figur 4) zugeführten äquivalenten Signale treten bei 10°, 70°, 110° und 170° auf, so daß die Signale jeweils gegenüber den den Schaltungen für die anderen Phasen zugeführten Signale um 120° versetzt sind. In Phase 3 wird das Ausgangssignal der NAND-Schaltungen 105 bis 110 dem Digital-Analog-Wandler 121P zugeführt, um den positiven Teil der Wechselstromsinuswelle zu erzeugen. Die Ausgangssignale der NAND-Schaltungen 111 bis 116 werden den Inverterschaltungen 123 bis 128 zugeführt, welche die Signale umkehren und Ausgangssignale an den Digital-Analog-Wandler 121N abgeben, in dem diese Signale den negativen Teil der Wechselstromsinuswelle erzeugen. Die Ausgangssignale der Digital-Analog-Wandler 121P und 121N werden einem nicht gezeigten Bezugsverstärker zugeführt, um ein Spannungssignal zu erzeugen, das proportional dem Ausgangsstrom der Digital-Analog-Wandler ist.

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Im Zusammenhang mit Figur 7 wird nachstehend die innere Schaltung jedes der Digital-Analog-Wandler 73P, 95P und 121P für den positiven Teil der Sinuswelle beschrieben. Der Digital-Analog-Wandler hat eine Reihe von ähnlichen Widerstandszweigen für 10°, 20°, 21,2°, 30°, 40° und 50°. Diese Schaltungen sind untereinander insofern ähnlich, daß nur die Widerstandswerte der einzelnen Widerstände in jeder der Schaltungen von den Einzelwiderständen in den anderen Schaltungen verschieden sind, so daß mit der Zuschaltung der einzelnen Schaltungszweige der Stromwert vom Summ ie rungsp unkt aller Schaltungen proportional dem Sinus des Winkels ist, bei dem die bestimmte Schaltung zugeschaltet .wurde. Daher erzeugt in dem Intervall von 10° bis 20° der Ausgang des Io°-Schaltkreises einen Strom, der dem Sinus des Intervallwinkels (10°) proportional ist. In ähnlicher Weise bewirkt die 20°-Schaltung am Summ ie rungs ρ unkt einen Strom proportional dem Sinus des Winkels (20°) des Intervalls von 20°bis 30°. In den Fällen, in denen der Strom durch eine Kombination der Sinuswerte der Winkel erzeugt wird, beispielsweise in dem Intervall zwischen 70 und 80 der Periode, in dem diese Kombination entsprechend Figur 3C aus der Summe der Sinuswerte für 10° und 50° besteht, wird der Summier ungs ρ unkt ein Ausgangssignal liefern, das die Kombination der Ausgangswerte der lO°-Schaltung und der 50°-Schaltung aufweist (Figur 7) .

Die Arbeitsweise der einzelnen Schaltungen ist wie folgt: In der lO°-Wide rstandssc haltung wird eine mit jeder der Widerstandsschaltungen für 10°, 20°, 21,2°, 30°, 40° und 50° verbundene Sammelleitung 151 für eine positive Spannung von 50 Volt über den Widerstand 153 mit der Eingangsleitung 155 und dem Widerstand 157 verbunden. Die andere Seite des Widerstandes 157 ist mit der Kathode der Diode 159 und über den Widerstand 161 mit der Sammelleitung 163 für die negative Spannung von 50 Volt verbunden, welche mit jeder der Widerstandsschaltungen für 20°, 21,2°, 30°, 40° und 50° verbunden ist. Eine Sammelleitung (bit weight bus) 165 für die Bits ist mit allen

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Widerstandsschaltungen verbunden und ist mit der Schaltung für 10° über den Widerstand 167 mit den Anoden der beiden Dioden 159 und 171 verbunden. Die Kathode der Diode 171 ist ηit dem Summierungspunkt 173 verbunden.

AHe anderen Widerstandsschaltungen für 20°, 21,2°, 30°, und 5O° sind in ähnlicher Weise geschaltet. Beispielsweise ist bei der 3Q°-Schaltung die Sammelleitung 151 über den Widerstand 183 mit der Eingangsleitung 185 und dem Widerstand 187 verbunden, dessen andere Seite mit der Anode" der Diode verbunden ist. Außerdem ist der Widerstand 187 noch mit dem Widerstand 191 verbunden, der seinerseits mit der negativen Sammelleitung 163 für 50 Volt verbunden ist. Die Sammelleitung 165 für die Bits ist über den Widerstand 197 mit den Anoden der Dioden 189 und 2Ol verbunden. Die Kathode der Diode 201 ist mit dem Summierungspunkt 173 verbunden. Die Widerstände in joder Schaltung werden so ausgewählt, daß beispielsweise bei der Schaltung für 10° bei einem Signal für die binäre 1, d.h. einem Signal mit einer vorgegebenen positiven Spannung, auf der Eingangsleitung 155 der Strom aus der positiven Sammelleitung 151 über die Widerstände 153, 157 und 191 zur negativen Sammelleitung 163 fließt. Dieser Strom erzeugt an der Anode der Diode 159 eine positive Spannung. Da der Spannungswert am Summierungspunkt 173 höchstens ein Spannungswert entsprechend der Null ist, sind die Anoden der Dioden 171 und 159 auf einer Spannung von etwa +0,6 Volt. Da die Sammelleitung 165 für die Bits jetzt eine positive Spannung besitzt, veranlaßt sie einen Stromfluß durch die Widerstände 167 und 169 und über die Diode 171 in den Summ ie rungsp unkt und erzeugt daher einen Ausgangsstrom des Digital-Analog-Wandlers. Der Spannungswert der BitSammelleitung kann über einen weiten Bereich geändert werden, um einen großen Bereich von Ausgangsströmen an dem Summierungspunkt 173 zur Berücksichtigung der Frequenzänderungen zu liefern. Wenn das Eingangssignal zur Eingangsleitung 155 von dem Signal für die binäre 1 zu einem Signal für die binäre 0 geändert wird, d.h.

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zu einem Signal von O Volt, dann wird der Strom von der Eingangsleitung 155 über die Widerstände 157 und 161 zur negativen Sammelleitung 163 fließen. Dies bewirkt, daß an der Kathode der Diode 159 eine negative Spannung erzeugt wird und die Diode den Strom von der B it Sammelleitung 165, welche eine positive Spannung besitzt, durch die Widerstände 167 und 161 zur negativen Sammelleitung 163 leitet. Dadurch wird der vorher durch die Diode zum Summierungspunkt 173 fließende Strom von dem Summierungspunkt weggeleitet und man erhält kein Ausgangssignal von dem Digital-Analog-Wandler.

Um den richtigen sinusförmigen Verlauf für den Ausgangswechselstrom des Digital-Analog-Wandlers zu erzeugen, können die verschiedensten Widerstandswerte in Kombination verwendet werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten. Ebenso können die Spannung auf der positiven und negativen Sammelleitung und auf der gemeinsamen Sammelleitung jeden geeigneten Wert besitzen. Beispielsweise sei der Spannungswert sowohl auf der negativen als auch auf der positiven Sammelleitung 50 Volt, die Spannung des Summierungspunktes liegt sehr nahe 0 Volt, beispielsweise bei 0,005 Volt und die der Bit-Sammelleitung zugeführte Spannung hat einen Maximalwert von 50 Volt. Wenn den Schaltungen des Digital-Analog-Wandlers diese Spannungen zugeführt werden, dann enthält die nachstehende Tabelle von Widerständen ein Beispiel für eine Kombination, welche eine gute Annäherung an eine echte Sinuswelle ergibt.

Schaltung
10°

20^l

21,2

30^<

40 50*

153 157 161 167

33,2 kOhm 2,21 kOhm 39,2 kOhm 282 kOhm

18,2 kOhm 1,21 kOhm 22,1 kOhm 145,6 kOhm

18,2 kOhm 1,21 kOhm 22,1 kOhm 136,9 kOhm

18,2 kOhm 1,21 kOhm 22,1 kOhm 98,9 kOhm

12,1 kOhm 8,25 kOhm 15 kOhm 76,9 kOhm

12,1 kOhm 8,25 kOhm 15 kOhm 64,5 kOhm

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Der negative Tell des D Ig It al-Ana log-Wand le rs 1st ähnlich dem positiven Tell mit der Ausnahme, daß der Strom durch Umkehrungen der Polarität der Dioden in der anderen Richtung fließt. So verbindet z.B. in der Widerstandsschaltung 14° ein Widerstand 253 die positive Sammelleitung 251 mit der Eingangsleitung 255 und einer Seite des Widerstandes 257, der an der anderen Seite mit der Anode der Diode 259 und über den Widerstand 261 mit der negativen Sammelleitung 263 verbunden ist. Eine Bit-Sammelleitung 265 (bit weight bus) mit einer negativen Polarität ist über den Widerstand 267 mit der ■Kathode der Diode 259 und mit der Kathode der Diode 271 verbunden. Die Anode der Diode 271 ist mit dem Verbindungspunkt 273 verbunden. Alle anderen Schaltungen für 20°, 21,2°, 30°, 40° und 50° sind in gleicher Weise aufgebaut. Beispielsweise ist die Sammelleitung für die positive Bezugsspannung in der 30°-Schaltung über den Widerstand 283 mit der Eingangsleitung 285 und einer Seite des Widerstandes 287 verbunden, dessen andere Seite über den Widerstand 291 mit der Sammelleitung für die negative Spannung und der Anode der Diode 289 verbunden ist. Die B it-Sammelleitung 265 ist über den Widerstand mit den Kathoden der Dioden 289 und 301 verbunden. Die Anode der Diode 301 ist mit dem Summierungspunkt 273 verbunden.

Die Auswahl der Widerstandswerte bei jeder Schaltung erfolgt so, daß bei einem Signal für die binäre 1, d.h. einem Signal mit einer vorgegebenen positiven Spannung beispielsweise auf der Fingangsleitung 255 eine positive Spannung an die Anode der Diode 259 angelegt wird. Dies erzeugt eine positive Spannung an dem Verbindungspunkt der Kathoden der Dioden 259 und 271. Da die Spannung an dem Verbindungspunkt 273 nahezu 0 beträgt, fließt kein Strom aus der Bit-Sammelleitung 265, welche einen Spannungswert negativer Polarität besitzt. Wenn jedoch ein Signal für die binäre 0, d.h. ein Signal mit einem Spannungswert 0, an der Eingangsleitung 255 zugeführt wird, fließt der Strom vom Eingangsanschluß 255 über die Widerstände 257 und 261 zur negativen Sammelleitung 163. Dies bewirkt, daß die

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Diode 259 gesperrt wird und ein Strom von dem Summierungspunkt 273 über die Diode 271 zur negativen Bit-Sammelleitung 265 fließt. Die anderen Schaltungen iür ?o°_f 21,2°, 30°, und 5O° arbeiten in ähnlicher Weise win oben beschrieben.

Die Summierungspunkte 173 bzw. 273 des positiven bzw, negativen Teils des Digital-Anaiog-Wandlers sind mit einander und mit einem Rechenverstärker verbunden (nicht gezeigt), welcher die sich ändernden Stromsignale zur Frzeugung eines sinusförmigen Wechselspannungssignals vei*wendet. Jede der drei Phasen des Systems.ist mit einem gleichen Digital-Analog-Wandler ausgestattet, so/man das System für den Dreiphasenwechselstrom erhält.

Die Umkehr der Phasensequenz wird dadurch erreicht, daß die Zählsequenz von vorwärts nach rückwärts und umgekehrt geändert wird. Figur 9 zeigt die Reihenfolge der Umkehr der Phasen. Wie gezeigt, überdecken die Eingangs impulse zu dem Zähler mehrere vollständige Perioden. Jeder Impuls tritt in Intervallen von 1O° auf und dies führt zur Ausbildung eines Dreiphasensystems, bei dem die Phase 1 ihre maximale positive Amplitude bei 90 erreicht, die Phase 2 ihre maximale positive Amplitude 120° später bei ?ΛΟ° erreicht und die Phase 3 eine maximale positive Amplitude b^i 330 erreicht. Diese Amplituden treten an den obenb"zeichneten Punkten infolge des Aufbaues des Digital-Analog-Konverters auf, welcher bei einer bestimmten Zählzahl einen vorgegebenen Spannungswert erzeugt. So erzeugt die dem Winkel 90° äquivalente Zählzahl eine maximale positive Amplitude für die Phase 1 und eine negative Amplitude von 50% für die Phasen 2 und 3. In gleicher Weise erzeugt die Zählzahl äquivalent dem Winkel 210° eine maximale positive Amplitude für die Phase 2 und negative Amplituden entsprechend 5O% für die Phasen 1 und 3. Die Phase erreicht in ähnlicher Weise ihre maximale positive Amplitude beim Auftreten der Zählzahl äquivalent dem Winkel 330° und die Phasen 1 und 2 erreichen bei diesem Winkel eine negative Amplitude von 50%.

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Wenn jetzt die Zählsequenz umgekehrt wird, wie es bei 70 in der zweiten Periode gezeigt ist, und der Zähler dazu veranlaßt wird, anstatt aufwärts abwärts zu zählen, wird die Richtung jeder der Phasen in entsprechender Weise umgekehrt. Daher folgt jetzt die Phase I₁ welche in der zweiten Periode die Maximalamplitude bei 90 erreicht hätte, einem Verlauf mit abnehmenden Werten, durchläuft die 0 und geht zu negativen Werten über. Die Phase 2, welche bei 30° in der zweiten Periode das Maximum der negativen Amplitude erreicht hatte, wird jetzt wieder diese Amplitude bei 90 erreichen und die Phase 3, welche vorher die Amplitude 0 bei 60 besaß beim Übergang zu einem negativen Wert wird jetzt wieder positiv verlaufen und die maximale positive Amplitude bei 150 erreichen. Die Reihenfolge der Phasendrehung hat sich daher jetzt umgekehrt, da jetzt die Phase 3 die erste positive Amplitude bei 150° besitzt, die Phase 2 als nächstes die maximale positive Amplitude bei 270 annimmt und die Phase 1 die maximaIn positive Amplitude bei dem Winkel 30 in der dritten Periode erreichen wird. Daher wird die während der Aufwärtszählung des Zählers bestehende Drehrichtung der Phasen 1, 2 und 3 zu der Reihenfolge Phase 3, Phase 2 und Phase 1 umgekehrt. Die Umkehrung des Zählers ändert daher die Reihenfolge der Phasen des Wechselstroms, wodurch die Drehrichtung der verwendeten Vorrichtung umgekehrt wird.

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Claims

Paten tansprüche

[ 1J Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines mehrphasigen ^- Wechselstroms mit Sinusbezugswelle, dadurch g e kennze ichne t , daß sie umfaßt:

eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Impulse,

eine Vorrichtung (21) zur periodischen Umwandlung einer vorgegebenen Zahl dieser Impulse in identifizierbars elektrische Signale,

eine Vorrichtung mit einer Ausgangs Io itiing pro Signal zur Umschaltung der Signale nacheinander auf die Ausgangsleitungen (27) und

eine mit der Schaltung für jede Phase verbundene Vorrichtung (23) zur Erzeugung eines Spannungswertes der Signale, der proportional dem Sinus des Phasenwinkels ist, während dem das Signal auftritt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ic hne t , daß die Vorrichtung zur periodischen Umwandlung der Impulse und zur aufeinanderfolgenden Umschaltung in einer Einheit (21) vereinigt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennze ichne t , daß diese kombinierte Einheit einen Stufenschalter enthält.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur periodischen Umwandlung ein Digitalzähler (21) ist.

f). Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Phasen zugeordnete Vorrichtung ein Digital-Analog-Wandler (23) ist.

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6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital-Analog-Wandler eine Anzahl von Widerstandsstufen (73P, 73N) und eine Dec od ie rungssc haltung zur Umschaltung der Widerstandsstufen und zur Herstellung von Schaltungskombinationen besitzt, deren algebraische Summe eine Spannung des Ausgangssignals erzeugt, welche proportional dem Sinus des Phasenwinkels ist, bei dem das Signal auftritt.

7. Gerät zur Erzeugung eines Wechselstromsignals, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Sinusgenerator zur Erzeugung elektrischer Impulse, eine Vorrichtung zur periodischen Umwandlung der Impulse in ein vorgegebenes Signalmuster mit einer Vielzahl von verschiedenen periodisch wiederholten Signalkomponenten und eine Vorrichtung zur E instellung der Spannungswerte dieser Komponenten auf koordinierte Werte in dem Muster enthält.

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