DE2104866A1 - Digitales Steuersystem - Google Patents
Digitales SteuersystemInfo
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- H02P7/06—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current
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- Y10S388/00—Electricity: motor control systems
- Y10S388/907—Specific control circuit element or device
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein digitales Zündverfahren
und ein Steuersystem zur Steuerung der Leistungszufuhr
aus einer Wechselspannungsquelle zu einem Verbraucher. Insbesondere
betrifft die Erfindung ein digitales Steuersystem zur Steuerung des Stromdurchgangs von steuerbaren Gleichrichtern,
die zwischen eine Wechselstromquelle und einen Verbraucher eingefügt sind. Die Erfindung betrifft auch
ein System entsprechend der Patentanmeldung ,
welche gleichzeitig hinterlegt wurde.
Motorregelsysteme der oben beschriebenen Art verwenden oft Leistungsverstärker, in denen durch gesteuerte Gleichrichter
die Zufuhr elektrischer Energie aus einer Wechsel stromquelle zu einem Antriebsmotor geändert wird. Unter gesteuerten
Gleichrichtern ist dabei eine Gruppe von Vorrichtungen
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-Z-
zu verstehen, welche solange einen relativ großen Sperrwiderstand für den Durchgang des elektrischen Stroms bilden,
bis die gesteuerten Gleichrichter in Durchlaßrichtung vorgespannt sind und gleichzeitig an einer Gitterelektrode
ZUndsignale vorhanden sind. Zu diesem Zeitpunkt bilden die gesteuerten Gleichrichter einen sehr niedrigen Widerstand
für den Stromdurchgang und leiten den Strom normalerweise solange, bis sie in Sperrichtung vorgespannt werden und/oder
der durchfließende Strom sich auf einen Wert unterhalb des
Mindesthaltestroms verringert hat, der für die Aufrechterhaltung des leitenden Zustandes dieser gesteuerten Gleichrichter
erforderlich ist. Gesteuerte Gleichrichter schließen ein die Halbleitervorrichtungen, wie gesteuerte Siliziumgleichrichter
und Röhrengleichrichter, Ignitrons und Thyratrons. Die auf den Verbraucher des Systems übertragene
Leistung wird dadurch gesteuert, daß die Zeitdauer des Stromdurchgangs der steuerbaren Gleichrichter geändert wird.
Die Zeitdauer des Stromdurchgangs der steuerbaren Gleichrichter ist eine Punktion des Zeitpunktes während der Periode
der Wechselspannung, in dem sie gezündet werden. Dieser Zeitpunkt wird als Zündwinkel bezeichnet.
Die Regelung des Zündwinkels von steuerbaren Gleichrichtern wird durch eine Schaltung bewerkstelligt, die allgemein als
Zündschaltung bezeichnet wird. Eine solche Zündschaltung
erzeugt auf ein Eingangssignal hin, welches der gewünschten Leistung entspricht, einen Zündimpuls bei dem richtigen
Zündwinkel. Allgemein ist der Zündwinkel direkt proportional dem Eingangssignal.
Bisher bekannte Zündschaltungen waren allgemein analoge Schaltungen. Die Amplitude des Eingangssignals dieser Schaltungen
entsprach dem gewünschten Zündwinkel. Solche Zündschaltungen sind geeignet für vorbekannie Systeme, welche
hauptsächlich auf der Basis von Analogverfahren arbeiten.
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Mit der Weiterentwicklung von digitalen Methoden und Geräten
wird es in immer stärkerem Maße erwünscht, in solchen Steuer- oder Regelsystemen digitale Schaltungen zu verwenden.
Dies gilt besonders dann, wenn das System ein hohes Maß von Genauigkeit, Zuverlässigkeit oder eine Arbeitsweise
frei von DriftSchwankungen erfordert, wie sie nur mit digitalen
Schaltungen erreichbar sind. Man ist daher bestrebt, Elemente eines Analogsystems durch in ihrer Funktion gleichartige
digitale Schaltungen zu ersetzen.
Bei Systemen, welche steuerbare Gleichrichter zur Regelung der Leistungszufuhr von einer Wechselstromquelle zu einem
Verbraucher verwenden, ist eine digitale Schaltung bisher verwendet worden, um die Sollwertsignale für das Regelsystem
zu erzeugen und die notwendigen arithmetischen Rechenoperationen
durchzuführen, um das Eingangssignal zur Steuerung des Stromdurchgangs der steuerbaren Gleichrichter abzuleiten.
Dieses zunächst in digitaler Form vorliegende Signal wird dann in ein Analogsignal umgewandelt, um konventionellen
Analog-Zündschaltungen zugeführt zu werden. Diese Methode führte ,iadoch zu einem inhärenten Verlust der
Zuverlässigkeit, welche a-i sich durch ein System mit einer
vollständig digital ausgelegten Steuerung oder Regelung erreichbar
ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vollständig auf digitaler Basis arbeitendes Regelsystem zu erhalten,
welches beständig Signale überwacht, welche den tatsächlichen Xstzustand eines Verbrauchers anzeigen, und
gleichzeitig den Durchgang elektrischer Leistung von einer Wechselstromquelle zu einem Verbraucher steuert oder regelt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein vollständig auf digitaler Basis aufgebautes Regelsystem zu schaffen,
welches den Stromdurchlaß von steuerbaren Gleichrichtern
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regelt auf der Basis einer kontinuierlichen Überwachung des durch den Stromdurchgang der Gleichrichter erzeugten tatsächlichen
Zustandes.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte digitale Zündschaltung für steuerbare Gleichrichter zu
schaffen, welche auf der Grundlage des ständig überwachten Betriebszustandes eines Verbrauchers, welcher durch die
steuerbaren Gleichrichter versorgt wird, entsprechende Zündsignale
für diese Gleichrichter abgibt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung aus einer
Wechselstroraquelle an einen Verbraucher anzugeben, welches die Verwendung von auf digitaler Basis beruhenden Regelschaltungen
zur kontinuierlichen Überwachung der Istwerte des Verbrauchers für diese Leistung gestattet.
Die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung beruht darauf, daß ein digitales Fehlersignal oder Regelabweichungssignal
erzeugt und dazu verwendet wird, den Stromdurchgang durch steuerbare Gleichrichter unmittelbar zu steuern, ohne vorher
das Signal in eine Analogspannung umzuwandeln. Eine Phasendetektorlogik bewirkt, daß zu dem frühestmöglichen
Zeitpunkt in der Periode der Phase, bei dem die steuerbaren Gleichrichter gezündet werden können, eine vorgegebene positive
oder negative Zahl auf einen reversiblen Zähler eingegeben wird. Der reversible Zähler zählt anschließend von
dieser vorgegebenen Zahl aus aufwärts oder abwärts auf O. Der Inhalt des umkehrbaren Zählers wird ständig mit dem digitalen
Fehlersignal in einem Komparator verglichen. Dieser bewirkt, daß mindestens einem der steuerbaren Gleichrichter
ein Zündimpuls zugeführt wird, wenn der sich ändernde Inhalt des umkehrbaren Zählers gleich oder größer als das digitale
Fehlersignal wird.
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Ein besseres Verständnis des Aufbaus und der Betriebsweise der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich aus der nachfolgenden
Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
im Zusammenhang mit den Abbildungen.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm und zeigt die zeitliche Beziehung zwischen den drei Phasen des Wechselspannungseingangs
und der Arbeitsweise der Phasendetektorlogik der Fig. 1 und 3·
Fig. 3 ist ein ausführliches Blockschaltbild der in Fig. 1 in Form eines einzigen Blockes gezeigten Phasendetektorlogik.
Fig. 4 ist ein ausführliches logisches Schaltbild eines
Teils einer Zündschaltung der Fig. 1 einschließlich eines umkehrbaren Zählers.
Fig. 5 ist ein ausführliches logisches Schaltbild für eine
der Zählereinheiten der Fig. 4.
Fig. 6 ist ein ausführliches logisches Schaltbild eines anderen Teils einer der Zündschaltungen der Fig. 1
einschließlich eines digitalen !Comparators.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Regel- oder Steuersystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Von einer Wechselspannungsquelle 1, beispielsweise dem Dreiphasentransformator 1, wird elektrische Leistung
einem Verbraucher 2, beispielsweise dem Gleichstrommotor 2, zugeführt über eine Vielzahl von Sätzen von entgegengesetzt
gepolten steuerbaren Gleichrichtern, beispielsweise die
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Gleichrichter (SCR) 3a, 3b, Jo, fa, 4b, 4c. Die Gleichrichter
werden durch Zündschaltungen 5a, 5b und 5c gezündet.
Diese erzeugen einen Zündimpuls für den richtigen Gleichrichter zu dem gewünschten Zeitpunkt während der
Periode der Wechselspannung.
Das System nach Fig. 1 ist ein digitales Regelsystem und arbeitet mit einem Sollwertsignal in digitaler Form, wie
es von einem digitalen Sollwertsignalgenerator 6 erzeugt wird. Für die Anwendung der Erfindung ist die genaue Form
des digitalen Sollwertsignals ohne Bedeutung. Es kann beispielsweise eine Impulsfolge aufweisen, deren Folgefrequenz
der gewünschten Motorgeschwindigkeit entspricht. Alternativ
kann das Sollwertsignal eine digitale Zahl sein, deren Betrag die gewünschte Geschwindigkeit angibt. Weiterhin ist
die bestimmte Ausführungsform des digitalen Sollwertgenerators
6 für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ohne Bedeutung. Er kann beispielsweise einen Impulsfrequenzmultiplikator
oder einen anderen Generator für eine variable Frequenz in den Fällen enthalten, wo das Ausgangssignal eine
Impulsfolge mit variabler Folgefrequenz ist. In gleicher Weise kann bei einem Ausgangssignal in Form einer digitalen
Zahl irgendeine der bekannten Verfahren und Systeme zur Erzeugung eines digitalen Codes mit einer Vielzahl von Bits
für den digitalen Sollwertsignalgenerator 6 verwendet werden.
Das Ausgangssignal des digitalen Sollwertsignalgenerators 6
bildet ein erstes Eingangssignal für einen digitalen Fehlersignal- oder Regelabweichungsgenerator 7· Das zweite Eingangssignal
für den digitalen Regelabweichungssignalgenerator 7 erhält man aus einer Rückkopplungs- oder Rückmeldevorrichtung
8, welche mit dem Motor 2 gekoppelt ist und durch den Motor angetrieben wird. Die Rückkopplungsvorrichtung
8 kann beispielsweise einen einfachen Impulsgenerator beinhalten, dessen Auagangafrequenz proportional der Geschwindigkeit des geregelten Motors ist. Die Aufgabe des digitalen
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Fehlersignalgenerators 7 besteht darin, das digitale Sollwert signal vom Generator 6 mit dem Ausgangssignal der Rückkopplungsvorrichtung
8 zu vergleichen und ein resultierendes Regelabweichungssignal zur Auslösung des Stromdurchgangs
der steuerbaren Gleichrichter zu erzeugen, welche zwischen die Wechselspannungsquelle 1 und den Motor 2 eingefügt sind.
Zur Veranschaulichung der vorliegenden Beschreibung ist ein
digitaler Fehlersignalgenerator 7 mit einem Ausgangssignal dargestellt, welches in der Beschreibung als Fehlersignal
oder Regelabweichungssignal bezeichnet ist. Dieses Ausgangssignal wird vorzugsweise einem digitalen Zähler oder Register
in dem Generator 7 entnommen. Die Form und der Code des Regelabweichungssignals sind nur insofern von Bedeutung,
daß sie kompatibel mit den digitalen Signalen sein müssen, welche in den nachstehend beschriebenen Zündschaltungen 5a,
5b und 5c verwendet werden.
Diese Zündschaltungen 5 weisen eine digitale Form auf und
sind so eingerichtet, daß sie das Ausgangssignal des digitalen
Fehlersignalgenerators 7 aufnehmen können und entsprechend dem Betrag und dem Vorzeichen des digitalen Regelabweichungssignals
einen Zündimpuls für den richtigen gesteuerten Gleichrichter erzeugen. Es ist notwendig, ein
Regelintervall für jeden gesteuerten Gleichrichter festzulegen, so daß der Stromdurchgang durch diesen Gleichrichter
mit Hilfe des digitalen Regelabweichungssignals zu einem Zeitpunkt in der Periode der zugeführten Wechselspannung
ausgelöst werden kann, an dem ein Stromdurchgang in dem entsprechenden Gleichrichter erwünscht ist. Dieses Zeitintervall wird gesteuert mit Hilfe einer logischen Phasendetektorschal tung 9» deren Eingänge mit den drei Phasen
der WechselSpannungsquelle 1 verbunden sind. Wie nachstehend im einzelnen erörtert, bewirkt dieses System während
bestimmter Zeitintervalle den Stromdurchgang durch die gesteuerten Gleichrichter, die mit einer bestimmten Phase
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der Wechselspannungsquelle verbunden sind. Die Steuerung
dieser Zeitintervalle wird festgelegt durch die Phasendetektorlogik
9» welche an ihren Ausgangsleitungen 10a,
10b und 10c Signale erzeugt zur Auslösung und Beendigung der Steuerintervalle für die richtige Zündschaltung. Auf
ihren Ausgängen 11a, 11b und 11c und 12a, 12b und 12c
liefert die Phasendetektorlogik 9 außerdem Ausgangssignale,
welche die umkehrbaren Zähler in den Zündschaltungen 5a>
5b und 5C entweder auf eine positive oder eine negative
digitale Zahl einstellen. Die Signale an den Ausgängen 10a, 10b und 10c der Phasendetektorlogik 9 legen auch fest, ob
während des Steuerintervalls ein positiv oder negativ gepolter gesteuerter Gleichrichter einer bestimmten Phase
gezündet werden soll. Außerdem legen sie die Zählrichtung fest, in der die umkehrbaren Zähler von den voreingestellten
digitalen Zahlen aus zählen.
Die Aufgabe der Phasendetektorlogik 9 besteht daher allgemein darin, den frühesten Zeitpunkt während jeder Halbperiode
der Eingangswechselspannung zu erfassen, bei dem ein Zündimpuls erzeugt werden kann, und dann ein Steuerintervall
festzulegen, in dem ein ständiger Vergleich zwischen dem digitalen Regelabweichungssignal und dem sich
ändernden Inhalt des umkehrbaren Zählers durchgeführt wird. Bei der Festlegung des Steuerintervalls wählt die Phasendetektorlogik
9 den gesteuerten Gleichrichter aus, welcher gezündet werden soll und bringt die richtige Zündschaltung
in einen solchen Zustand, daß der ausgewählte gesteuerte Gleichrichter linear bezüglich des Betrags und des Vorzeichens
des digitalen Regelabweichungssignals gezündet werden kann.
Nachdem entweder eine positive oder negative voreingestellte Zahl in die Zündschaltung übertragen worden ist, ist es erforderlich,
diese Zahl so zu verarbeiten, daß ein Zündimpuls zu dem richtigen Zeitpunkt erzeugt wird. Der Zeitpunkt
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für diesen Zündimpuls wird gesteuert durch einen Taktgenerator 13» welcher Signale an die Anschlüsse 13»ι 13b und
13c jeder der Zündschaltungen 5a, 5b und 5c abgibt. In der
nachstehend beschriebenen bestimmten Ausführungsform enthält jede der Zündschaltungen einen umkehrbaren Zähler,
welcher auf ein Kommando von der Phasendetektorschaltung
die voreingestellte Zahl aufnimmt. Der Inhalt des umkehrbaren Zählers wird dann von dieser voreingestellten Zahl
aus in eine Richtung gezählt, welche durch die Vorzeicheninformation der Signale an den Ausgangsanschlüssen 10a, 10b
und 10c festgelegt ist. Dies geschieht solange bis der Zählinhalt des umkehrbaren Zählers sich soweit ändert, daß
er gleich oder größer als das Regelabweichungssignal wird. In jeder Zündschaltung ist ein digitaler Komparator vorgesehen,
der diese Änderung erfaßt und zum Zeitpunkt ihres Auftretens ein Zündsignal für den richtigen gesteuerten
Gleichrichter liefert. Diese Arbeitsweise wird im einzelnen erläutert im Zusammenhang mit der bestimmten Zündschaltung
nach Fig.- 4 und 6.
Die Arbeitsweise des Systems der Fig. 1 kann durch die folgenden Arbeitsschritte beschrieben werden:
1. Das Ausgangssignal des digitalen Sollwertgenerators 6
wird in dem digitalen Regelabweichungsgenerator 7 mit
dem Ausgangssignal der Rückkopplungsvorrichtung 8 zur
Erzeugung eines digitalen Regelabweichungssignals verglichen.
2. Die Phasendetektorlogik 9 untersucht die drei Wechselspannungsphasen
von den Transformatorwicklungen 1a, 1b und 1c, welche ihren Eingangsanschlüssen zugeführt werden,
und erzeugt an ihren Ausgängen 10a, 11a, 12a usw.
Signale, wenn ein bestimmtes Steuerintervall für eine bestimmte Zündschaltung festgelegt werden soll. Diese
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Ausgangssignale geben einem umkehrbaren Zähler der
Zündschaltung eine digitale Zahl vor, steuern die Zählrichtung des Zählers und wählen den bestimmten gesteuerten
Siliziumgleichrichter aus, dem ein Zündimpuls zugeführt werden soll.
3. Anschließend werden in dem umkehrbaren Zähler von der vorgegebenen Zahl aus die Ausgangsimpulse des Taktgenerators
13 weitergezählt mit einer Geschwindigkeit, welche durch die Folgefrequenz dieser Impulse festgelegt ist.
Eine kontinuierliche Vergleichung des digitalen Regelabweichungssignals mit dem Inhalt des umkehrbaren Zählers
wird von einem digitalen Komparator in der Zündschaltung durchgeführt.
4. Wenn der sich ändernde Inhalt des umkehrbaren Zählers
gleich oder größer als das digitale Regelabweichungssignal wird, liefert die Zündschaltung an ihrem Ausgang
bzw. an ihrem Ausgang 17 einen Ausgangsimpuls, wenn einer der negativ gepolten Gleichrichter 3 bzw. einer der positiv
gepolten Gleichrichter k eingeschaltet werden soll. Diese Änderung des Zählerinhalts bezüglich des Regelabweichungssignale
kann bequemerweise als Änderung im Vorzeichen der Differenz zwischen diesen digitalen Werten
vorliegen, welche durch einen nachstehend beschriebenen Differenzkomparator festgestellt werden kann.
Fig. 2a zeigt in Form einer Rechteckwelle die bekannte Beziehung
zwischen den Phasen einer Vechselspannungsquelle, beispielsweise der Quelle der Fig. 1. Aus der Beschreibung
der Fig. 1 ist ersichtlich, daß mit jeder Phase der Wechselspannungsquelle 1 zwei gesteuerte Siliziumgleichrichter
verbunden sind. Diese beiden Gleichrichter sind entgegengesetzt gepolt, so daß sie den Strom in entgegengesetzten
Richtungen durchlassen. Beispielsweise sind die Gleichrichter
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3a und ^a mit der Phase A der WechselSpannungsquelle 1
über die Wicklung 1a verbunden. In einem Steuersystem dieser
Art ist es notwendig, den bestimmten Teil der Wechselspannungsperiode festzulegen, während dem der Stromdurchgang
durch einen bestimmten Gleichrichter gestattet werden kann.
Eine Methode zur Steuerung des Stromdurchgangs durch gesteuerte Siliziumgleichrichter besteht darin, daß man einem
positiv gepolten Gleichrichter den Stromdurchgang während des gesamten Teils der Wechselspannungsperiode gestattet,
indem die Polarität positiv ist und den Stromdurchgang im negativ gepolten Gleichrichter während des gesamten negativen
Teils der Periode zuläßt. Daher könnte der Stromdurchgang durch den Gleichrichter ka während des positiven
Teils der Periode der Phase A der Wechselspannung gestattet werden, d.h. zwischen den elektrischen Winkeln O und 180
In ähnlicher Weise könnte der Stromdurchgang durch den Gleichrichter 3a zwischen den Winkeln 180 und 360 zugelassen
werden. Bei einem solchen System würde das Steuerintervall durch das Ausgangssignal der Phasendetektorlogik
bei O und bei 180 eingestellt werden und beginnend mit
0° und mit 180 würden Zündimpulse für die Phase A durch Vergleich der vorgegebenen Zahl mit dem digitalen Fehlersignal
in der Zündschaltung erzeugt werden.
Gewisse Systeme erfordern es jedoch, daß das Steuerintervall von der synchronen Beziehung mit der Periode der Eingangswechselspannung
abweicht. Beispielsweise kann es erwünscht sein, den Stromdurchgang durch einen bestimmten
gepolten Gleichrichter nur während eines begrenzten Teils der zugehörigen Phase der Eingangswechselspannung zu gestatten.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es erwünscht,
den Stromdurchgang durch den Gleichrichter nur während der letzten 120 der*entsprechend polarisierten zugehörigen
Eingangswechselspannung und während der ersten 60 der
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entgegengesetzt gepolten Halbperiode der zugeführten Spannung dieser Phase zu gestatten. Auf diese Weise wird eine
dynamische Motorbremsung ermöglicht. Man läßt daher den Stromdurchgang durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter
4a von 6O° bis 240° zu und den Stromdurchgang durch den
Gleichrichter 3a von 240° bis 60°. In ähnlicher Veise kann
der Gleichrichter 4b zwischen 180 und 360 und der Gleichrichter
3b zwischen 0 und 180 Strom führen. Der Gleichrichter
4c kann den Strom zwischen 300 und 120 und der Gleichrichter 3c zwischen 120 und 300 durchlassen. Die
Phasendetektorlogik 9 muß daher an ihren Anschlüssen 10a,
11a, 12a usw. Ausgangssignale zur Festlegung dieser Steuerintervalle
erzeugen.
Vor der Beschreibung der ausführlichen logischen Blockschaltung der Fig. 3, 4 und 6 ist es erforderlich, die dort
verwendeten logischen Bauelemente zu beschreiben. Die beschriebene
Anordnung arbeitet als Digitalsystem und daher mit zwei logischen Werten, die weiterhin als logische 0
und logische 1 bezeichnet werden. Diese logischen Werte sind in Wirklichkeit eine Bezeichnung für bestimmte Spannungswerte.
Beispielsweise kann die logische 1 irgendeine positive Spannung sein, beispielsweise + 4 Volt. Die logische
0 wird daher eine niedrigere Spannung, beispielsweise 0 Volt, sein. Es ist selbstverständlich, daß bestimmte
logische Werte keinen Teil der vorliegenden Erfindung bilden und nur zur Erleichterung der Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform herangezogen werden. Außerdem ist
es selbstverständlich, daß die bevorzugte Ausführungsform zwar eine NAND-Logik verwendet, jedoch eine beliebige Art
eines logischen Systems, entweder eines positiven oder negativen Systems in gleicher Weise, ohne die technische
Lehre der Erfindung zu verlassen, verwendet werden könnte.
In Fig. 4 ist das mit der Ziffer 41 bezeichnete logische Element ein einfaches NAND-Gatter. Die Arbeiteweise des
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Gatters ist dadurch gegeben, daß an dem mit einem Kreis bezeichneten Ausgang eine logische O vorliegt, wenn an
allen mit einem Pfeil bezeichneten Eingängen eine logische vorhanden ist. Unter allen anderen Bedingungen ist der Ausgang
des Gatters 41 eine .logische 1. Dies gilt unabhängig von der Anzahl der vorhandenen Eingänge. Wenn daher ein
Gatter nur einen einzigen Eingang aufweist, beispielsweise das NAND-Gatter 42, dann arbeitet es wie ein einfacher
Inverter, da bei Vorhandensein einer logischen 1 an dem einzigen Eingang am Ausgang eine logische O vorhanden ist.
Umgekehrt ist bei einer logischen O an dem einzigen Eingang am Ausgang eine logische 1 vorhanden. Auf diese Weise arbeitet
dieses Gatter so, daß es die Richtung des logischen Signals an dem Eingang umkehrt.
In Fig. 3 ist das logische Element 20 noch mit der Bezeichnung PD versehen und stellt einen Phasendetektor dar, welcher
eine sinusförmige Eingangswelle in eine Rechteckwelle umformt. In seiner einfachsten Form kann der Phasendetektor
20 beispielsweise einen Verstärker und einen Begrenzer enthalten. Er verstärkt dann das WeChseispannungseingangssignal
und begrenzt es bei einer bestimmten Spannungsamplitude, welche mit dem übrigen logischen System brauchbar
ist.
In Fig. 3 sind die logischen Elemente 22, 23 noch mit der Bezeichnung "OS" versehen und sind einfache Univibratoren
(one-shot). Sie arbeiten so, daß sie bei einem Signal an dem mit einem Pfeil bezeichneten Eingang einen Impuls mit
vorgegebener Dauer am Ausgang erzeugen. Der in Fig. 3 abgebildete Univibrator (one-shot) arbeitet in der folgenden
Weise: Wenn das Signal am Eingang von einer logischen 1 auf eine logische 0 geht, wird am Ausgang ein Impuls erzeugt,
der während einer vorgegebenen Zeitdauer von der logischen auf die logische 0 geht.
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Fig 4. zeigt einen Teil einer Zündschaltung 56; das logische
Element J2 ist eine umkehrbare Zählstufe. Die Arbeitsweise der umkehrbaren Zählstufe 32 wird verständlich anhand
der Fig. 5» welche das logische Blockschaltbild der umkehrbaren
Zählstufe 32 mit weiteren Einzelheiten zeigt. Die umkehrbare Zählstufe 32 umfaßt einen gesteuerten J-K-Flip-Flop
50 in Standardausführung und drei NAND-Gatter 51» 52
und 53· Der J-K-Flip-Flop arbeitet in der folgenden an
sich bekannten Betriebsweise. Die mit Pj und Pk bezeichneten Eingänge sind die direkten Anschlüsse für Einschaltung
und Ausschaltung (set, reset) und arbeiten in der Weise, daß die Zuführung einer logischen O an dem Anschluß Pj den
J-K-Flip-Flop 50 veranlaßt, den eingeschalteten Zustand
anzunehmen. Umgekehrt veranlaßt die Zuführung einer logischen 0 an dem Anschluß Pk den J-K-Flip-Flop 50» den rückgeschalteten
Zustand anzunehmen. Die Eingangsanschlüsse J und K sind die Anschlüsse für die Steuerung des Einschalt-
und Ruckstellungszustandes. Der Anschluß C ist der Triggeroder
Taktimpulsanschluß. Die Betätigung des J-K-Flip-Flops
über die Steueranschlüsse J und K geschieht wie folgt: Eine
logische 1 an dem Steueranschluß J für den Einschaltzustand,
gefolgt von einem Triggersignal an dem Taktimpulsanschluß C, veranlaßt den Flip-Flop den Einsehaltzustand
anzunehmen. Ein Triggersignal an dem Taktimpulsanschluß C ist definiert als ein Signal, das von der logischen 0 auf
die logische 1 übergeht. In ähnlicher Weise veranlaßt eine logische 1 an dem Rückstellsteueranschluß K, gefolgt von
einem Triggerimpuls an dem Taktimpulsanschluß C, den Flip-Flop
50, den rückgeschalteten Zustand einzunehmen. Wenn
eine logische 1 an beiden Eingangsanschlussen J und K vorhanden
ist, dann wird der Flip-Flop 50 dazu veranlaßt seinen Schaltzustand bei dem nächsten Triggerimpuls am Taktimpulsanschluß
C zu ändern. Die Ausgangeanschlüsse Q und Q zeigen den Schaltzustand des J-K-Flip-Flops 50 an. Am Ausgangsaneohluß
Q ist eine logische 1 vorhanden, wenn der J-K-Flip-
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Flop 50 sich im eingeschalteten Zustand befindet, und am
Ausgangsanschluß Q ist eine logische 1 vorhanden, wenn der J-K-Flip-Flop zurückgestellt ist.
Die Kombination des J-K-Flip-Flops 50 und der NAND-Gatter
51, 52 und 53 bildet eine einzelne Stufe eines umkehrbaren
Zählers des Synchrontyps (non-ripple type). D.h., wenn der
Zähler einen Eingangsimpuls erhält, ändern alle Stufen
des Zählers gleichzeitig· ihren Schaltzustand. Diese Betriebsweise
steht im Gegensatz zu der Betriebsweise bei nicht-rsynchronen Zählern, bei denen nachfolgende Stufen
durch Änderungen in den vorhergehenden Stufen betätigt werden. Daher hat die Zählerstufe 32 einen ersten Eingangsanschluß
YN-1, welcher die folgende Boole1sehe Charakteristik
besitzt, um einen Teil eines synchronen umkehrbaren Zählers zu bilden:
YN - 1 = UP · Q · YN-1 + D - YN - 1 · Q
dabei bedeutet:
YN - 1 das Eingangssignal der Stufe 32
YN - 1 · Q das Signal von Stufe 31 YN - 1 * Q das Signal von Stufe 31
Mit anderen Worten ist der Eingang am Anschluß YN-1 eine
logische 1, wenn der Zähler in der Aufwärtsrichtung zählt
und alle vorhergehenden Stufen sich in der Schaltstellung "set" befinden oder wenn der Zähler als Abwärtszähler arbeitet
und alle vorhergehenden Stufen eich in der Schaltstellung
"reset" befinden. Der Eingangsanschluß C ist der Anschluß für die Taktimpulse.
Zur Festlegung der Zählrichtung der Zählers sind zwei weitere
»it U und D bezeichnete Anschlüsse vorhanden, welche
109834/112
.«SÜsfa.
- i6 -
die Anschlüsse für die Aufwärtszählung bzw. Abwärtszählung
darstellen. Zusätzlich dazu sind noch die Eingangsanschlüsse
Pj und Pk vorhanden, um den Zähler auf eine gewünschte Zahl voreinzustellen und diese bilden den direkten Eingangsanschluß
für set bzw. reset.
Der Ausgang jeder Stufe, d.h. das Signal YN, hat die folgende Boole'sehe Charakteristik:
YN = UP · Q · YN-1 + D · Q · YN-1
von Stufe 32 von Stufe 32
Mit anderen Worten ist das Signal YN eine logische 1, wenn
die bestimmte Stufe und alle vorhergehenden Stufen sich in der Schaltstellung "set" befinden und der Zähler aufwärts
zählt, oder wenn die bestimmte Stufe und alle vorhergehenden Stufen sich in der Schaltstellung "reset" befinden und
der Zähler abwärts zählt. Der erste Teil dieser Beziehung (UP-Q'YN-1) wird bewirkt durch das Gatter 51, welches an
seinem Eingang das Signal UP, das Signal YN-I und den Q-Ausgang des J-K-Flip-Flops 50 erhält. Wenn alle drei dieser
Signale eine logische 1 sind, dann ist der Ausgang des Gatters 51 eine logische 0. Da der Ausgang des Gatters 51
einen der Eingänge für das Gatter 53 bildet,ist der Ausgang
des Gatters 53 unter diesen Bedingungen eine logische 1. In ähnlicher Weise wird der zweite Teil der Beziehung
(d«Q«YN-1) erreicht durch das Gatter 52, das an seinem Eingang das Signal D, das Signal YN-1 und das Ausgangssignal Q
des J-K-Flip-Flops erhält. Wenn alle drei dieser Signale eine logische 1 sind, dann ist das Ausgangssignal des Gatters
52 eine logische 0. Da das Ausgangssignal des Gatters
52 das zweite Eingangssignal für das Gatter 53 bildet, ist am Ausgang des Gatters 53 stets eine logische 1 vorhanden,
wenn das Ausgangssignal des Gatters 52 eine logische 0 ist.
Die Wechselbeziehungen und die Arbeitsweise der Gesamtheit
der Stufen eines vollständigen umkehrbaren Zählers werden
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in weiteren Einzelheiten im Zusammenhang mit der Zündschaltung der Fig. 4 erörtert.
Fig. 3 zeigt das logische Blockschaltbild der Phasendetektorschaltung
9 der Fig. 1. Wie bereits bei der Beschreibung
der Fig. 1 ausgeführt wurde, besteht der Zweck der Phasendetektor
schaltung 9 darin, das Steuerintervall mit der Eingangswechselspannung zu synchronisieren und durch Signale
an den Anschlüssen 10a, 11a, 12a usw. die richtige Zündschaltung
vorzubereiten. Diese Signale am Anschluß 10 bestimmen das Intervall, die Zählrichtung des Zählers der
Zündschaltung und bestimmen, ob der positiv oder negativ gepolte steuerbare Gleichrichter gezündet werden soll. Die
Ausgangssignale an den Anschlüssen 11 bzw. 12 bestimmen,
wann die Voreinstellung des umkehrbaren Zählers erfplgt bzw. ob er auf eine positive oder eine negative digitale
Zahl voreingestellt werden soll.
Es wurde beispielsweise gezeigt, daß das Steuerintervall für die Zündschaltung 5b für die Phase "B" bei 0° und bei
180 beginnen soll. Diese bestimmten Zeitpunkte fallen zufälligerweise
zusammen mit den Polaritätsänderungen der Phase "A" der WechselSpannungsquelle. Daher wird die Phasendetektorschaltung
9 jeweils dann eine Änderung des Steuerintervalls der Zündschaltung 5b für die Phase "B" definieren,
wenn die Phase "A" ihre Polarität wechselt. Dies wird erreicht mit Hilfe der Phasendetektoren 20a, b und c. Diese
arbeitet dann so, daß sie das sinusförmige Signal der Phase "A" in ein Rechtecksignal umwandelt. Das Ausgangssignal des
Phasendetektors 20a wird einem ersten Univibrator 22a (oneshot) und einem ersten NAND-Gatter 21a zugeführt. Wenn die
Phase "A" bei dem Winkel 180° von der positiven Polarität
zur negativen Polarität wechselt, dann ändert sich das Ausgangssignal am Phasendetektor 20a von einer logischen 1
auf eine logische 0. Da das Ausgangssignal des
109834/112 S
Phasendetektors 20a das Eingangssignal für den Univibrator 22a bildet, wird dieser zu diesem Zeitpunkt ein Signal
abgeben, das sich während einer vorgegebenen Zeitdauer von einer logischen 1 auf eine logische O ändert. Das Ausgangssignal
des Univibrators 22a bildet ein Eingangssignal für das Gatter 24a, so daß das Ausgangssignal des Gatters 24a
von der logischen 0 auf die logische 1 bei einem Impuls von dem Univibrator 22a wechseln wird. Dieser Impuls wird
an den Ausgangsanschluß 11b der Phasendetaktorschaltung 9
weitergegeben.
In gleicher Veise wird der Ausgang des Phasendetektors 20a
auf den Eingang eines zweiten Univibrators 23a über das
Gatter 21a gekoppelt. Da Jedoch das Gatter 21a das Ausgangssignal umkehrt, geht das Signal am Eingang des Univibrators
23a von einer logischen 0 auf eine logische 1, wenn die
Phase "A" ihre Polarität von positiv nach η gativ wechselt. Daher wird der Univibrator 23a keinen Ausgangsimpuls erzeugen.
Da jedoch der Eingang des Univibrators 23a mit dem Ausgangsanschluß 10b der Phasendetektorlogik 9 verbunden
ist, ist leicht ersichtlich, daß das Signal an dem Ausgang 10b eine logische 1 ist, wenn die Phase 11A" negative Polarität
besitzt.
Wenn die Phase "A" erneut ihre Polarität von negativ nach positiv wechselt, entsprechend Fig. 2b, wechselt das Ausgangssignal
am Phasendetektor 20a entsprechend Fig. 3 von der logischen 0 auf eine logische 1. Zu diesem Zeitpunkt
wird ein Ausgangsimpuls vom Univibrator 23a, nicht jedoch
vom Univibrator 22a, erzeugt. Der Ausgangsimpuls des Univibrators 23a wird durch ein Gatter 25a umgekehrt, welches
mit dem Ausgangsanschluß 12b der Phasendetektorlogik 9 verbunden
ist, und bildet dann einen Impuls mit dem Wert der logischen 1, welcher während einer vorgegebenen Zeitdauer
besteht. Ebenso wird das Ausgangssignal des Phasendetektors
109834/1125
20a von dem Gatter 21a umgekehrt und einem Ausgangsanschluß 10b zugeführt. Das Signal an dem Ausgangsanschluß
1Öb wird sich zu diesem Zeitpunkt ändern, und zwar auf den
Wert für eine logische 0.
Aus den Fig. 3» '+ und 6 ist ersichtlich, daß die Ausgänge
10b, 11b und 12b mit der Zündschaltung 5b für die Phase
"B" verbunden sind. Sie erfüllen die folgenden Funktionen:
1. Der Ausgang 10b bewirkt die Auslösung und Beendigung
des Steuerintervalls der gesteuerten Siliziumgleichrichter 3b und 4b der Fig. 1, welche der Zündschaltung
5b für die Phase "B" zugeordnet sind. Bezüglich der Fig. 2a und 2b ist zu beachten, daß während des Intervalls
von 0 bis 180 die Phase "A" entsprechend Fig. 2a positiv ist. Während dieses Intervalls von 0 bis 180
ist entsprseilend Fig. 2b das Ausgangssignal am Anschluß
10b eine logs sehe 0 und bei dem Winkel von 120 ändert
sich die i-iase "B" von einem negativen auf einen positiven
Wert, bleibt in diesem Bereich bis 300 und geht
dann auf negative Werte zurück. Daher kann das gewünschte Steuerintervall für den negativ gepolten Gleichrichter 3b
der Fig. 1 definiert werden durch die Polarität und die Polaritätsänderungen der Phase "A" entsprechen Fig. 2a,
welche das Intervall zwischen 0 und 180 umfassen und während dem gleichzeitig eine logische 0 am Anschluß 10b
vorhanden ist. In ähnlicher Weise ist gleichzeitig zur negativen Halbperiode der Phase "A" der Ausgang am Anschluß
10b eine logische 1 und beide Werte bleiben während des Intervalles von 180° bis 360° (0°) bestehen.
Dies ist das gewünschte Steuerintervall für den positiv gepolten Gleichrichter 4b der Fig. 1. Der logische Wert
des Ausgangs 10b steuert auch die Zählrichtung des umkehrbaren Zählers in der Zündschaltung 5b. Schließlich
bestimmt der logische Wert des Ausgangs 10b, welchem
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BAD ORIGINAL
BAD ORIGINAL
- 2Ü -
gesteuerten Gleichrichter des Paars 3b, kb der Zündimpuls
zugeführt werden soll.
Die Signale auf den Ausgängen 11b und 12b der Fig. 3 liefern Impulse, welche den umkehrbaren Zähler in der
Zündschaltung 5b entweder auf eine positive oder negative
binär-codierte digitale Ziffer einstellen. Wenn daher das Steuerintervall für den negativen Gleichrichter
3b durch Änderung des logischen Wertes am Ausgang
10b von einer logischen 1 auf eine logische ü ausgelöst wird, dann erscheint der durch den Univibrator 23a und
das Gatter 25a erzeugte Ausgangsimpuls am Anschluß 12b,
wird dadurch auf die Zündschaltung 5b gekoppelt und stellt
den umkehrbaren Zähler in dieser Zündschaltung auf eine
vorgegebene negative digitale Zahl ein. Wenn das Steuerintervall für den positiven Gleichrichter kh dadurch
ausgelöst wird,daß das Ausgangesignal am Anschluß 1 üb
von einer logischen 0 auf eine logische 1 wechselt, dann erscheint der vom Univibrator 22a und vom Gatter 24a
erzeugte Impuls am Anschluß 11b, wird auf die Zündschaltung 5b gekoppelt und dadurch wird der umkehrbare Zähler
der Zündschaltung auf einen vorgegebenen positiven digitalen Wert eingestellt.
Die Signale zur Festlegung der übrigen Steuerintervalle und zur Einstellung der beiden anderen Zündschaltungen
5a und 5c werden durch die übrige logische Schaltung
der Fig. 3 erzeugt. Diese Schaltung ist in ihrem Aufbau und ihrer Arbeitsweise identisch mit der beschriebenen
Schaltung für die Steuerung der Zündschaltung 5b für die Phase "B" und es wurden gleiche Bezugsziffern mit
den Indizes a, c verwendet.
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0RK3JNAL INSPECTED
Zu einem vollständigen Verständnis der Zündschaltung nach
Fig. 4 und 6 ist es zunächst notwendig, die Form des von
dem digitalen Fehlersignalgenerators 7 erzeugten Regelabweichungssignals zu erläutern. Dieses Regelabweichungssignal kann eine beliebige Polarität besitzen. Das digitale
Fehlersignal nach der vorliegenden Ausfuhrungsform
wird in einem reinen Binärcode dargestellt. Mit geringfügigen Änderungen in der logischen Schaltung kann jedoch jeder
Dualcode verwendet werden. Für die Erörterung der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, daß das digitale
Fehlersignal eine reine Binärzahl mit fünf Bits ist und ein sechstes Bit mit dem höchsten Stellenwert verwendet
wird, um das Vorzeichen des Fehlersignals darzustellen. Für eine positive Regelabweichung gibt das Fehlersignal die
Größe des Fehlers in einer reinen Binärdarstellung an und die positive Regelabweichung wird durch den Wort 0 des
Vorzeichenbits angegeben.
Für negative Fehlersignale ist das Vorzeichenbit eine 1 und die Größe des Fehlers wird codiert in der sogenannten
Komplementärdarstellung (two's complement), d.h. man erhält eine negative Zahl dadurch, daß man mit einer positiven
Zahl entsprechend der Größe beginnt und jeweils die O durch eine 1 ersetzt, die 1 durch eine O ersetzt und zu dem Ergebnis
eine 1 hinzufügt. Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Codierung der digitalen Fehlersignale,
welche in der vorliegenden Ausführungsform verwendet
werden:
+ 5 = 000101
-5=111010
+ 1
111011
111011
Die Fig. 4 zeigt ein ausführliches logisches Blockschaltbild
der Zündschaltung 5b der Fig. 1. Die Zündschaltungen 5a
109834/1 125
und 5c sind identisch dazu. In der vorliegenden Ausführungsform ist der gewünschte Zündwinkel unmittelbar proportional
dem Betrag des digitalen Fehlersignals. Daher sollte ein Fehlersignal maximaler Amplitude dazu führen, daß die steuerbaren
Siliziumgleichrichter zu dem frühestmöglichen Zeitpunkt
gezündet werden, d.h. 12ü vor dem Wechsel der Polarität der Eingangswechselspannung. Dies wird dadurch erreicht,
daß am Beginn des Steuerintervalls eine vorgegebene digitale Zahl entsprechend der Maximalamplitude des Fehlersignals
auf einen umkehrbaren Zähler 30 übertragen wird, der aus den Zählstufen 31-37 und den Gattern 40-^2 besteht.
Der umkehrbare Zähler 30 zählt dann mit vorgegebener Geschwindigkeit
so lange, bis eine vorgegebene Beziehung zwischen dem Regelabweichungssignal und dem Inhalt des umkehrbaren
Zählers 30 eine Änderung erfährt, beispielsweise eine Änderung im Vorzeichen der Differenz dieser beiden
Größen. Zu diesem Zeitpunkt wird dann ein Zündimpuls erzeugt. Wenn die Phasen-Detektor-Logik 9 anzeigt, daß der
regelbare Gleichrichter ^b positiver Polarität gezündet
werden sollte, dann wird auf dem Zähler 30 eine positive
Zahl vorgegeben und anschließend zählt der umkehrbare Zähler 30 diesen vorgegebenen Inhalt, indem er von der vorgegebenen
positiven Zahl aus abwärts zählt. Wenn andererseits die Phasen-Detektor-Logik 9 anzeigt, daß der Gleichrichter
3b mit negativer Polarität gezündet werden sollte, dann wird auf dem umkehrbaren Zähler 30 eine negative digitale
Zahl vorgegeben, und anschließend wird diese Zahl durch Aufwärtszählung von dem Zähler 30 ausgezählt.
Im besonderen wird der Zündvorgang begonnen und das Steuerintervall
eingestellt durch eine Änderung des logischen Schaltzustandes der Phasen-Detaktor-Logik 9 am Ausgangsanschluß
10b. Wie bereits erläutert, ist das Signal am Anschluß
10b eine logische 1 während des gesamten gewünschten
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INSPECTED
INSPECTED
Steuerintervalls für den positivgepolten Gleichrichter 4b.
Der Anschluß 10b ist unmittelbar verbunden mit den D-Eingangsanschlüssen der Zählerstufen 31-371 so daß der Zähler
von seiner voreingegebenen Zahl aus abwärts mit einer Geschwindigkeit zählen wird, welche durch die Taktinipulse am
Eingangsanschluß 13b bestimmt wird, die auf die Taktanschlüsse
C der Zählerstufen 31 bis 37 gekoppelt werden.
Gleichzeitig mit dem Befehl an den Zähler 30 zur Zählung
in einer vorgegebenen Richtung durch Änderung des logischen Wertes des Ausgangssignales am Anschluß 10b, bewirkt
das Vorhandensein eines Ausgangsimpulses am Anschluß 11b
bzw. 12b, daß eine positive bzw. negative digitale Zahl in dem Zähler 30 vorgegeben wird. Wie bereits festgestellt,
wird an dem Anschluß 11b ein Ausgangsimpuls für die logische 1 vorhanden sein, wenn die Steuerung des positiven
Gleichrichters 4b erwünscht ist. Dieser Ausgangsimpuls wird
auf einen Eingang eines NAND-Gatters 4ü gekoppelt, dessen
anderer Eingang mit einem Übertragungssignal gespeist 1st, das ständig den Wert für die logische Eins besitzt. Bei
Coinzidenz des Übertragungssignals und des Ausgangsimpulses am Anschluß 11b wird am Ausgang des Gatters 40 eine logische
Null erzeugt» welche auf die Anschlüsse Pj für den Schaltzustand "set" der Zählerstufen 31 bis 36 gekoppelt wird.
Durch Zuführung der logischen Null an diesen Anschlüssen gehen die Signale auf den Ausgangsanschlüssen Q dieser Zählerstufen
31 bis 36 auf eine logische Eins. Weiterhin wird
das Ausgangssignal des NAND-Gatters ^O auf den Rückstellanschluß
Pk der Zählerstufe 37 gekoppelt. Das Vorzeichen Bit der in den Zähler 30 enthaltenen digitalen Zahl ist dargestellt
durch die Zählerstufe 37. Wenn daher eine positive Zahl als voreingestellte Zahl auf den Zähler 30 gegeben
werden soll, ändert die Zuführung einer logischen Null an den Rückstellanschluß Pk der Zählerstufe 37 das Signal am
Ausgangsanschluß Q auf eine logische Null. Daher enthält am
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- Zk -
Beginn des Steuerintervalles für den positiven Gleichrichter kh der Zähler 30 die positive digitale Zahl
0 111111.
Während der restlichen Zeit des Steuerintervalles zählt der Zähler 30 von dieser voreingestellten Zahl aus abwärts
mit einer Geschwindigkeit, welche durch die Taktimpulse bestimmt wird, die von dem Anschluß 13 auf die Taktimpulsanschlüsse
C der Zählerstufen 31 bis 37 eingespeist werden.
Um die Frequenz des Taktgenerators 13 festzulegen, muß lediglich die Frequenz der Eingangswechselspannung, die Anzahl
der Stufen im Zähler 30, die Dauer des Steuerintervalles und das Ausmaß der "Härtung" ("hardening") bekannt sein.
Diese letztere Größe bezieht sich auf die Zündung des entsprechenden gesteuerten Siliziumgleichrichters vor dem
Nulldurchgang der Eingangsspannung, wobei vom digitalen Fehlersignalgenerator aus ein Fehlersignal Null zugeführt
wird. Es kann selbstverständlich erwünscht sein, den Gleichrichter an diesem Punkt des Nulldurchgangs zu zünden oder
in dem 60 -Bereich der Periode der Spannung, und daher ist die folgende Berechnung unter Verwendung eines "Härtungseffektes" lediglich zur Veranschaulichung angeführt.
Will man annehmen, daß die Frequenz der Wechselspannungsleitung
60 Hz beträgt, jedes Steuerintervall sich über einen Bereich von 180 erstreckt, der Grad der Härtung 15
ist, sechs Zeilstufen vorhanden sind, und die früheste Zündung
eines Gleichrichters bei einer Voreilung von 120° erfolgt,
dann ergibt sich die Zählfrequenz aus der folgenden Formel
60 H* %Jä * » «■
10983 i/1125
Wenn ein Stromdurchgang des negativen Gleichrichters 3b
erwünscht ist, ergibt sich die Definition des Steuerintervalles in ähnlicher Weise wie für den positiven Gleichrichter
4b. Die Ausnahme besteht darin, daß ein Impuls für die logische 1 für die Einspeisung der voreingestellten
Ziffer an dem Anschluß 12b vorhanden ist, welche zusammen
mit dem Signal für die Übertragung der Zahl einem zweiten NAND-Gatter 4i zugeführt wird. Bei dieser Coinzidenz wird
am Ausgang des Gatters 41 eine logische O erzeugt und auf die Rückstellanschlüsse Pk der Zählerstufen 31 bis 36 gekoppelt,
um deren Ausgangssignal an den Anschlüssen Q auf . eine logische O zu ändern. In gleicher Weise ändert die
Zuführung der logischen O am Ausgang des NAND-Gatters 41
zum Einstellanschluß Pj der Zählerstufe 37 das Aus^angssignal
für das Vorzeichen oder für das Bit mit dem höchsten Stellenwert am Anschluß der Stufe 37 auf eine logische 1.
Daher wird der Zähler 30 am Beginn des Steuerintervalles
für den negativen Gleichrichter 3b auf die negative digitale
Zahl 1 0 0 0 0 0 0 eingestellt. Der Zähler 30 wird dann durch Zuführung einer logischen 1 als Steuersignal an
die Anschlüsse U der Stufen 31 bis 37 veranlaßt, von der
negativen voreingestellten Zahl aus aufwärts zu zählen.
Dieses Signal für die logische 1 wird dadurch erhalten, daß das am Anschluß 10b während des negativen Steuerintervalles
vorhandene Signal für die logische 0 mit Hilfe des Gatters 42 umgekehrt wird.
Der Inhalt des umkehrbaren Zählers 30 wird an den Ausgangsanschlüssen
C1 bis C7 kontinuierlich überwacht. Diese Signale
werden den entsprechenden Eingangsanschlüssen eines digitalen Bit-Komparators 60 entsprechend Fig. 6 zugeführt.
In der bestimmten Ausführungsform nach Fig. 6 besitzt der
digitale Bit-Komparator 6ü zwei mit F und F bezeichnete Ausgänge, welche anzeigen, wenn eine vorgegebene Beziehung
zwischen dem digitalen Fehlersignal an den Eingängen E1
109834/1125
bis £7 des digitalen Bit-Komparators 6ü und dem Inhalt des
umkehrbaren Zählers 30 an den Eingängen C1 bis C7 sich
verändert. Der Komparator 60 kann so gewählt werden, daß die Ausgänge F und F die Richtung des Wechsels des Vorzeichens
der Differenz zwischen dem Fehlersignal und dem Inhalt
des umkehrbaren Zählers darstellen. Wenn daher der umkehrbare Zähler 30 auf eine positive digitale Zahl eingestellt
ist und das Regelabweichungssignal ein positives digitales Signal mit einem niedrigeren Wert ist, dann wird diese Bedingung
erfüllt, wenn das Vorzeichen des Differenzenvergleichs von negativ nach positiv wechselt, und es wird dann
am Ausgangsanschluß F eine logische 1 erzeugt. Andererseits wird die obige Bedingung bei Einstellung des umkehrbaren
Zählers 30 auf eine negative digitale Zahl dann erfüllt, wenn das Vorzeichen des Differenzenvergleichs von Positiv
nach Negativ wechselt, und es wird dann am Ausgangsanschluß F eine logische 1 erzeugt.
Für die Erfüllung dieser Betriebsfunktion wird keineswegs
irgendein bestimmter Komparatortyp benötigt. Es sind an sich Bit-Komparatoren mit den gewünschten Eigenschaften bekannt.
Es wird hierzu auf das Werk von R. Richard "Arithmetic Operation in Digital Computers" (van Nostrand 1955)
verwiesen. Ein einfacher Weg zum Vergleich von zwei binären Zahlen besteht darin, eine Zahl von der anderen zu subtrahieren
und das Vorzeichen der Differenz festzustellen. Daher
könnte der Bit-Komparator 60 beispielsweise einen Teil eines Parallelsubtraktors umfassen, welcher den Inhalt des
umkehrbaren Zählers 30 von dem Inhalt des Registers oder Zählers im Fehlersignalgenerator· 7 subtrahiert und dann
die vorerwähnten Ausgangssignale F und F erzeugt, welche
das Voraeichen der Differenz angeben. Hieraus ist jedoch
nicht zu folgern, daß die Erfindung auf einen Bit-Komparator
dies·« Typs beschränkt ist. Es ist ledigl. ch erforderlich,
daß der Komparator in der Lage ist, den Zustand festzustellen
10983 4/1125
- 27 -
daß eine vorgegebene Relation zwischen dem Fehlersignal
und dem Inhalt des umkehrbaren Zählers 30 sich ändert.
Um den richtigen gesteuerten Siliziumgleichrichter 3b oder
4b zu zünden, ist es notwendig, daß das logische Ausgangesignal des Bit-Komparators 60 diesem zugeführt wird. Für
diesen Zweck, sind die NAND-Gatter 6\ und 62 vorgesehen.
Das NAND-Gatter 61 hat als Eingangssignal den Ausgang F
von dem Komparator 60, das Signal auf dem Anschluß 10b und ein positives Verriegelungssignal, welches nachstehend erörtert
wird. Wie bei der Erörterung der Phasendetektorlogik 9 festgestellt, erfüllt das Signal am Anschluß 10b
eine Reihe von Funktionen. Eine dieser Funktionen ist die Auswahl des gesteuerten Siliziumgleichrichters, welcher
durch einen Zündimpuls von der Schaltung 5h während des
richtigen Steuerintervalls gezündet werden soll. Die Zuführung des Signals am Anschluß 10b auf das Gatter 61 bewirkt
diese Funktion. Aus der Fig. 2b ergibt sich, daß das Signal am Anschluß 10b während des Steuerintervalls für den positiv
gepolten Gleichrichter 4b eine logische 1 ist. Ss sei
angenommen, daß das ρ ·tive Verriegelungssignal ebenfalls
eine logische 1 ist. Bt jinem Vergleichsausgangssignal am
Anschluß F des Bit-Kompa „ti' -*? 60 erzeugt das NAND-Gatter
als Ausgangssignal eine iagxst.be 0, welche durch nichtgezeigte Vorrichtungen in geeiäteeter Weise umgekehrt und
verstärkt werden kann und dem Gatter des gesteuerten Gleich richters 4b zugeführt werden kann. Da eines der Eingangssignale
zu dem NAND-Gatter 61 durch den Ausgang F des Bit-Komparators 00 geliefert wird, kann der Zündimpuls nur dann
erzeugt werden, wenn eine positive Zahl auf dem umkehrbaren Zähler 3O vorgegeben worden ist und das Regelabweichungssignal
durch das Abwärtszählen des Zählers 30 während des Steuerintervalls größer geworden ist als die vorgegebene
Zahl im Zähler 30.
109834/112b
BAD NAl
Das Zünden des negativ gepolten steuerbaren Gleichrichters
3b wird bewerkstelligt mit Hilfe eines Gatters 62, welches als Eingangssignale das Ausgangssignal F von dem Bit-Komparator
60, ein nachstehend beschriebenes negatives Verriegelungssignal und ein Signal 10b besitzt; dieses letztere
Signal wird durch einen Inverter 63 erhalten, der als Eingangssignal das Signal des Anschlusses 10b erhält. Aus
der Fig. 2b ergibt sich, daß während des Steuerintervalls für den negativen Gleichrichter 3b das Signal am Anschluß
10b eine logische 0 sein wird. Durch entsprechende Umkehrung ist daher das Signal 10b eine logische 1. Unter der
Annahme, daß das negative Verriegelungssignal ebenfalls eine logische 1 ist, wird durch das Gatter 62 am Ausgang
eine logische 0 erzeugt, wenn das Signal F während des Steuerintervalls eine logische 1 wird. Dieses Ausgangssignal
des Gatters 62 kann in geeigneter weise umgekehrt und verstärkt und dem Gatter oder der Zündelektrode des Gleichrichters
3b zugeführt werden. Wie bemerkt, wird an dem Anschluß
F nur dann ein Ausgangssignal für die logische 1 vorhanden sein, wenn auf den umkehrbaren Zähler 30 eine
negative Zahl vorgegeben wurde und der Zähler 30 während des Steuerintervalls aufwärts zählt, so daß der Inhalt des
umkehrbaren Zählers 30 gleich oder größer als das Fehlersignal
wird.
Die positiven und negativen Verriegelungssignale können dazu verwendet werden, willkürliches Zünden der Gleichrichter 3b
und 4b durch digitale Rauschsignale, welche während der zuvor beschriebenen logischen Arbeitsgänge erzeugt werden,
zu beseitigen oder zu verringern. Beispielsweise können die positiven und negativen Verriegelungssignale abhängig
sein von einer Verriegelungsschaltung, die auf den Stromfluß durch den Verbraucher anspricht. Um beispielsweise
.Fehlzündungen zu vermeiden ist es erwünscht, die positiven
gesteuerte E Siliziumgleichrichter am Stromdurchgang zu
10983^/1125
hindern, wenn der Strom durch den Verbraucher in einer negativen Richtung fließt. In gleicher Weise können die
positiven oder negativen Verriegelungssignale ein Zünden dann verhindern, wenn entweder positive oder negative vorgegebene
Zahlenwerte gerade auf die umkehrbaren Zähler übertragen werden oder wenn eine ähnliche Übertragung
innerhalb des digitalen Fehlersignalgenerators 7 erfolgt. Während jedem dieser Zustände, bei denen es erwünscht ist,
daß der positive oder negative Gleichrichter nicht gezündet 'wird, sind das positive oder negative Verriegelungssignal
eine logische O.
Die Zündschaltungen 5a. und 5c sind identisch zu der Zündschaltung
5b und arbeiten in gleicher Weise während der Steuerintervalle, welche durch die PhasendetektorlOgik 9
festgelegt werden. Man erkennt das bei einem beschriebenen Dreiphasensystem nach der bevorzugten Ausführungsform das
digitale Pehlersignal gleichzeitig und ständig mit dem Inhalt des umkehrbaren Zählers in jeder Zündschaltung verglichen
wird. Da jedoch die Zählgeschwindigkeit konstant ist, tritt die Änderung in der Beziehung zwischen dem Zählersignal
und dem Inhalt des umkehrbaren Zählers zu verschiedenen Zeitpunkten auf, so daß die steuerbaren Siliziumgleichrichter
in der richtigen Phasensequenz gezündet werden.
Wegen des kontinuierlichen Vergleichs in dem Komparator für jede Zündschaltung ist das erfindungsgemäße Zündverfahren
besonders geeignet für die Anwendung in den Fällen, in denen dynamische Änderungen des digitalen Regelabweichungssignals
innerhalb des Steuerintervalls zu erwarten
sind. Eine solche Anwendung wäre der Geschwindigkeitsregelkreis eines digitalen Servosystems. Außerdem kann durch die
Feststellung des Vorzeichenwechsels der Differenz zwischen dem Regelabweichungssignal und dem Inhalt des umkehrbaren
109834/1125
Zählers in zuverlässiger Weise ein Zündimpuls unter diesen extremen Bedingungen kurzzeitiger Änderungen erzeugt werden.
Dies kann ggf. nicht möglich sein, wenn der Zündlmpuls
nur bei strenger Gleichheit dieser Größen erzeugt wird.
Die Erfindung ist im vorstehenden im Hinblick auf eine bestimmte Ausführungsform im einzelnen beschrieben. Der Fachmann
wird jedoch anhand der gegebenen technischen Lehre viele weitere Modifikationen dieser bestimmten Ausführungsform ohne weiteres entnehmen können. Beispielsweise ist es
nicht erforderlich, daß für jede Phase der dem Verbraucher zugeführten Spannung ein besonderer umkehrbarer Zähler und
ein besonderer Digitalkomparator verwendet wird. Es können beispielsweise ein Paar von Zählern und Komparatoren verwendet
werden, wobei ein Vorwärtszähler zur Steuerung der Zündung der steuerbaren Gleichrichter positiver Polarität
und ein Rückwärtszähler zur Steuerung der Zündung der
Gleichrichter negativer Polarität verwendet wird. Bei dieser Anordnung können die steuerbaren Gleichrichter dann jeweils
nur während eines Intervalles von 120 gezündet werden, beispielsweise von einer Voreilung von 90 bis zu einer Nacheilung
von 30 .
Außerdem ist es nicht notwendig, die umkehrbaren Zähler auf ihre größte positive oder negative Zahl einzustellen,
wenn eine andere Codierung des Regelabweichungssignales verwendet wird oder wenn ein anderer Ablauf der Steuerung
während des Steuerintervalls erwünscht ist.
Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, daß die Erfindung
auch verwendet werden kann für die Zufuhr von elektrischer
Leistung zu einem Verbraucher durch Vollweg-Gleichrlchtung, beispielsweise eine dynamoelektrisch* M**9chin·· In diesem
Falle werden zur Vervollständigung eine« solchen Systems
weiter· gesteuerte Gleichrichter, Zündschaltungen usw. benötigt.
109834/1125 "u--~-
Claims (1)
- - 31 Patentansprüche( 1. jDigitales Steuersystem zur Steuerung oder Regelung der ^^^^Leistungszufuhr von einer Wechselstromquelle zu einem Verbraucher, gekennzeichnet durch die Kombination:in entgegengesetzten Richtungen gepolte steuerbare Gleichrichter (3a,b,o) (4a,b,c), welche zwischen die WechselspannungsquelIe (1) und den Verbraucher (2) eingefügt sind, einen digitalen Fehlersignalgenerator (7)ι eine mit der Wechselspannungsquelle verbundene Phasendetektorlogik (9), die derart aufgebaut und geschaltet ist, daß ein Ausgangssignal dieser Phasendetektorlogik an dem frühesten Zeitpunkt in jeder Halbperiode der Wech selspannungsquelle (1) auftritt, an dem die Zündung eines steuerbaren Gleichrichters zugelassen werden soll und ein Taktgenerator (13) sowie eine Zündschaltung (5a,b,c) mit den folgenden Baugruppen, ein Zähler (30), welcher so mit dem Taktgenerator (13) und der PhasendeteVt rlogik (9) verbunden ist, daß beim Auftreten eines Aus^ >ί ^ssignals von der Phasendetektorlogik (9) eine vorgsgt>3je-?c digitale Zahl auf den Zähler (30) voreingestellt wxriL t r:.d der Zähler inhalt anschliessend durch Impulse von dem Taktgenerator (13) durchgezählt wird und eine Komparatorvorrichtung (60), die so mit dem Zähler (30)und dem digitalen Fehlersignalgenerator (7) verbunden ist, daß die Komparatorvorrichtung ein Auegangssignal erzeugt, wenn sich eine vorgegebene Beziehung zwischen dem Inhalt des digitalen Fehlergenerators (7) und dem Inhalt des Zählers (JO) ändert, wobei dieses Ausgangssignal zur Erzeugung eines Zündimpulse· für einen ausgewählten Gleichrichter geeignet ist.2. Digitales Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Zähler (30) ein109834/1125umkehrbarer Zähler ist, der bei positiver Polarität der Wechselspannung in einer Richtung zählt und bei negativer Polarität der Wechselspannung in der anderen Richtung zählt.3· Digitales Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (30) ein umkehrbarer Zähler ist und abwärts zählt, wenn die Wechselspannung positive Polarität besitzt und aufwärts zählt, wenn die Wechselspannung negative Polarität besitzt und die voreingestellte digitale Zahl positiv ist, wenn die Wechselspannung positiv ist und negativ ist, wenn die Wechselspannung negativ ist.4. Digitales Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Wechsel, einer vorgegebenen Beziehung, welcher von der Komparatorvorrichtung (6O) erfaßt wird, ein Wechsel im Vorzeichen der Differenz zwischen dem Inhalt des digitalen Fehlersignalgenerators (7) und dem Inhalt des Zählers (30) ist.5· Digitales Steuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Komparatorvorrichtung (6O) einen Zündimpuls für den positiv gepolten gesteuerten Gleichrichter liefert, wenn der Inhalt des digitalen Fehlersignalgenerators (7) den Inhalt des umkehrbaren Zählers (30) übersteigt und einen Zündimpuls für den negativ gepolten gesteuerten Gleichrichter liefert, wenn der Inhalt des umkehrbaren Zählers (30) größer ist oder gleich ist dem Inhalt des digitalen Fehlersignalgenerators .6. Digitales Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die KoBsainasi on eine dynamoelektrische Maschine (2) als Verc <sr enthält.109834/1125Digitales Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Phasendetektorlogxk (9) enthält, die während der letzten 120 in der Halbperiode der Eingangswechselspannung und während der letzten 60 der folgenden Halbperiode den möglichen Stromdurchgang auslöst.8. Digitales Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 71 dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Zündschaltung (5) die entgegengesetzt gepolten steuerbaren Gleichrichter (3t^) zwischen der Wechsel- . Spannungsquelle (1) und dem Verbraucher (2) auf ein digitales Regelabweichungssignal hin zündet und bei der der digitale Zähler (30) so angeordnet und verbundejn. ist, daß er mit einer vorgegebenen Zählgeschwindigkeit zählt, die Phasendetektorlogik (9) den frühesten Zeitpunkt in jeder Halbperiode der Wechselspannung feststellt, an dem ein Impuls erzeugt werden kann, der Ausgang der Phasendetektorlogik (9) mit der digitalen Zündschaltung (5) zur Festlegung eines Steuerintervalls verbunden ist, in dem eine vorgegebene digitale Zahl auf den Zähler (30) eingegeben werden kann, und der digitale Zähler (30) anschließend in einer vorgegebenen Richtung von dieser vorgegebenen Zahl aus zählt und dem digitalen Komparator (60) das digitale Fehlersignal und der Inhalt des digitalen Zählers zugeführt sind und dieser Komparator so arbeitet,daß er immer dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Vorzeichen der Differenz zwischen dem digitalen Fehlersignal und dem Inhalt des digitalen Zählers wechselt und dieses Ausgangssignal zur Zündung eines der steuerbaren Gleichrichter weitergegeben wird.9. Digitales Steuersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der umkehrbare Zähler (30) durch das Signal von der Phasendetektorlogik (9)109834/1125auf eine positive digitale Zahl voreinstellbar ist, wenn eine Wechselspannung der Quelle (1) positive Polarität besitzt, der umkehrbare Zähler (30) anschließend von der voreingestellten positiven Zahl aus abwärts zählt und das Signal von der Phasendetektorlogik (9) eine negative Zahl auf* den umkehrbaren Zähler (30) vorgibt, wenn die Polarität der Wechselspannung der Quelle negativ ist und der umkehrbare Zähler anschließend von der negativen voreingestellten Zahl aus aufwartszählt.10. Digitales Steuersystem nach Anspruch 9 » dadurch gekennzeichnet , dall die Phasende tektorlogik (9) für jede Polarität der Eingangswechselspannung ein Steuerintervall definiert, das bei einer Voreilung von 120 beginnt.11. Digitales Steuersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß es als Verbraucher eine dynamoelektrische Maschine (2) enthält.12. Digitales Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verwendung mit einem Regelsystem mit geschlossenem Regelkreis und Geschwindigkeitsregelung für einen Umkehrmotor und Vorrichtung zum Antrieb des Motors, wobei die entgegengesetzt gepolten steuerbaren Gleichrichter in jeder Leitung einer Mehrphasenwechselspannungsquelle zur Übertragung der elektrischen Energie aus der Quelle auf den Antriebsmotor vorgesehen sind, eine digitale Schaltung zur Synchronisation der Erzeugung der Zündimpulse für die steuerbaren Gleichrichter mit der entsprechenden Phase und Polarität der Wechselspannung vorhanden ist und die Zündimpulse den Durchgang elektrischer Energie durch die steuerbaren Gleichrichter zu dem Motor gemäß einem Regelabweichungssifc ^..1 s», uern, das aus einem Vergleich der digitalen Sollverteignale nit digitalen Rückkopplungssignalen erhalten wird, wobei das109834/11^5210A866Sollwertsignal das gewünschte Motorverhalten und das Rückkopplungssignal das tatsächliche Motorverhalten anzeigen, dadurch gekennzeichnet , daß die digitale Schaltung enthält: einen von dem Motor (2) mit einer Geschwindigkeit entsprechend der Motorgeschwindigkeit angetriebenen Impulsgenerator (8) mit mindestens einem Ausgangsimpuls pro Umdrehung, einem digitalen Sollwertgenerator (6) zur Erzeugung des Sollwertsignals, einem digitalen Regelabweichungssignalgenerator (7)» Vorrichtungen zur elektrischen Kopplung des Impulsgenerators und des digitalen Sollwertgenerators auf den digitalen Regelabweichungssignalgenerator, wobei ein Regelabweichungssignal durch Vergleich des Ausgangs des Impulsgenerators mit dem Sollwertsignal ableitbar ist, die Phasendetektorlogik (9) zur Erfassung der Polarität jeder Phase der Quellenspannung an die Wechselspannungsquelle (1) gekoppelt ist und ein Ausgangssignal besitzt, welches eine vorgegebene digitale Zahl auf digital betätigte Zündschaltungen (5) eingibt, und zwar zum frühesten Zeitpunkt in jeder Halbperiode der Wechselspannung, ώ.ϊί - sai Zündimpulse für gesteuerte Gleichrichter (3,^*) sprechender Phasen erzeugt werden können, wobei für jed.3 Fu. " - der Eingangsleistung eine digital betätigte Zündschaltung vorgesehen und mit der Phasendetektorlogik (9) und dem digitalen Regelabweichungssignalgenerator (7) verbunden ist und jede dieser Zündschaltungen (5a, b, c) einen digitalen Komparator (60) und einen umkehrbaren digitalen Zähler (30) enthält, welcher von der durch die Phasendetektorlogik eingegebenen vorgegebenen digitalen Zahl aus in einer vorgegebenen Richtung zählen kann, wobei die Zündschaltung (5) zur Abgabe von Zündimpulsen an richtig gepolte, entsprechende steuerbare Gleichrichter (3, 4) zu dem Zeitpunkt abgeben kann, wenn am digitalen Komparator (60) ein· Änderung im Vorzeichen der Differenz zwischen dem Inhalt des109834M12SP104866digitalen Zählers (30) und dem digitalen Regelabweichungssignal festgestellt ist und einen Taktgenerator (13), der so mit den digitalen Zählern (30) in den Zündschaltungen (5) verbunden ist, daß der auf einer Festfrequenz arbeitende Taktgenerator von der vorgegebenen digitalen Zahl aus den Inhalt des digitalen Zählers auszählt.13. Verfahren zur Steuerung der Übertragung elektrischer Leistung aus einer Wechsel Spannungsquelle auf einen Verbraucher, gekennzeichnet dur ch die folgenden Verfahrensschritte: Erzeugung eines Regelabweichungssignals in digitaler Form, Überwachung des Verlaufs der Wechselspannung und Erzeugung eines Signals an dem ersten Punkt in jeder Halbperiode, an dem eine Übertragung elektrischer Leistung zu dem Verbraucher zulässig ist, wobei dieses Signal anschließend das Intervall definiert, in dem die Übertragung elektrischer Leistung stattfinden darf, die Einspeisung einer vorgegebenen digitalen Zahl auf den Zähler auf das Signal dieser Überwachungsstufe hin.14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet , daß das in der Überwachungsstufe gewonnene Signal eine vorgegebene digitale Zahl vorgegebener Polarität auf dem Zähler vorgibt und danach die Zählrichtung steuert.15· Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet , daß die Überwachungsstufe die Erzeugung eines Signals bei einem Voreilwinkel von 120° während jeder Halbperiode umfaßt.10983Λ/1125
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