DE2213612C2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer einstellbaren Gleichspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer in weiten Grenzen einstellbaren Gleichspannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 1438623 bekannt. Dort werden die Ansteuerimpulse zum Zünden aller Thyristoren in einem einzigen Schaltverstärker erzeugt. Dieser Schaltverstärker erzeugt Zündimpulse, sobald eine sägezahnförmige Referenzimpulsspannung eine Steuerspannung überschreitet. Die Referenzimpulsspannung wird aus den positiven und negativen Halbwellen der einzelnen Phasenspannungen der mehrachsigen Wechselspannung erzeugt, wobei sich z. B. bei einer Dreiphasenwechselspannung eine Referenzimpulsspannung mit sechsfacher Frequenz ergibt. Die im einzigen Schaltverstärker erzeugten Zündimpulse gleicher Frequenz werden allen Thyristoren zugeführt Da hierbei die Phasen-

S lage der einzelnen Zündimpulse synchron zur Phasenlage der einzelnen Halbwellen der mehrphasigen Wechselspannung liegt, ergeben sich bei Phasenverschiebungen in der Wechselspannung — die insbesondere bei Industrienetzen häufig vorkommen — keine wesentlichen Zündwinkelverstellungen. Durch die hohe Zündimpulsfolge (alle 60° el) ergibt sich jedoch nur ein sehr enger Zündwinkelverstellbereich, der zudem noch ra einem sehr ungünstigen Phasenbereich liegt Daher ist eine Einstellung der Gleichspannung nur in sehr gerin-

IS gern Maße im Bereich der maximalen Gleichspannung möglich.

Gemäß der DE-OS 16 38 377 ist es weiterhin bekannt, über einen einzigen nicht synchronisierten Taktgeber Zündimpulse zu erzeugen, deren Phasenlage über eine Steuerspannung vorgegeben wird. Diese Zündimpulse, die gleichfalls einen Abstand von 60° el bezogen auf die Netzwechselspannung aufweisen, wenien hier jedoch nicht allen Thyristoren zugeführt, sondern aber einen Ringzähler derart aufgeteilt, daß jeder Thyristor aller 360°el jeweils nur einen Zündimpuls erhält Das Auswandern der Zündimpulse aus dem zulässigen .Zündwinkelbereich von 60° wild über eine zusätzliche Synchronlogik durch Einfügen eines Zwangsimpulses oder einer Impulssperrung verhindert. Durch die Verwendung eines einzigen Taktgebers wird bewirkt, daß die Impulssymmetrie der Zündimpulse für alle Thyristoren die gleiche ist. Schwankungen, die sich durch eine Veränderung der Phasenlage einzelner Phasenspannungen ergeben, werden hierbei jedoch nicht ausgeglichen, da die Erzeugung der Zündimpulse nicht synchron zu den Phasenspannungen erfolgt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer einstellbaren Gleichspannung der eingangs genannten Art, die Einstellungsgrenzen der Gleichspannung durch die Möglichkeit zu erweitern, den Zündwtnkelbereich auf mehr als 90° auszudehnen, ohne daß sich hierbei störec.de Wechselspannungsanteile mit Netzfrequenz ergeben. Eine Zündwinkelverstellung von mehr als 90° ist. vor allem bei Schaltungsanordnungen für größere Leistungen bzw. Ströme erforderlich. In vielen Fallen wird eine wirtschaftliche Strom- bzw. Leistungsausnutzung erst durch Erweiterung des Verstellbereiches auf nahezu 120° möglich.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Aus der DE-AS 12 76 804 ist es an sich bekannt die Steuerimpulse den Steuereingängen der Thyristoren über UND-Gatter zuzuführen, jedoch dienen dort die UND-Gatter nicht der phasenrichtigen Aufteilung der Steuerimpulse. Die phasenrichtige Aufteilung wird vielmehr über einen nach Art eines Ringzählers arbeitenden impulsverteiler ciurchgeführt, wobei die Einstellung des richtigen Zündwinkelbereiches über eine Steuerspannung erfolgt.

Bei einer Schaltungsanordnung mit den im kennzeichnenden Teil aufgeführten Merkmalen wird eine Gleichspannungseinstellung Über einen Zündwinkelverstellbereich von 120° möglich, wobei Weiterhin durch die Steuerung über einen einzigen Referenzimpulserzeuger, der digital mit den entsprechenden Phasennulldurchgäng&i der mehrphasigen Wechselspannung synchronisiert ist, vermieden wird, daß sich störende Wechselspannungsanteile mit Netzfrequenz

ergeben. Änderungen oder Toleranzen einzelner Bauelemente bzw. Spannungen führen hierbei lediglich zu einer gleichartigen Verstellung des Zündwinkels aller Thyristoren, welche durch eine entsprechende Regelspannung einfach kompensiert werden kann. Störungen s durch Veränderungen der Phasenwinkel der mehrphasigen Wechselspannung werden wie bei der DE-OS 14 38623 weitgehend durch die starre Verknüpfung mit den entsprechenden Phasennulldurchgängen vermieden.

In Weiterbildung der Erfindung läßt sich das gleiche Sdialtungsprinzip auch bei Stromrichtern mit antiparallelgeschaltetfin Thyristoren zur Erzeugung einer Gleichspannung verwenden, deren Polung sich zusammen mit der Polung der Steuerspannung umkehrt. Hier- bei wird in beiden Spannungsrichtungen ein Zündwinkelverstellbereich von 120° möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltungsprinzip einer erfindungsgemäßen Gleichrichtung,

F i g. 2 einen Schaltspannungserzeuger zur phasenrichtigen Aufteilung,

Fig. 3a bis 3c Triggerstufen für die Referenzimpulsspannungserzeugung,

Fig. 4 ein Schaltungsbeispiel zur Einstellung einer positiven und negativen Gleichspannung,

F i g. 5 den Kurvenverlauf mehrerer Spannungen aus einer Schaltungsanordnung gem. Fig. 4,

Fig. 6 den Schaltungsaufbau der Vergleicher aus Fig. 4 und

F i g. 7 eine Schaltungsanordnung zur phasenrichtigen Aufteilung und Erzeugung der Zündimpulse für die Thyristoren.

In Fig. 1 sind die Anoden von drei Thyristoren 1; 2 und 3 jeweils an eine Phasenleitung R; S und reines Drehstromnetzes oder Drehstromtransformators angeschlossen. Die Katoden der Thyristoren 1 bis 3 sind zusammen an eine Gleichstromlast 4 angeschlossen, die z. B. ein Gleichstrommotor sein kann. Das andere Ende der Gleichstromlast 4 liegt am Mittelpunktleiter Mp dieses Drehstromnetzes oder Drehstromtransformators. Die Phasenleitungen R; S und Γ sind weiterhin mit einem Eingang je eines Schaltspannungserzeugers 5; 6 und 7 verbunden, deren zweite Eingangsklemme jeweils am Mittelpunktleiter Mp liegt. Die Ausgänge der Schaltspannungserzeuger 5; 6 und 7 sind getrennt so an einen Referenzspannungs-Erzeuger 8 geführt, der eine Referenzimprlsspannung — insbesondere eine Sägezahnspannung - mit gegenüber der Phasenspannung R; S oder T dreifachen Frequenz auf eisen Vergleicher 9 gibt. Diesem Vergleicher 9 ist als Steuerspan- nung eine Stellgleichspannung oder Regelgleichspannung 10 zugeführt Der Vergleicher 9 erzeugt eine Steuerinipulsspannung, die auf je einen Eingang von drei UND-Gattern 11; 12 und 13 gegeben wird, deren zweiter Eingang mit je einem Ausgang der Schaltspannungserzeuger 5; 6 und 7 verbunden ist Die Ausgänge der UND-Gatter 11; 12 und 13 sind an die Eingänge von drei Zündimpulserzeugern 14; 15 und 16 geführt, deren Ausgänge an der Steuerelektrode je eines der Thyristoren 1; 2 und 3 angeschlossen sind.

Die Schaltspannungserzeuger 5; 6 und 7 können, wie in F i g. 2 dargestellt, Operationsverstärker 17 enthalten, an deren einem Eingang die Phasenleitung R; S oder T über zwei Widerstände 18 angeschlossen ist, während am zweiten Eingang der Mittelpunktleiter Mp liegt. Vom Verbindungspunkt der beiden Widerstände 18 zum Mittelpunktleiter liegt ein Entstörkondensator 19, und parallel zu den beiden Eingängen des Operationsverstärkers sind zwei antiparallelgeschaltete Begrenzerdioden 20; 21 angeschlossen. Hierbei wird aus der anliegenden Phasenspannung eine phasengleiche Rechteckspannung am Ausgang des Operationsverstärkers gewonnen, die über einen Widerstand 22 einer — mit der Anode an Masse liegenden—Klemmdiode 23 zugeführt ist. An der Klemmdiode 23 kann diese als Rechteckspannung 24 ausgebildete Schaltspannung A oder die über einen Negator 25 negierte Schaltspannung A abgegriffen werden.

Die drei um jeweils 120° gegeneinander versetzten Schaltspannungen A; B; C oder A; B; C werden einem Referenzspannungserzeuger 8 zugeführt, der aus diesen Schaltspannungen eine Referenzimpulsspannung erzeugt welche eine gegenüber dem Drehstrom phasensynchrone Impulsspannung mit dreifacher Frequenz ist. Dies kann z. B. mit Hilfe einer monostabilen Kippstufe 26 oder 27 gemäß Fig. 3a; b oder c erfolgen, die einen Impulseingang aufweist, der auf positive oder negative Impulsflanken (d. h. die vordere oder hintere Impulsflanke der Schaltspannungen A; B; C oder A; B; C) anspricht, die über Kondensatoren 28; 29; 30 diesem Eingang zugeführt sind. Bei richtiger Wahl der entsprechenden Kippstufe wird an deren Ausgang immer dann ein kurzer Impuls mit konstanter Breite erzeugt, wenn eine der Phasenspannungen R; S; T vom Positiven in das Negative überwechselt. Mit Hilfe dieser Triggerimpulse läßt sich in bekannter Weise z.B. eine sägezahnförmige Impulsspannung erzeugen, die während des kurzen Impulses einen Maximalwert aufweist und kurz vor Eintreffen des nächsten Impulses einen Minimalwert erreicht Diese sägezahnförmige Referenzimpulsspannung kann im Vergleicher 9 mit der Stell- oder Regeigieichspannung 10 verglichen werden, wobei der Vergleicher 9 jedesmal dann einen Impuls bzw. die Vorderflanke eines Impulses liefert sobald Spannungsgleichheit herrscht. Die Referenzimpulsspannung kann jedoch auch — wie später noch beschrieben — mit der Stell- oder Regelspannung überlagert und die Vorderflanke eines Impulses jedesmal dann erzeugt werden, wenn die Gesamtspannung einen eingestellten Pegelwert über- oder unterschreitet.

Die so im Vergleicher erzeugte Impulsspannung wird auf je einen Eingang der drei UND-Gatter 11; 12; 13 gegeben, an deren zweiten Eingängen je eine der Schaltspannungen A; B oder C liegt. Hierbei werden jeweils diejenigen Schaltspannungen gewählt, die ein Öffnen der UND-Gatter während eines Zeitraumes ermöglichen, in welchem der Zündwinkelbereich des jeweiligen Thyristors liegt Die Zündung der Thyristoren erfolgt dann durch Zündimpulse, die durch Impulsformung und Verstärkung in den Zündimpulserzeugern erzeugt werden.

Hierdurch wird eine Zündimpulserzeugung in einem Zündwinkelbereich von 120° möglich, wobei der durch die Stell- oder Regelgleichspannung verstellbare Zündwinkel bei allen Thyristoren jeweils weitgehend gleich ist, d.h. um genau 120° gegenüber den anderen Thyristoren versetzt ist, auch wenn die Bauelemente der einzelnen Stufen größere Toleranzen aufweisen oder durch äußere Einwirkungen unterschiedlich beeinflußt werden. Dies wird dadurch bewirkt, daß rar Zündwinkelverstellung lediglich ein Referenzimpulsspannungser-

zeuger 8 und ein Vergleicher 9 Verwendung finden, und die Impulserzeugung digital — d. h. lediglich durch zeitlich festgelegte Impulsflanken — erfolgt, wobei die Amplituden der Spannungen nur eine untergeordnete Rolle spielen. Toleranzen oder größere Änderungen an oder in den einzelnen Stufen können so lediglich den Zündwinkel für alle Thyristoren gleichzeitig und in gleicher Weise beeinflussen, was leicht durch eine entsprechende KuiTektur der Stell- oder Regelspannung 10 oder durch einen entsprechenden Aufbau des Regelkreises zur Erzeugung dieser Stell- oder Regelspannung ausgeglichen werden kann.

Durch die Zündung der Thyristoren bei stets gleichem Zündwinkel wird vermieden, daß der erzeugten Gleichspannung an der Gleichstromlast eine Wechselspannung überlagert ist, deren Frequenz der Netzfrequenz entspricht. Insbesondere bei einer Verwendung der Gleichspannung in Regel- oder Steuerkreisen mit schnellem Zeitverhalten kann eine derartige Überlagerung sich sehr nachteilig auswirken. lsi z.B. die Wirkung der Gleichspannung an der Gleichstromlast über einen Regelkreis mit der Regelspannung 10 verknüpft, können sich instabile Verhältnisse ergeben, wenn die Grenzfrequenz in der Nähe oder gar über der Netzfrequenz liegt. Schon allein bei einer Verwendung der Gleichspannung für ein mechanisches Stellglied bzw. eines Motors können sich Schwierigkeiten ergeben, da eine Netzfrequenz im Bereich um SO Hz zu störenden Vibrationen führen kann, während eine Überlagerung der Gleichspannung durch eine Wechselspannung von 100 Hz oder ISO Hz, wie sie bei einer Gleichrichtung gemäß l· i g. 1 entsteht, durch die mechanische Trägheit nicht mehr störend in Erscheinung tritt. Siebmittel wie LC-Glieder lassen sich bei größeren Leistungen nicht wirtschaftlich sinnvoll verwenden und bedingen eine Herabsetzung der Grenzfrequenz für die Regelung oder Steuerung vor allem, wenn diese auf die niedrige Netzfrequenz ausgelegt werden müßten.

Die zeitlichen Zusammenhänge werden anhand der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 mit den dazugehörenden Spannungsverläufen gemäß Fig. S näher beschrieben. Hier handelt es sich um eine auch in der Polarität umkehrbare Gleichrichter-Einrichtung, die mit Hilfe einer in gleicher Weise sich ändernden Stelloder Regelspannung U₃ gesteuert wird. Hierzu sind an den Phasenleitungen R; S; Γ neben den wie in Fig. 1 mit ihren Anoden angeschlossenen Thyristoren 41; 42; 43 weitere drei Thyristoren 45; 46; 47 mit ihren Kathoden angeschlossen, deren Anoden zusammengefaßt über eine Schutzdrossel 48 an einem Pol der Gleichstromlast 44 liegen, an den eine weitere Schutzdrossel 49 geführt ist, deren anderes Ende an den zusammengefaßten Katoden der Thyristoren 41; 42; 43 angeschlossen ist Die Gleichstromiast 44 liegt mit ihrem zweiten Anschluß am Mittelpunktleiter Mp, der gleichfalls als null oder Chassisleiter für die Steuerung dienen kann, wenn nicht durch besondere Sicherheitsforderungen genötigt, eine z.B. inbekannter Weise über Transformationsglieder getrennt erzeugte Nullspannung an das Chassis geführt werden muß. Über diese Transformationsglieder, oder wie in F i g. 1 direkt an den Phasenleitungen R; S; T, sind drei Schaltspannungserzeuger 50; 51; 52 angeschlossen, welche zwei Ausgänge aufweisen, die z. B. gemäß F i g. 2 eine Rechteckspannung und eine negierte Rechteckspannung abgeben. Der mit der R-Fhase verbundene Sehaltspannungserzeüger 50 liefert hierbei die Schaltspannungen A und A, der mit der S-Phase verbundene Schaltspannungserzeuger 51 die Spannungen B und B und der dritte mit der Γ-Phase verbundene_Schaltspannungserzeuger 52 die Spannungen C und C, die alle mit dor jeweiligen Phasenspannung R; S; Γ phasengleich oder um 180° phasenversetzt sind. Während alle Ausgänge mit den negierten Schaltspannungen A; B; C an eine Triggerstufe I gemäß F i g. 3c geführt sind, liegen die anderen Schaltspannungen A; B; C an einer zweiten Triggerstufe II. Die Triggerstufen erzeugen die in Fig. S dargestellten Impulszüge

ίο Trigg. I und Trigg. H, welche jeweils einem Referenzimpulsgenerator 53; 54 zugeführt sind, der die hierzu phasengleichen, sägezahnförmigen Impulsspannungen Ref. I und Ref. II oder eine entsprechend negierte Impulsspannung erzeugt, deren Amplitude und/oder

is Mittelwertslage über ein Einstellpotentiometer 55; 56 einstellbar sein kann Die Ausgänge der Referenzspannungserzeuger 53,54 sind jeweils mit einem Vergleicher 57; 58 verbunden, der über je einen Schaltspannungsverstärker 59; 60 verstärkte Zündsteuerimpulse P und N abgibt. Die den Zündwinke! bestimmende Phasenlage dieser Impulse wird durch eine Stell- oder Regelspannung IZ₁ bestimmt, die gleichfalls beiden Vergleichern 57; 58 zugeführt ist, wobei eine Grundeinstellung durch zusätzliche Stellglieder 61^62 möglich ist.

Die Zündsteuerimpulse P aus dem Schaltspannungsverstärker 59 sind jeweils an einen ersten Eingang von drei UND-Gattern 63; 64; 65 angeschlossen, an deren zweiten Eingängen jeweils die Triggerimpulse Trigg. II der Triggerstufe II liegen. Am dritten Eingang liegt jeweils eine der negierten Schaltspannungen A; B oder C, während am vierten Eingang eine der im Phasenverlauf davorliegende Schaltspannung C; A oder B zugeführt ist. Die Ausgänge dieser UND-Gatter 63; 64; 65 sind über Zündimpulserzeuger 66; 67; 68 mit je einer Steuerelektrode der Thyristoren 41; 42; 43 zur Erzeugung einer positiven Gleichspannung verbunden.

In gleicher Weise werden die Zündsteuerimpulse N, die Jriggerimnulse Trigg. I und die Schaltspannung A; B; C und A; B; C je vier Eingänge aufweisenden drei weiteren UND-Gattern 69; 70; 71 zugeführt, deren Ausgänge über drei weitere Zündimpulserzeuger 72; 73; 74 mit den Steuerelektroden der Thyristoren 45; 46; 47 zur Erzeugung einer negativen Gleichspannung verbunden sind.

Die Wirkungsweise wird anhand der in F i g. 5 dargestellten Impulszüge erläutert. In den Schaltspannungserzeugern 50; 51; 52 werden die mit der jeweiligen Phasenspannung R; S; Γ des Drehstromes um 180° phasenversetzten Rechteckspannungen A, B und C gewonnen, deren vordere Impulsflanken 75 genau beim Nulldurchgang der jeweiligen Phasenspannung ins Negative liegen und deren hintere Impulsflanken 76 mit dem Nulldurchgang der jeweiligen Phasenspannung ins Positive übereinstimmen. Durchdie Vorderflanken der negierten Schaltspannungen A; B und C, die mit den Rückflanken 76 zeitlich übereinstimmen, werden die Triggerimpulse Trigg I und durch die Vorderflanken der Schaltspannungen A; B und C die Triggerimpulse Trigg. Π gebildet Aus diesen Triggerimpulsen werden phasengleiche, sägezahnförmige Referenzimpulsspannungen Ref. I und Ref. II gebildet, deren steile Flanken 77 bzw. 78 bei Einsetzen der entsprechenden Triggerimpulse beginnen und vor der Hinterflanke 79 bzw. 80 der jeweiligen Triggerimpulse enden.

Wird nun die negierte Referenzspannung Ref. I auf einen begrenzenden Schaltverstärker ähnlich dem von F i g. 2 gegeben, kann bewirkt werden, daß dieser Zündsteuerimpulse Abliefert, deren Vorderflanken 81 mit den

Nulldurchgängen 82 der Referenzimpulsspannung zeitlich übereinstimmen. Das gleiche kann auch mit der Referenzspannung Ref. II bewirkt werden, wobei dann die Nulldurchgänge 83 die Vorderflanken 84 der Zündsteuerimpulse P erzeugen. Diese Impulse (N und P) enden, sobald die steile Sägezahnflanke einen Nulldurchgang in entgegengesetzter Richtung bewirkt.

Die Nulldurchgänge 82; 83 können durch Überlagerung der sägezahnförmigen Referenzspannung mit der Stell-oder Regelspannung U, zeitlich verändert werden, d.h., die sägezahnförmige Referenzspannung ändert ihre Lage zur Nullspannung 85 (gestrichelt dargestellt). Es ergeben sich z. B. veränderte Nulldurchgänge 86 bei der Referenzimpulsspannung Ref. II, während die Referenzimpulsspannung Ref. I keinen Nulldurchgang mehr aufweist. Hierdurch entstehen verbreiterte Zündsteuerimpulse 87 (P) am Ausgang des Schaltspannungsverstärkers 59, während der Ausgang des zweiten Schaltspannungsverstärkers 60 keine Zündimpulse (Λ0 mehr abgibt.

Am UND-Gatter 63 liegen neben den Zündsteuerimpulsen P die Schaltspannungen_A und C, wodurch nur jeder dritte Zündsteuerimpuls P durchgeschaltet wird, der im Bereich von 120° vor dem Nulldurchgang der positiven Halbwelle der Phasenspannung R liegt. Mit Hilfe der Vorderflanken dieser Zündimpulse P werden im Zündimpulsverstärker 66 dann Zündimpulse 88 erzeugt, die den Thyristor 41 öffnen. Jeweils der nächste durch das UND-Gatter gesperrte Zündsteuerimpuls (P) gelangt über das dann durch die Schaltspannungen B ■ A geöffnete UND-Gatter 64, während der darauf folgende Impuls (P) mit Hilfe der Schaltspannungen C · B über das UND-Gatter 65 durchgeschaltet wird. Durch die - neben den phasengleich zur jeweiligen Phasenspannung R; S; Fliegenden Schaltimpulsspannungen A; B; C- zusätzlich zum Öffnen der UND-Gatter 63; 64; 65 erforderlichen Schaltimpulsspannungen C; A; B wird die Öffnungszeit der Gatter soweit eingeschränkt, daß ein im ersten Drittel der positiven Halbwelle der entsprechenden Phasenspannung liegender Impuls der Zündsteuerimpulse nicht über das jeweilige Gatter gelangen kann. Dies wird bei Drehstrom erforderlich, wenn die Amplitude der Gleichspannung sich stark ändert oder geändert werden soll, kann j edoch z.B. bei einer zweiphasigen Brückenschaltung der Thyristoren entfallen.

Das Löschen der Thyristoren erfolgt in bekannter Weise selbsttätig, sobald die an der Gleichstromlast anliegende Momentanspannung ausreichend weit unter dem Momentanwert der entsprechenden Phasenspannung liegt. Um mit Sicherheit zu vermeiden, daß eine Zündung eines Thyristors erfolgt bevor der zuvor gezündete Thyristor gelöscht ist, können - wie in F i g. 4 dargestellt- den UND-Gattern 63; 64; 65 die negativen Triggerimpulse Trigg. II und den UND-Gattern 69; 70; 71 die negativen Triggerimpulse Trigg. I in einer Weise zugeführt werden, durch die das jeweilige UND-Gatter gesperrt bleibt solange der Triggerimpuls anhält Hierdurch wird der Beginn der Öffnungszeit um die Breite 89 eines Triggerimpulses verzögert Da die Breite der Triggerimpulse für die Steuerung nur eine untergeordnete Rolle spielt, kann sie z.B. durch eine entsprechende Dimensionierung der monostabilen Kippstufe (F i g. 3) so gewählt werden, daß mit Sicherheit ein Zünden des folgenden Thyristors erst erfolgt, wenn der zuvor gezündete Thyristor gelöscht ist

Wird die Stell- oder Regelspannung U, negativ_t erfolgt eine Verlagerung der Referenzspannungen Ref. I und Ref. Π in entgegengesetzter Richtung, wobei die Zündsteuerimpulse P verschwinden und die Zündsteuerimpulse N sich nach, vorn verbreitern. Das Öffnen der UND-Gatter 69; 70; 71 - an welchen diese Zündsteuer· impulse N anliege? — wird durch die Schaltspannung A- C (anUND-Gatter69);B ■ A (anUND-Gatter70) und C · B (an UND-Gatter 71) bewirkt, wobei auch hier die Öffnungszeit jetzt durch die Triggerimpulse Trigg. I verringert wird.

ίο Von besonderem Vorteil ist die erfindungsgemäße Schaltung, wenn die Gleichstromlast 44 ein Stellmotor ist, der über eine leistungsschwache Stell- oder Regelspannung U„ z.B. aus einer numerischen Steuerung, genau gesteuert werden soll bzw. ein Stellglied in eine

is exakt festliegende Stellung bringen soll. Eine Schaltungsanordnung z.B. gemäß Fig. 4 wirkt dann als Leistungsverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor, wobei sich die am Motor (44) liegende Gleichspannung annähernd linear mit der angelegten Stell- oder Regelspannung JJ. ändert. Ist das Stellglied bzw. der Stellmotor z. B. Teil einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, wird es üblicherweise erforderlich, den Motor in einer eingestellten Lage bei einer Stell- oder Steuerspannung U, = Null durch Überlagerung einer Wechselspannung festzuhalten. Weist diese Wechselspannung die Frequenz der Netzfrequenz von z. B. SO Hz auf oder ist diese mit einer Wechselspannung in dieser Frequenz überlagert, so kann eine starke Vibration auftreten, die Rattermarken am Werkstück bewirkt, die Lager der Werkzeugmaschine übermäßig beansprucht oder die Steuerung stört Bei einer überlagerten Wechselspannung hingegen, welche die doppelte oder eine noch höhere Frequenz aufweist, sind durch die mechanische Trägheit des Motors bzw. der Stellglieder derartige Nachteile im allgemeinen nicht zu erwarten.

Aus diesem Grunde können die Referenzimpulsspannungen Ref. I und Ref. Π gemäß Fig. 5 derart gewählt werden, daß sie bei einer Stell- und Regelspannung = Null Nulldurchgänge aurweisen, die Zündsteuerimpulse P und JV für die Thyristoren zur Bildung der positiven wie auch der negativen Gleichspannung erzeugen. Hierdurch erfolgt ein Öffnen der Thyristoren 41; 42; 43 in einem Bereich 90 kurz vor dem zweiten Nulldurchgang jeder positiven Halbwelle der Phasenspannungen R;S; rundderThyristoren45;46;47;ineinemBereich 91 kurz vor dem zweiten Nulldurchgang j eder negativen Halbwelle dieser Phasenspannungen. An der Gleichstromlast 44 ergibt sich durch die einzelnen Öffnungsbereiche 90 und 91, wie in Fig. 5 bei der Phasenspan- nung Γ dargestellt, eine Wechselspannung 92 mit dreifacher Frequenz. Würde sich, wie dies bei den bekannten Schaltungsanordnungen möglich ist, z. B. durch Bauelementetoleranzen oder Spannungsänderungen bei nur einer Phasenspannung eine zeitlich versetzt liegende Zündung ergeben können, überlagert sich dieser Wechselspannung 92 eine weitere Wechselspannung mit Netzfrequenz, die leicht die gleiche Größe wie die höherfrequente Wechselspannung 92 annehmen kann. In Fig. 6 sind Ausfuhrungsbeispiele für die Vergleieher 57; 58 und die Schaltspannungsverstärker 59; 60 gemäß F i g. 4 dargestellt Die Vergleicher 57; 58 enthalten jeweils einen Operationsverstärker 93; 94, die mit einem Eingang an Masse liegen und an deren zweitem Eingang die Enden von je fünf Widerständen 95; 96; 97; 98; 99 und 100; 101; 102; 103; 104 liegen, über welche die O-rundeinstellung und Steuerung der Operationsverstärker 93; 94 erfolgt Der Operationsverstärker 93 erhält über den Widerstand 95 die Referenzspannung

Ref. II; den Widerstand 96 die Stell· oder Regelspannung U,\ den Widerstand 97 eine veränderbare Gleichspannung von einem Potentiometer 105; über den Widerstand 98 eine weitere veränderbare Gleichspannung von einem weiteren Potentiometer 106 und über den einstellbaren Widerstand 99 eine Grundgleichspannung. In gleicher Weise erhält der Operationsverstärker 94 über den Widerstand 100 die negierte Referenzspannung Ref. I; über den Widerstand 101 gleichfalls die Stell- oder Regelspannung U,; über den Widerstand 102 die Gleichspannung wie der Operationsverstärker 93 von dem Potentiometer 105; über den Widerstand 103 eine sich gegenläufig — zu dem am Potentiometer 106 abgegriffene — veränderbare Gleichspannung aus einem Potentiometer 107, das mit dem Potentiometer is 106 mechanisch verbunden ist; und über den einstellbaren Widerstand 104 eine Grundgleichspannung.

1st die Stell- oder Regelspannung U₁ = Null, erhalten die Operationsverstärker, ihre Referenzspannung zusammen iiiii der veränderbaren Gleichspannung so, daß an ihrem Ausgang die in Fig. 5 dargestellte Sägezahnspannung Ref. II und die negierte Sägezahnspannung Ref. I mit der dort angegebenen Lage zur Nullspannung 85 anliegen. Wie bei einer Änderung durch die Stell- oder Regelspannung U₃ verändert auch die Einstellung über das Potentiometer 105 die Lage, Amplitude und Steilheit der Sägezahnflanken, wobei — in der zuvor beschriebenen Weise — an der Gleichstromlast (44) eine Gleichspannung entsteht. Das Potentiometer 105 kann so zur Nu!:einstellung dienen, aber auch dafür sorgen, daß bei einer Stell- oder Regelspannung = Null eine Gleichspannung entsteht, die z.B. einer mechanischen Kraft entgegenwirkt, welche auch bei stillstehendem Antrieb auf einen Motor einwirkt, der durch die Gleichspannung angetrieben wird. Dieser Kraftausgleich wird häufig bei Stellgliedern erforderlich, auf die eine Last z.B. durch das Gewicht eines Maschinenteils einwirkt. Mit dem Potentiometer 105 kaum die Ruhelage des Stellgliedes eingestellt werden, wobei dann bei einem Verstellen dieses Stellgliedes gegen die Lastrichtung eine erhöhte Gleichspannung entsteht, die diese Last weitgehend ausgleicht.

Durch die mechanische Verbindung der Potentiometer 106 und 107 werden gegenläufige, auf die Operationsverstärker einwirkende Spannungen erzeugt, durch welche sich die Breite der Zündsteuerimpulse verändern und so die Größe der Wechselspannung 92 einstellen läßt, die ohne eine Gleichspannung an der Gleichstromlast 44 anliegt. Anstelle oder zusätzlich zu so den veränderbaren Gleichspannungen kann den Eingängen auch eine Regelspannusg (z. B. zur Kompensation von Außeneinflüssen wie Temperatur- oder Spannungsschwankungen) zugeführt werden. Um eine Überlastung der Gleichrichteranordnung und/oder der SS Gleichstromlast zu vermeiden, kann die zusätzliche Regelspannung z.B. einem Widerstand im Laststromkreis entnommen sein und ab einem Schwellwert in positiver und negativer Richtung die Referenzspannung bzw. die beiden Operationsverstärker derart beeinflussen, daß ab einem jmaximalen Strom die Breite der Zündsteuerimpulse P oder N stark zurückgestellt werden. Durch die hierbei schnell zurückgehende Gleichspannung an der Gleichstromlast 44 kann die Leistung der Gleichstromerzeugung begrenzt werden, wobei je nach "dung der entsprechenden Gleichspannung die Regelspannung sich nur auf den jeweiligen Operationsverstärker 93 oder 94 auswirkt Durch ein verzögertes Einsetzen dieser oder einer weiteren Regelspimnung, die z.B. über entsprechende ÄC-Glieder verzögert schon bei einem kleineren Schwellwert einsetzt, kann bewirkt werden, daß kurze nicht störende Lastspitzen kein Herabregeln der Gleichspannung bewirken.

Die an den Operationsverstärkern 93 und 94 liegenden Ausgangsspannungen Ref. Π und Ref. I gefangen über je einen Widerstand 108; 109 an den einen Eingang je eines weiteren Operationsverstärkers 110; 111, deren zweite Eingänge an Masse liegen. Die beiden Eingänge jedes der Operationsverstärker sind mit antiparallelgeschalteten Begrenzerdioden 112; 113 überbrückt. Die Operationsverstärker wirken als Schaltverstärker, wobei am Ausgang eine positive Spannung anliegt, sobald die Referenzspannungen den Nullpegel 85 unterschreiten. Während so am Ausgang des Operationsverstärkers 111 die Zündsteuerimpulse P entstehen, muß die am Ausgang des Operationsverstärkers 110 erst über einen Negator 114 negiert werden, um die Zündsteuerimpulse N zu erhalten.

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Schaltung der UND-Gatter und Zündimpulserzeuger dargestellt. Die Schaltung und Wirkungsweise entspricht weitgehend dem entsprechenden Schaltungsteil in Fig. 4, wobei lediglich die UND-Gatter 269 bis 271 und 263 bis 265 mit einem negierten Ausgang (NAND-Gatter) und ein zweites UND-Gatter mit zwei negierten Eingängen aufgeteilt ist. Jeweils das erste UND-Gatter 269 bis 271 und 263 bis 265 weist drei Eingänge auf, die wie in Fig. 4 geschaltet sind, wobei jedoch jeweils die nicht negierte Schaltspannung A; B; C fehlt. Der negierte Ausgang dieser NAND-Gatter ist jeweils mit dem ersten negierten Eingang des zweiten UND-Gatters 115 bis 120 verbunden, am dessen zweitem negierten Eingang die fehlende^ nun gleichfalls negierte Schaltspannung A; B oder C angelegt ist. Die Wirkungsweise der beiden Schaltungen (F i g. 4 zu F i g. 7) bleibt gleich, wobei jedoch dieser Schaltungsgruppe nur noch drei Schaltspannungen A; B und C zugeführt werden müssen, die eine gleiche Amplitude aufweisen, da sie alle die gleiche Zahl von Schaltstufen durchlaufen. In ähnlicher Weise können die UND-Gatter auch noch andersartig abgewandelt werden, z.B. so, daß nur nicht negierte Schaltspannungem erforderlich werden. Durch eine entsprechende Wahl der monostabilen Kippstu.en, z.B. gemäß Fig. 3a und 3b, kann bewirkt werden, daß nur noch drei Schaltspannungen erforderlich sind.

In Fig. 7 sind hinter die impulsformenden und -verstärkenden Zündimpulserceuger 272 bis 274 und 266 bis 268 Trennübertrager 221; 222 geschaltet, die im Primärkreis mit— in bekannter Weise geschalteten— Freilauf-Dioden 223 und Kondensatoren 224 versehen sind. Die Sekundärwicklungen deir Trennübertrager 221 sind in bekannter Weise an Steueiranschlüssen der Thyristoren 41; 42; 43 und die Sekundärwicklungen der Trennübertrager 222 an die entsprechenden Steueranschlüsse der Thyristoren 45; 46; 47 angeschlossen.

Häufig werden z.B. zur Steuerung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit mehreren Verstellachsen mehrere getrennt einstellbare Gleichspannungen erforderlich. In einem solchen Fall können Sir eine größere Anzahl von Steuereinrichtungen z.B. gemäß Fig. 4 die Schattspannungserzeuger 50; 51; 52, die Triggerstufen Trigg. I und II sowie die Referenzspannungserzeuger 53; 54 gemeinsam verwendet werden, d. h., sie brauchen nur einmal itur die getrennt einstellbaren Gleichspannungserzeuger vorgesehen werden. Wird eine in gleicher Weise wirksame Verstellung aller

getrennt voizusehender Veigleicher gewünscht, kann fur alle Stufen ein Potentiometer 105 (gemäß Fig: 6); bzw. ein Doppelpotentiometer 106; 107 tür idle Stufen 58; 59 vorgesehen werden oder eine Verstellung des Mittelwertes über Potentiometer 55; 56 an den gemein- s samen ReferenzspaiSüungserzeug&rn 53; 54 erfolgen.

Die erfindungsgeaiäße Schaltung läßt sich, in entsprechender Weise abgeändert, auch bei Drehstrombrücken-Gleichrichterschaltungen oder Sechsphasenschaltungen z.B. mit Drehstrom-Zickzack-Transforma- toren verwenden oder in entsprechender Weise auch bei Zweiphasen-Dopperweggleichiichterschaltungen mit Thyristoren anwenden.

Vor allem bei einer zweiphasigen Gleichrichtung besteht die Möglichkeit, daB die Vorderflanken sehr is breiter Zündsteuerimpulse P oder N Zündimpnlse am Thyristor zu einem Zeitpunkt erzeugen, bei dem die Gleichspannung einen größeren Wert aufweist als der Momentanwert der Phasenspannung. Hierdurch wird ein Zünden des Thyristors verhindert und erfolgt auch zu einem späteren Zeitpunkt der gleichen Halbwelle nicht mehr. Erst wenn die Gleichspannung auf einen Wert absinkt, der niedriger ist als dieser Momerianwert, kann eine Zündung der Thyristoren erfolgen. Dies kann eine ungünstigere Leistungsausnützung der Thyristören zufolge haben, die durch einen zusätzlichen Oszillator vermieden werden lr»nn. der Impulse mit einer Frequenz liefert, die um ein vielfaches höher liegt als -Jie Frequenz der Referenzimpulsspannung. Dieser Oszillator oder ein hinter dessen Ausgang liegendes weiteres UND-Gatter kann dann durch die Zündsteuerimpulsspannung P oder N derart gesteuert werden und anstelle dieser Zündsteuerimpulsspannung über die UND-Gatter 63; 64; 65 bzw. 69; 70; 71 den Zündimpulserzeugern zugeführt werden, daB im Zeitbereich der Zündsteuerimpulse eine ganze Impulsreihe von Zündimpulsen erzeugt wird. Liegt dann der erste Zündimpuls bei einem zu niedrigen Momentanwert der Phasenspannung, erfolgt durch einen der folgenden Impulse ein Zünden des Thyristors, sobald der Momentanwert der Phasenspannung den Gleichspannungswert unterschreitet

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (15)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer in weiten Grenzen einstellbaren Gleichspannung aus s einer mehrphasigen Wechselspannung mit π Phasen unter Verwendung von zündwinkelgesteuerten Thyristoren und einer Steuerschaltung zur Erzeugung der Ansteuerimpulse zum Zünden der Thyristoren, mit einem einzigen für alle π Phasen gemeinsamen Referenzimpulsspannungserzeuger, der mit Hilfe der mehrphasigen Wechselspannung eine — mit den einzelnen Phasennulldurchgängen der Netzwechselspannung phasensynchrone — sägezahnformige Referenzimpulsspannung der mindestens η-fachen Frequenz erzeugt und diese einem Vergleicher zuführt, der die Referenzimpulsspannung mit einer Steuergleichspannung vergleicht und aus dem Vergleich mit der Referenzimpulsspannung um einen gegenüber der jeweiligen Phase der Netzwechsslspannung konstanten Betrag des Phasenwinkels verschiebbar* ■' Steuerimpulse zum Zünden der Thyristoren liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (P, N) den entsprechenden Steuereingängen der Thyristoren (1 bis 3; 41 bis 43; 45 bis 47) über UND-Gatter (11 bis 13,63 bis 65,69 bis 71) zugeführt sind, die eine phasenrichtige Aufteilung der Steuerimpulse (P, ff) auf die Steuereingänge der Thyristoren mit Hilfe _yon _rechteckformigen Schaltspannungen (A, B, C; A, B, C) durchführen, die aus den Phasenspannungen (R, S, T) gewonnen und mit deren Nulldurchgängen synchronisiert sind.

2. Schaltungsanordnung ntjh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, JaS der Referenzimpuls-Spannungserzeuger (53; 54) über .ine Triggerschaltung (Trigg. I; H) synchronisiert ist und die Triggerimpulse aus gleichartigen Nulldurchgängen der einzelnen Phasenspannungen der mehrphasigen Wechselspannung gewonnen sind (Fig. 4, Fig. S).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerimpulse einem monostabilen Multivibrator (26; 27) entnommen sind, der durch η Schaltspannungen (A; B; C) angestoßen wird, die aus den einzelnen Phasenspannungen der mehrphasigen Wechselspannung gewonnen sind und beim Nulldurchgang der entsprechenden Phasenspannung eine steile Flanke aufweisen und deren Dauer der Halbwellendauer der Phasenspannungen entspricht. so

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Phasenleitung (R; S oder T) und ein Nullpunktleiter (Mp) der mehrphasigen Wechselspannung an einen Spannungsverstärker (17; 50; 51; 52) mit Spannungsbegrenzer angeschlossen sind, an dt-ssen Ausgang eine phasengleiche Rechteckimpulsspannung (A; B; C) abgreifbar ist, die den UND-Gattern (11; 12; 13 oder 63; 64; 65) zur phasenrichtigen Aufteilung der Steuerimpulse (P; N) zugeführt ist und deren eine Impulsflanke zur Synchronisierung des Referenzimpulsspannungserzeugers (8; 53) dient (Fig. 2, Fig. 4).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsverstärker (17; 50; 51; 52) mit Spannungsbegrenzer ein inverses zweites Ausgangssignal (A; B; C) abgibt, das eleichfalls den UND-Gattern (63; 64; 65) zur phasenrichtigen Aufteilung der Steuerimpulse (P; N) zugeführt ist

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß den Thyristoren jeweils eine Phasenspannung (R; S oder T) der mehrphasigen Wechselspannung zugeführt ist, der entsprechende Thyristor über das UND-Gatter (63; 64 oder 65) jeweils dann einen Steuerimpuls (P) erhält, wenn am UND-Gatter eine erste mit der Phasenspannung (R; S ode£ T) phasengleiche Rechteckimpulsspannung (A; Ä oder C) einen positiven oder negativen Wert aufweist und gleichzeitig am UND-Gatter eine zweite mit einer zweiten Phasenspannung (7; R; oder S) der mehrphasigen Wechselspannung negierte Rechteckimpulsspannung (C; A, oder B) einen negativen oder positiven Wert aufweist, wobei als zweite Phasenspannung der mehrphasigen Wechselspannung eine Phasenspannung (T; R; S) gewählt ist, die vor der ersten Phasenspannung (R; S; T) einen gleichartigen Nulldurchgang aufweist (Fig. 4).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur phasenrichtigen Aufteilung der Steuerimpulse jeweils zwei UND-Gatter (269 und 115) vorgesehen sind, einem Eingang des ersten UND-Gatters (269) eine phasengleiche Rechteckimpulsspannung (A) einer ersten Phase (R) zugeführt ist, der Ausgang dieses ersten UND-Gatters (269) mit einem Eingang des zweiten UND-Gatters (115) verbunden ist, dessen zweitem Eingang eine zweite phasengleiche Rechteckimpulsspannung (C> der vorangegangenen Phase (T) zugeführt ist (Fig. T).

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7_; dadurch gekennzeichnet, daß den UND-Gattern (63; 64; 65) eine dritte Impulsspannung (Trigg. Π) zugeführt ist, deren Impulsvorderflanken durch gleichartige Nulidürchgänge der mehrphasigen Wechselspannung synchronisiert sind und diese Impulse (Trigg. II) eine Weitergabe der Steuerimpulse (P) bei extrem weiter Zündwinkeleinstellung (89) verzögern (Fig. S).

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Impulsspannung aus Triggerimpulsen (Trigg. II) zur Synchronisation der Referenzimpulsspannung (Ref. II) gebildet ist.

10. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer einstellbaren Gleichspannung mit entsprechend einer Steuerspantung veränderbaren Polarität nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Referenzimpulsspannungserzeuger (53; 54) vorgesehen sind, die jeweils über eine Triggerschaltung (Trigg. I und II) synchronisiert sind und die Triggerimpulse (Trigg. I) für den ersten Referenzimpulsspannungserzeuger (54) durch die in das Positive gehenden Nulldurchgänge der einzelnen Phasenspannungen (R; S; T) der mehrphasigen Wechselspannung gewonnen sind, während die Triggerimpulse (Trigg. Π) für den zweiten Referenzimpulsspannungserzeuger (53), durch die in das Negative gehenden Nulldurchgänge gewonnen sind (Fig. 4).

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Phase (R; S; T) der mehrphasigen Wechselspannung zumindest zwei Thyristoren (41,45; 42,46; 43,47) vorgesehen sind, der eine Thyristor (41; 42; 43) zur Erzeugung

einer positiven Gleichspannung, der andere Thyristor (45; 46; 47) zur Erzeugung einer negativen Gleichspannung an einer Gleichspannungslast (44) dient, jeder dieser Thyristoren durch Steuerimpulse über getrennte UND-Gatter (63 bis 65 und 69 bis 70) gezündet wird und diesen UND-Gattern zur phasenrichtigen Aufteilung Schaltspannungen (A, B, C; A, B, C) aus einer gemeinsamen Schaltungsgruppe zugeführt sind.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsamen Schaltungsgruppe die einzelnen Phasenspannungen der mehrphasigen Wechselspannungen getrennt zugeführt sind, und auswiesen Phasenspannungen sowohl phasengleiche (a, B, C) als auch negierte Rechteckspannungen (A, B, C) als Schaltspannungen gewonnen sind.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die phasengleichen und die negierten Rechteckspannungen neben den UND-Gattern zur phasenrichtigen Aufteilung zwei monostabilen Muliivibratoren (26, 27) zur Erzeugung von Triggerimpulsen gleicher Impulsbreite zugeführt sind^wobei die phasengleichen Rechteckspannungen (A, B, C) durch die vordere oder die hintere Impulsflanke den ersten Multivibrator (26) und die negierten Rechteckspannungen (A, B, C) den zweiten Multivibrator (27) in gleicher Weise setzen (Fig. 3).

14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei auf Nullwert und auf sehr niedrige Werte eingestellter positiver oder negativer Gleichspannung sowohl Steuerimpulse (P) zur Erzeugung einer positiven wie auch Steuerimpulse (JV) zur Erzeugung einer negativen Spannung über die jeweiligen UND-Gatter den entsprechenden Thyristoren (41,45; 42. 46; 43,45) zugeführt werden (Fig. 4 und Fig. 5 T, C).

15. Schaltungsanordnung zur Erzeugung mehrerer getrennt einstellbarer Gleichspannungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einReferenzimpulsspennungserzeuger sowie η Schaltspannungserzeuger für die UND-Gatter zur phasenrichtigen Aufteilung der Steuerimpulse vorgesehen sind, und die Referenzspannung sowie die Schaltspannungen dieser Erzeuger den einzelnen Schaltungsanordnungen zur getrennten Einstellung der Gleichspannungen zugeführt sind.