DE2410390A1

DE2410390A1 - Schaltungsanordnung zum erzeugen einer sinusfoermigen ausgangsspannung

Info

Publication number: DE2410390A1
Application number: DE2410390A
Authority: DE
Inventors: Laszlo Gyugyi; Eric J Stacey
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-03-15
Filing date: 1974-03-05
Publication date: 1974-09-19
Also published as: JPS5818874B2; FR2221870B1; US3876888A; FR2221870A1; GB1439123A; JPS49127131A

Description

DlPL.-lNG. KLAUS NEUEECKER

Patentanwal t
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

Düsseldorf, 4. Mars 1974

.Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pennsylvania, V. St. A,

•Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer sinusförmigen Ausgangsspannung

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Kurvenfοrmgeneratoren und insbesondere auf Schaltungsanordnungen, welche sinusförmige Kurvenformen synthetisieren.

Die elektrische Leistung, die von einem mit unterschiedlicher Geschwindigkeit laufenden Generator erhalten wird, hat eine veränderliche Frequenz. Es ist bekannt, daß eine derartige Leistung in eine Leistung mit konstanter Frequenz und hoher Güte mittels eines statischen FrequenzUmformers bzw. Zykloumformers umgewandelt werden kann. Derartige Systeme werden häufig VSCF-Leistungsgeneratoren ("Variable Speed Constant Frequency") genannt. In Fig. 1 ist schematisch ein Blockdiagramm eines derartigen Systemes dargestellt. Ein Frequenzumf ormerlO bildet das Kernstück des Systemes und arbeitet im wesentlichen als Leistungsverstärker. Er enthält grundsätzlich mehrere Leistungsschalter, die relativ zueinander zu bestimmten Zeitpunkten durch ein Steuergerät 12 geschlossen werden, welches wiederum durch eine Kurvenform von einem Referensgenerator gesteuert wird. Ein Generator 16 gibt seine Ausgangsleistung mit veränderlicher Frequenz an den Umformer 10 ab. Obgleich in Fig. 3 ein Dreiphasensystem dargestellt ist, kann die Anzahl der Phasen unterschiedlich sein.

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Telefon (Ο211) 32 08 58

Telegramme Custopat

Aus dieser allgemeinen Beschreibung des Standes der Technik ist ersichtlich, daß der Referenzgeneratcr 14 im wesentlichen die Art des Ausgangssignales des Umformers steuert. Während der Leistungspegel des durch den Referenzgenerator erzeugten Signales relativ niedrig sein kann, ist dessen Güte sehr wichtig, da der als Leistungsverstärker arbeitende Umformer im wesentlichen die Referenzkurvenform am Ausgang wiedergibt. Daher würde jede Verzerrung oder Abweichung der Referenzkurvenform in den Ausgangskurvenformen des Umformers wieder auftreten.

Der Referenzgenerator kann auch dazu verwendet werden, bei bestimmten Anwendungen, beispielsweise bei VSCF-Systemen für Flugzeuge, Abweichungen der Ausgangsspannung auszugleichen, wenn unterschiedliche Belastungsverhältnisse Unterschiede in den Ausgangsspannungen wegen der begrenzten Ausgangsimpedanz der realen Umformer dieser Art hervorrufen. Dieses wird üblicherweise durch einen Regelkreis für die Amplitude jeder Referenzkurvenform des entsprechenden Ausgangs des Umformers erreicht, d.h. die Amplitude an jedem Ausgang des Umformers wird mit einem Spannungswert verglichen, und es wird ein Fehlersignal zur Regelung der Amplitude der Referenzkurvenform verwendet. Wenn beispielsweise die Ausgangsspannung zu hoch ist, bewirkt das Fehlersignal, daß die Amplitude oder Referenzkurvenform abnimmt, wodurch die Ausgangsspannung des Umformers herabgesetzt wird.

Bei herkömmlichen Systemen war der Referenzgenerator ein mit niedriger Leistung arbeitender Umformer, der Oberwellen neutralisierte. Diese Technik wurde ursprünglich für die Umwandlung von relativ hoher Gleichstromleistung in Wechselstromlexstung verwendet und konnte für niedrige Leistungen nur mit beträchtlichen Nachteilen bezüglich der Größe, des relativ hohen Gewichtes, der großen Anzahl der Bauteile und der hohen Kosten verwendet werden. Beispielsweise enthält der Referenzgenerator eines VSCF-Systemes, welches durch die vorliegende Erfindung verbessert werden soll, gemäß Fig. 2 für drei Phasen insgesamt fünfzehn übertrager, 30 Transistoren, 30 Dioden, 60 Widerstände und einen sechsstufigen

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digitalen Zähler. In Fig. 2 ist nur die Schaltung für eine einzige Phase dargestellt. Diese bekannte Art eines Referenzgenerators wurde erfolgreich benutzt und wird hier nicht im einzelnen beschrieben (vergleiche US PS Nr. 3 491 282).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer sinusförmigen Ausgangsspannung zu schaffen, bei welcher die Größe, das Gewicht und die Kosten gegenüber herkömmlichen Referenzgeneratoren für sinusförmige Kurvenformen herabgesetzt werden, ohne daß die Güte der erzeugten Kurvenform beeinträchtigt würde.

Während die vorliegende Erfindung dem Bedürfnis nach einem verbesserten Referenzgenerator für ein VSCF-Leistungsgeneratorsystem entspricht, kann der neuartige Referenzgenerator auch für andere Anwendungen verwendet werden, bei denen exakte sinusförmige, mehrphasige und/oder niederfrequente Signale erforderlich sind. Beispielsweise gehört zu solchen Anwendungen ein Leistungsumformer, der bezüglich der Impulsbreite modulierte Gleichspannungsleistung in Wechselspannungsleistung umformt und dessen Ausgang von einem Referenzgenerator für niedrige Leistung gesteuert bzw. geregelt wird.

Die Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer sinusförmigen Ausgangsspannung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Operationsverstärker mit ersten und zweiten Eingangsklemmen und einer Ausgangsklemme vorgesehen ist, die erste Eingangsklemme für Signale bestimmt ist, deren Polarität invertiert wird und die zweite Eingangsklemme für Signale bestimmt ist, deren Polarität nicht invertiert wird, eine Einrichtung der ersten Klemme mehrere Ströme mit wechselseitig bezüglich der Phase verschobenen, im wesentlichen rechteckförmigen Kurvenformen zuführt, die Phasenverschiebung der Kurvenformen im wesentlichen gleich

—Tj- ist, wobei N eine ganze Zahl ist und die Anzahl der recht" eckförmigen Kurvenformen darstellt, eine Einrichtung an der zweiten Klemme eine Gleichspannung aufrecht erhält und dadurch an der

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Ausgangsklemme eine Ausgangsspannung mit einer Kurvenform abgibt, die eine Kombination der rechteckförmigen Kurvenformen und symmetrisch zu einem Spannungspegel ist, der im wesentlichen gleich dem Spannungspegel ist, der an der zweiten Klemme aufrecht erhalten wird.

Der Referenzgenerator gemäß der Erfindung verwendet im Prinzip das Verfahren der Neutralisation von Oberwellen gemäß US PS 3 491 282. Jedoch unterscheidet sich die neuartige Schaltungsanordnung von dem herkömmlichen Umformer, der mehrere übertrager verwendet, so daß eine beträchtliche Vereinfachung und Kostenherabsetzung erreicht wird. Gemäß der Erfindung wird vorteilhaft ausgenutzt, daß Operationsverstärker Signale addieren können. Es wird ein relativ einfaches Widerstandsnetzwerk mit zugeordneten Schaltern, vorzugsweise Halbleiterschaltern für niedrige Leistungen verwendet, die auf den Ausgang eines Ringzählers ansprechen und zum Erzeugen der einzelnen bezüglich der Phase verschobenen rechteckförmigen Kurvenformen zusammenwirken, die dem Operationsverstärker zugeführt werden.

Der Referenzgenerator gemäß der Erfindung ist vorteilhaft in einem VSCF-Leistungsgeneratorsystem mit drei Ausgangsphasen verwendet worden. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Umformer gemäß Fig. 2 erfordert dieses System nur 30 Widerstände, 15 Transistorschalter und 3 Operationsverstärker für alle drei Phasen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:

Fig. 1 schematisch ein Blockdiagramm eines VSCF-Systemes zum Erzeugen von Leistung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für eine Phase eines Referenzgenerators entsprechend dem Stand der Technik;

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Fig. 3 eine Schaltungsanordnung einer verallgemeinerten Ausfuhrungsform gemäß der Erfindung für eine Phase;

Fig. 4 und 5 Kurvenformen zur Erläuterung des Betriebs der Schaltungsanordnung nach Fig. 3;

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung einer spezielleren Ausführungsform der Erfindung für eine Phase und

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung einer Ausführungsform eines sechsstufigen Ringzählers zur Verwendung in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6.

In Fig. 3 ist eine prinzipielle Form eines Referenzgenerators 14 entsprechend der bevorzugten Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Summiereigenschaften eines Operationsverstärkers 20 dazu verwendet werden, verschiedene rechteckförmige Stromverläufe zu kombinieren und die gewünschte sinusförmige Kurvenform zu synthetisieren.

Im Zusammenhang mit dieser Erfindung soll der Begriff "rechteckförmige Kurvenform" den Begriff "quadratische Kurvenform" einschließen.

In der Schaltungsanordnung wird ein Operationsverstärker 20 verwendet, wie er allgemein im Handel erhältlich ist. Derartige Operationsverstärker können in verschiedener Weise aus diskreten Bauteilen zusammengesetzt sein.

Der gemäß der Erfindung verwendete Summierverstärker ist nicht notwendigerweise ein "Operationsverstärker" im handelsüblichen Sinn, obgleich ein solcher bevorzugt wird. Die Eigenschaften eines Verstärkers, der für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet ist, bestehen in Verzerrungsfreiheit, d.h. daß die Ausgangskurvenform der Eingangskurvenform sehr nahe folgt und in einem niedrigen Eingangswiderstand, so daß die Innenwiderstände der Stromquellen

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— O —

klein sein können, von denen dem Verstärker Signale zugeführt werden. Aus Gründen der Vereinfachung und Wirtschaftlichkeit wird vorzugsweise ein im Handel erhältlicher Operationsverstärker in integrierter Schaltungstechnik verwendet. Daher wird der Operationsverstärker als ein einziges Bauteil behandelt. Die folgende Beschreibung betrifft insbesondere bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen derartige Operationsverstärker verwendet werden. Der Operationsverstärker 20 hat zwei Eingangsklemmen 21 und 22. Die erste Eingangskleirane 21 enthält in der Zeichnung ein Minuszeichen, da dieser Klemme zugeführte Signale bezüglich der Polarität durch die bekannte Funktion des Operationsverstärkers umgekehrt werden. Die zweite Eingangsklemme 22 enthält in der Zeichnung ein Pluszeichen, da dieser Klemme zugeführte Signale durch den Operationsverstärker 20 ohne Polaritätsumkehr verarbeitet werden.

Der Operationsverstärker 20 hat auch Vorspannungsklemmen 23 und 24, denen positive und negative Versorgi
in üblicher Weise zugeführt werden.

denen positive und negative Versorgungsspannungen, + V_e und - V_

S S

Beispielsweise aus US PS 3 491 282 ist es bekannt, daß eine Anzahl N aus Rechteckwellen des Stromes oder der Spannung zur Synthetisierung einer Kurvenform g verknüpft werden können, welche eine sinusförmige Spannung oder einen Strom q_rF annähern, solange die folgenden Verhältnisse eingehalten werden, damit die Verzerrung minimal bleibt:

^ = K cos (0_X - 0_r) (1)

^*¹⁰- K = —~ , dabei ist K ein Maß stabs faktor und (2)

2^N
M_x ist die Größe einer einzelnen Rechteckwelle X, die zu der resultierenden Welle q beiträgt,

0_V ist die Winkellage einer rechteckförmigen Kurvenform X,

0 ist die Winkellage der resultierenden Kurvenform q und q _F ist der Effektivwert der approximierten Sinuswelle.

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Bei dieser Erfindung ist q eine synthetisierte Stromkurvenform, die dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführt ist. Der Operationsverstärker erzeugt entsprechend diesem Eingangsstrom eine ähnliche Spannungsform am Ausgang, welche als Referenzkurvenform dem Zykloumformer zugeführt wird.

Angenommen, daß die Ausgangsphase 1 in üblicher Weise einen Phasenwinkel null hat, was erfordert, daß der Phasenwinkel der entsprechenden synthetisierten Kurvenform 0 ebenfalls null ist, und wenn man willkürlich N gleich 6 wählt, so sind die erforderlichen Größen der 6 rechteckförmigen Kurvenformen M₁r bis M,r

ι ο ,

welche Kurvenformen des Stromes nachfolgend als i_A bis i„ bezeichnet werden, bezüglich der Phase um —rr- oder 30 versetzt und können wie folgt berechnet werden:

¹A	= o,	866K
¹B	= o,	5K
¹C	= O
¹D	= -0	,5K
¹E	= -0	,866K
¹F	= -K

(3)

dabei ist K durch die Gleichung 2 definiert und q -, ist der erforderliche Eingangsstrom für den Operationsverstärker, damit die Referenzspannung mit der erforderlichen Größe erzeugt wird. Es kann der Fall sein, daß N größer oder kleiner als 6 ist; eine Kurvenform mit höherer Approximationsgenauigkeit wird bei größeren Werten von N erzeugt, obgleich sich dann der Schaltungsaufwand erhöht. Die Zahl 6 ist für die meisten Anwendungen geeignet, da die Oberwellen bis zur 9ten Oberwelle unterdrückt werden.

Um die Amplitude der Referenzkurvenform Steuer- bzw. regelbar zu machen, werden die verschiedenen rechteckförmigen Stromverläufe von einer Gleichspannung Vp abgeleitet, die dem Eingang der Schaltung 14 zugeführt wird, und es werden entsprechend bemessene Widerstände vorgesehen, welche die einzelnen Ströme im Zusammenwirken mit der Spannung V_c begrenzen und dem Summiereingang

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— ο —

21 des Operationsverstärkers 20 zuführen. Da einer der Ströme null ist, ist es lediglich erforderlich, daß 5 Ströme durch die mit dem Summiereingang verbundenen Widerstandsnetzwerke erzeugt werden. In jedem Zweig 31, 32, 33, 34 und 35 sind zwei Stromquellenwiderstände vorhanden, die in diesem Beispiel einander gleich sind, d.h. R_Al = R_A2, Rg₁ = R₅₃, . . . Rp₁ = Rp₂. Die Gleichheit der Widerstände in jedem der Zweige wird bevorzugt, ist jedoch nicht erforderlich. Wichtig ist, daß die Widerstände in jedem Zweig das gleiche Verhältnis haben, d.h.

Die Widerstände in den verschiedenen Zweigen 31 bis 35 stehen miteinander bezüglich der Größe gemäß dem durch Gleichung 2 definierten Maßstabsfaktor K in Verbindung, wie sich durch Gleichung 3 ergibt. Wenn daher R₅₁, eine Größe eins hat, ist Rj., = 1,15, da der Strom i, eine Größe von nur 0,866 bezogen auf ip hat.

Gemäß Fig. 3 ist der nicht-invertierende Eingang 22 des Verstärkers 20 mit einer Verbindungsstelle eines Spannungsteilers mit Widerständen R₁ und R„ verbunden. Der Widerstandswert von R₉ ist 2 χ R₁. Daher wird diesem Eingang eine im wesentlichen

V
konstante Gleichspannung C zugeführt. Das Potential am nicht-

~3~

invertierenden Eingang 22 setzt den Potentialpegel des invertierenden Einganges 21, 22 im wesentlichen auf V_c/3, wie es der Fall bei Operationsverstärkern ist. Der Grund dafür, weshalb der Wert C gewählt wird, besteht darin, daß die gleichen aber bezüglich der Polarität entgegengesetzten rechteckförmigen Stromverläufe dem Summierpunkt des Verstärkers zugeführt werden, wenn die positiven und negativen Halbwellen der Kurvenform synthetisiert werden. Dieses wird am Beispiel des Widerstandszweiges 31 erläutert. Wenn der Schalter SW. geöffnet ist, beträgt der gesamte Widerstand in diesem Zweig R,-, + R,.- ^{= 2r}ai*

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Die Spannung zwischen dem Summierpunkt und V_n ist positiv und

λ 1
gleich V"_c - 3 V"_c = 3 V_c . Der Strom ist positiv und gleich i_A =

2 ^VC 1 ^VC

-= . TyS— ⁼ "5 · ο— · Wenn der Schalter SW geschlossen ist,

3 2R_A1 3 R_A1 A

ist R_A2 (^=R _Ai) ^mit Masse verbunden und damit negativ gegenüber dem Summierpunkt und gleich - V_c/3. Daher ist der Strom i_A gleich

^{3 V}C

i_Ä = ^₅— , d.h. er hat den gleichen jedoch nunmehr negativen

^{A R}A1
Wert.

Wenn R₂., nicht gleich R_A2 ist, wird eine andere Wahl von R, und R₂ verwendet. Wenn beispielsweise R_A, = 2R_A2 ist, dann läßt sich zeigen, daß für die gewünschte Symmetrie R₂ gleich 4R, sein muß.

Gemäß Fig. 3 sind die Schalter SW₇.,, SW_D, SW^, SW„ und SW_ je-

AX ti LJ Ej Σ

weils zwischen dem Paar Widerstände 10 in R₂.,~R_AZ und dergleichen, jedem Zweig der Stromquelle 31 und dergleichen und der geerdeten Eingangsklemme der Schaltung verbunden. Diese Schalter werden nacheinander in ähnlicher Weise entsprechend der erforderlichen Ausgangskurvenform gesteuert, wie es bei bekannten Referenzgeneratoren, beispielsweise demjenigen gemäß Fig. 2, erfolgte, Wenn der Schalter SW geöffnet ist und V-, negativ ist, fließt zum Verstärker durch den ersten Zweig 31 ein negativer Strom mit der folgenden Amplitude:

^VC " V³ 1 (SW geöffnet) = -

A Al

^VC
^3RA1

Wenn SW_A geschlossen ist, ist dieser Strom positiv und hat die folgende Größe:

^VC

i_a (SW₂. geschlossen) = -^=—
α α jK_Al

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Wenn daher jeder der Widerstände proportional dem geeigneten durch die obigen Gleichungen gegebenen Maßstabsfaktor ist und die Schalter mit der Wiederholungsfrequenz der synthetisierten Kurvenform betrieben werden und das Tastverhältnis eins ist, so daß die Leitfähigkeitsintervalle jedes nachfolgenden Schalters um l/6tel dieses Intervalles bzw. um 30° verschoben sind, werden dem Summiereingang des Verstärkers rechteckförmige Stromverläufe mit 30 Phasenverschiebung zugeführt.

Fig. 4 zeigt die erforderliche Kurvenform A bis F für i, bis i_F, Die Kurvenform C in Fig. 4 würde durch die Schaltung gemäß Fig. 3 nicht erzeugt werden, sondern sie wäre in den beiden anderen Schaltungen für die anderen beiden Phasen erforderlich, bei denen einer der anderen Ströme null wäre. Die verknüpften Kurvenformen gemäß Fig. 4 sind in Fig. 5 dargestellt. Die Kurvenform der Phase

1 gemäß Fig. 5 wird durch Addition der Kurven A, B, D, E und F gemäß Fig. 5 erreicht. Die Phase 2 ist eine Kombination der Kurven B, C, D, E und F. Die Phase 3 ist eine Kombination der Kurven A, B, C, D und F. Die Ausgangskurvenform des Verstärkers kann ausgedrückt werden durch

^VOÜT - -^Rf ⁽ⁱA ^{+ 1}B ^{+ 1}D ^{+ 1}E ^{+ 1}F) ·

Dabei bedeutet R^ den Rückkopplungswiderstand des Verstärkers.

C Diese Ausgangskurvenform ist symmetrisch zu -γ- .

Zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der Verbindungsstelle der Widerstände R₃ und R. ist eine Last geschaltet, wobei R₄ gleich

2 χ R₃ ist. Der Zweck des Spannungsteilers R₃/R₄ besteht darin, daß eine Gleichspannungskomponente in der Last vermieden wird. Die Last kann durch einen in Fig. 3 nicht dargestellten Trennübertrager angeschlossen werden, dessen Primärwicklung zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und der Verbindungsstelle der Widerstände R₃ und R₄ angeschlossen ist, wobei der Belastungswiderstand an die Sekundärwicklung angeschlossen wird. Bei dieser Anordnung ist es möglich, daß ein Ende des Belastungswiderstandes geerdet wird, ohne daß in diesem Gleichstrom fließt.

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Die besondere Einfachheit der Schaltung gemäß der Erfindung beruht prinzipiell auf der Anordnung, durch welche die Eingangsund Ausgangsgleichspannungspegel des Verstärkers proportional der Steuerspannung V_c veränderbar sind. Dadurch wird eine Art automatische Vorspannung geschaffen, welche die Verwendung einer Steuerspannung mit einer einzigen Polarität sowie ein Minimum an Schaltern erlaubt.

In Fig. 6 ist eine speziellere Ausführungsform dargestellt. Im Prinzip hat die Schaltung gemäß Fig. 6 die gleiche Form wie die Schaltung gemäß Fig. 3, und es wurden für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet. Die Schalter SW, bis SW„ sind als Feldeffekttransistoren ausgebildet, deren Steuerelektroden durch einzelne Widerstände R₅ mit Masse und mit einem sechsstufigen Ringzähler verbunden sind, der in bekannter Weise aufgebaut sein kann und durch einzelne Dioden D rechteckförmige Schaltsignale gemäß Fig. 4 erzeugt. In Fig. 6 ist ebenso wie in Fig. 3 jeweils die Schaltung für eine einzige Phase angegeben. An den Steuerelektroden der Schalter sind die jeweiligen Signalverbindungen vom Ringzähler für jede der drei Phasen angegeben, so daß ein sechsstufiger Ringzähler die Schaltungen für die drei Phasen des Referenzgenerators steuern kann. Beispielsweise ist in Fig. 7 ein Ringzähler mit einer Vielzahl von im Handel erhältlichen Kippstufen in integrierten Schaltungen 40 dargestellt. Der Rechteckwellenoszillator 42 ist von herkömmlicher Bauart und sollte eine Frequenz von 12 χ f erzeugen, wobei f die Frequenz der synthetisierten Kurvenform ist.

Da eine positive Steuerspannung Vp in der spezielleren Ausführungsform gemäß Fig. 6 verwendet wird, werden die in Verbindung mit Fig. 3 erläuterten Komplemente der rechteckförmigen Kurvenformen verwendet, obgleich im Prinzip kein Unterschied besteht. Wegen der Auslöschung der Oberwellen ist die elfte Welle die niedrigste in der Ausgangskurvenform vorhandene Oberwelle und deren Größe kann leicht durch Filtern mittels kleiner Bauteile begrenzt werden. Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Systemes besteht

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darin, daß dieses Filter sehr einfach aufgebaut sein kann. Durch den Kondensator C in Verbindung mit dem Rückkopplungswiderstand R_f des Verstärkers wird der Verstärker 20 selbst ein Integrator bei hohen Frequenzen, wodurch die Amplituden der Oberwellen progressiv herabgesetzt werden, so daß eine weitere Filterung der Ausgangskurvenform nicht erforderlich ist. Die Last wird mit dem Trennübertrager T verbunden. Daher ergibt die beschriebene Schaltung, eine sinusförmige Ausgangsspannung hoher Qualität, deren Amplitude direkt proportional der Steuerspannung V-, ist.

Eine weitere interessierende Eigenschaft dieser Schaltungsanordnung ist darin zu sehen, daß die Polarität der Ausgangswechselspannung durch Umkehr der Polarität der Steuergleichspannung V_ invertiert werden kann.

Im Vergleich mit der Schaltung gemäß Fig. 2 erlaubt die Schaltung gemäß Fig. 6 gemäß der Erfindung eine Gewichtsersparnis von wenigstens 30 zu 1, eine Verkleinerung von 5 zu 1 und eine Kostenherabsetzung von 4 zu 1.

Die beschriebene Schaltungsanordnung kann auch bei Anwendungen benutzt werden, welche ein einziges oder mehrphasiges sinusförmiges Referenzsignal mit veränderlicher Frequenz und Spannung erfordern. Ein derartiger Anwendungsfall liegt bei der Steuerung von Wechselspannungsmotoren mit veränderbarer Drehzahl vor, bei denen die dem Motor zugeführte veränderbare Ausgangsspannung mit veränderbarer Frequenz durch einen statischen Frequenzumformer oder Inverter erzeugt wird. Wie schon erwähnt wurde, arbeiten die statischen Systeme im wesentlichen als Leistungsverstärker, so daß ihr Ausgang durch Spannungssignale niedriger Leistung und veränderbarer Frequenz von einem Referenzgenerator gesteuert wird.

Beispielsweise wird in der folgenden Tabelle eine Liste geeigneter Bauteile und Parameter angegeben, die bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung gemäß Fig. 6 und 7 verwendet wurden:

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Operationsverstärker 20	Type 709
^RA1 ^{Und R}A2	10 kil
RgI, Rg2, R_F1 und Rp₂	11,5 kfL
	2OkO-
^Rl	7,5 kjCL
R₂	15 kiL
^R3	Ik IL
^R4	2 kü.
^R5	20 kXL
SW_A, SWg, SW₀, SWg, und SWp	2N4393
D	MPD400
^Rf	5,1 kXI
C	0,12 «F
T	Triad 322-8P-S2
Flipflops 40	Amelco 311

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche :

Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer sinusförmigen Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet , daß ein Operationsverstärker (20) mit ersten und zweiten Eingangsklemmen (21; 22) und einer Ausgangsklemme vorgesehen ist, die erste Eingangsklemme (21) den invertierenden Eingang und die zweite Eingangsklemme (22) den nicht-invertierenden Eingang darstellt, eine Einrichtung (31-35) der ersten Klemme (21) mehrere Ströme (i,-i„) mit gegenseitig versetzten Phasen und im wesentlichen rechteckförmigen Kurvenformen zuführt, wobei die Phasenverschiebung der

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Ströme im wesentlichen gleich und N eine ganze, die Anzahl der rechteckförmigen Kurvenformen darstellende Zahl ist, eine Einrichtung an der zweiten Klemme (22) eine Gleichspannung (V_n) aufrecht erhält und dadurch an der Aus-

T"

gangsklemme eine Ausgangsspannung mit einer Kurvenform ergibt, die eine Kombination der rechteckförmigen Kurvenformen ist und zu einem Spannungspegel symmetrisch ist, der im wesentlichen gleich dem an der zweiten Klemme anliegenden Spannungspegel ist.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Last an der Ausgangsklemme über eine Isoliereinrichtung (T) angeschlossen ist.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Operationsverstärker (20) einen zwischen der Ausgangsklemme und der ersten Eingangsklemme (21) angeschlossenem Rückkopplungskondensator (C) aufweist, welcher derart bemessen ist, daß er durch seine integrierende Wirkung die verbleibenden harmonischen Signal-

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komponenten in der Ausgangsspannung entfernt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die der ersten Klemme (21) mehrere Ströme zuführende Einrichtung eine Gleichspannungsquelle (V_c) aufweist, die über mehrere Schaltungszweige (31-35) mit der ersten Klemme (21) verbunden ist, jeder der Schaltungszweige ein Paar Widerstände (R* τ* R_A2 "'^ ^m^^t einem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen aufweist, das Widerstandsverhältnis der Widerstände jedes Paares das gleiche wie das Verhältnis der Widerstände in jedem der anderen Zweige ist, die Widerstände in jedem der Zweige einen Wert aufweisen, der proportional demjenigen der Widerstände jedes anderen Schaltungszweiges ist, so daß Ströme in den Schaltungszweigen für die Neutralisierung von Oberwellen in der kombinierten Kurvenform erzeugt werden, die Verbindungspunkte der Widerstände in jedem Schaltungszweig mit einer Schalteinrichtung (z.B. SW,) für jeden Zweig verbunden sind, die Sehalteinrichtungen mit den Verbindungspunkten und einem Massepotential verbunden sind und eine Einrichtung (Zähler) nacheinander den Betrieb der Schaltungseinrichtungen entsprechend einem vorgegebenen Muster steuert.

5. Referenzkurvenformgenerator, insbesondere zur Verwendung in der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zum Erzeugen einer gewünschten, zeitlich veränderlichen Spannung, dadurch gekennzeichnet , daß eine Summiereinrichtung (20) mehrere einzelne rechteckförmige Stromverläufe verknüpft, welche Anteile der gewünschten Kurvenform sind, mehrere Stromquellen die einzelnen rechteckförmigen Stromverläufe erzeugen, die Stromquellen einen Schaltungszweig (31-35) von einer Gleichspannungsquelle (V_c) zu der Summiereinrichtung für jeden zu erzeugenden Stromverlauf aufweisen, jeder Schaltungszweig ein Paar in Reihe geschalteter Widerstände (IL,, R-₂ ···) aufweist, die zwischen sich einen Verbindungspunkt ausbilden, das Paar

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Widerstände ein Widerstandsverhältnis aufweist, das für jeden Schaltungszweig das gleiche ist, die Widerstände in einem einzelnen Zweig ein vorbestimmtes Widerstandsverhältnis bezüglich der Widerstände in anderen Schaltungszweigen entsprechend einer mathematischen Beziehung der Stromverläufe haben, so daß eine gewünschte Referenzkurvenform mit einem minimalen Gehalt an Oberwellen erzeugt wird, und eine Steuereinrichtung für jeden Schaltungszweig wahlweise einen Strompfad von jedem Verbindungspunkt zu Masse während eines vorbestimmten Zeitintervalles zur Ausbildung der rechteckförmigen Kurvenformen bildet.

6. Referenzkurvenformgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Summiereinrichtung einen Verstärker (20) mit einer Eingangsklemme (21) für zu invertierende Signale aufweist, an welcher die Signale mit den verschiedenen Kurvenformen gemeinsam zugeführt werden, eine zweite nicht-invertierende Klemme (22) vorgesehen ist und der Verstärker einen zwischen seinem Ausgang und dem Eingang verbundenen Kondensator (C) aufweist, welcher derart bemessen ist, daß er durch seine integrierende Wirkung eine glatte Kurvenform ergibt.

7. Referenzkurvenformgenerator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Widerstände in den Schaltungszweigen durch die folgenden Gleichungen bestimmt ist, welche die erforderlichen Größen der Ströme bestimmen:

= K cos <0_X - 0_r) und K =

wobei M^ die Größe eines einzelnen Kurvenformanteiles X ist, der einen Beitrag zu der resultierenden Kurvenform g_r leistet, 0„ die Winkellage einer Kurvenform X ist, q„ die Winkellage der resultierenden Kurvenform q ist, g - der Effektivwert einer gewünschten Referenzsinuskurvenform ist und N die An-

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zahl der Stromverläufe einschließlich solcher Stromverläufe ist, welche die Größe null haben können.

8. Referenzkurvenformgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Summiereinrichtung ein Operationsverstärker (20) ist, dessen Summieranschluß (21) den Eingang bildet und dessen nicht-invertierende Eingangsklemme (22) auf einem Gleichspannungspegel (Vp)

T"

gehalten ist, zu welchem die Ausgangsreferenzspannungsform symmetrisch ist.

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