DE2459986A1 - Steuersystem zur steuerung einer wechselstromausgangsleistung - Google Patents
Steuersystem zur steuerung einer wechselstromausgangsleistungInfo
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Description
MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA, Tokyo , Japan
Steuersystem zur Steuerung einer Wechselstromausgangsleistung
Die Erfindung betrifft ein Steuersystem zur Steuerung einer
Wechselstromausgangsleistung, wobei man eine Einschaltsteuerung bei mindestens drei oder drei Gruppen von Schaltern
in vorbestimmter Reihenfolge vornimmt, welche zwischen einer Stromquelle und einer Last liegen, wobei ein Strom mit mindestens
einer Wechselstromkomponente von der Stromquelle der Last zugeführt wird oder umgekehrt. Dabei werden Festkörperschalter
verwendet. Insbesondere kann dieses Steuersystem bei Wechselrichtern oder Frequenzwandlern angewandt werden.
Die Figuren 1a bis c zeigen typische Ausführungsformen von Wechselstromausgangsschaltungen unter Verwendung von Festkörperschaltern
1. Die Festkörpgrschalter 1u - 1 w oder 1up bis 1wn liegen zwischen einer Last 100 und einer Gleichstromquelle
20O1 oder einer Wechselstromquelle 200«.
Fig. 1a zeigt einen Dreiphasen-Halbwellenwechselrichter; Fig. 1b zeigt einen Dreiphasen-Brüekenwechselrichter und
Fig. 1c zeigt einen Dreiphasen-Halbwellen-Frequenzumformer.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1a unterliegen die Schalter
1u - 1w einer Einschalteteuerung gemäß den Figuren 2a - 2c.
Bei der herkömmlichen Einschaltsteuerung für den Antrieb eines
Wechselstrommotors erfolgt die Rotation des Magnetfeldes
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bei geringer Geschwindigkeit und bei einer Niederfrequenz-Ausgangsleistung
stufenweise, so daß die Drehmomentpulsierung erheblich ist und eine glatte Drehbewegung nicht erzielt
werden kann.
Bei der herkömmlichen Speisung mit einer Wechselstromausgangsleistung
konstanter Frequenz ist der Anteil an den Harmonischen niederer Ordnung erheblich und die erforderliche Kapazität
eines verwendeten Filters oder Siebs groß. Beim Antrieb eines Synchronmotors, z. B. eines Schrittmotors erfolgt die Rotation
stufenweise und es ist schwierig, den Motor in einer mittleren Stellung abzustoppen. Andererseits ist es bekannt, ein Steuersystem
einzusetzen, bei dem eine Modulation auf Basis einer Standard-Sinus-Welle oder einer einer Sinuswelle angeglichenen
Stufenwelle vorgenommen wird. Diese Steuereinrichtung ist jedoch äußerst kompliziert. Im Falle eines Wechselrichters ist
dabei die Kommutationsfrequenz oder Schaltfrequenz erhöht, so daß auch die Verluste erhöht sind und die Sehaltelemente
und die verschiedenen Hilfseinrichtungen sind kompliziert und teuer. Im Falle eines mit Thyristoren bestückten Wechselrichters
ist es erforderlich, ein teures Löschsystem fttr _ hohe Frequenz (z. B. eines bei dem ein Kommutationshilfsthyristor
eingesetzt wird) zu verwenden. Es ist bisher wegen des Modulationsprinzips nicht möglich gewesen, ein einfaches
Zwischenphasenkommutationssystem gemäß Figuren 6a bis 6c zu verwenden. Auch konnte wegen des erhöhten Verlustes ein
einfaches Löschsystem für niedrige Frequenzen gemäß Fig. 6β praktisch nicht eingesetzt werden. Das herkömmliche Treibersystem
für variable Frequenz konnte nicht zur Feinsteuerung einer numerischen Steuereinrichtung oder dgl. verwendet werden.
Die Verwendung eines Gleichstrommotors geringen Trägheitsmoments für diesen Zweck war recht teuer und insbesondere
war die Verwendung eines Gleichstromservomotors mit hohem Drehmoment geringer Geschwindigkeit und unmittelbarem Antrieb
recht schwierig.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Steuersystem der genannten Art zu schaffen, mit dem die
Harmonischen niederer Ordnung der Wechselstromausgangsleistung Terringert werden können und welches "bei Wechselstrommotoren
einschließlich Schrittmotoren eine glatte Rotation auch hei niedrigen Geschwindigkeiten und "bei Synchronmotoren,
einschließlich Schrittmotoren, einen stufenlos währbaren Drehwinkel ermöglicht.
Erfindungsgemäß werden jeweils zwei oder zwei Gruppen der
Festkörperschalter aus insgesamt mindestens drei oder drei Gruppen der Pestkörperschalter alternativ eingeschaltet und
ausgeschaltet, wobei die zwei oder zwei Gruppen von Festkörperschaltern
in vorbestimmter Reihenfolge für die einzelnen Perioden ausgewählt werden, so daß die Harmonischen niederer
Ordnung unterdrückt oder verringert werden können und eine stufenlose variable Frequenzsteuerung möglich ist. Erfindungsgemäß wird ein Servomechanismus vom Käfig-Induktionsmotor-Typ
geschaffen, zur Verwendung in Verbindung mit einem Servomechanismus hoher Genauigkeit, wie z. B. einer numerischen
Steuereinrichtung. Ferner wird erfindungsgemäß ein Servomechanismus für Wechselstromfrequenzsteuerung bei geringer
Geschwindigkeit und hohem Drehmoment für den direkten
Antrieb eines Servomechanismus geschaffen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Figuren 1a bis 1c Diagramme von Grundschaltungen zur Steuerung
einer Wechselstromausgangsleistung mit dem erfindungsgemäßen Steuersystem;
Figur 2 Diagramme zur Veranschaulichung des herkömmlichen Steuersystems;
Figuren 3a und 3b Diagramme zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen
Steuersystems;
Figuren 4a und 4b Diagramme zur Veranschaulichung einer abgewandelten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuersystems;
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Figuren 5a und 5b, 6a, 6b, 6c, 6d und 7
Diagramme verschiedener Ausfiihrungsformen von Schalteinrichtungen zur Wechselstromausgangssteuerung
zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Steuersystems;
Figuren 8a und 8b Diagramme verschiedener Ausfiihrungsformen
wichtiger Steuereinrichtungen auf der Grundlage des erfindungsgemäßen
Steuersystems;
Figuren 9 und 10a Diagramme weiterer Ausfiihrungsformen von
Steuereinrichtungen auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Steuersystems;
Figur 10b eine graphische Darstellung der Beziehung
von f.j und f2 zum Geschwindigkeitsbefehl;
Figuren 11a,b,c Diagramme zur Veranschaulichung der Arbeitsweise
der AusfUhrungsform gemäß Fig. 10;
Figuren 12a,b und
13a, b Diagramme weiterer AusfUhrungsformen von
Steuereinrichtungen zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Steuersystems;
Figur 14 eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines
Wechselstrommotors nach dem erfindungsgemäßen Steuersystem und
Figur 15 eine weitere Ausführungsform einer Steuereinrichtung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen
Steuersystems.
Fig. 3a zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Steuersystems der Fig. 1a im
Vergleich zu einem herkömmlichen Steuersystem gemäß dem Diagramm der Fig. 2. Während der Periode Q), werden die
Schalter 1u und 1w alternierend eingeschaltet und ausgeschaltet. Wenn der Schalter 1u sich EIN-Zustand befindet,
so befindet sich der Schalter w1 im AUS-Zustand. Wenn der
Schalter 1u sich im AUS-Zustand, so befindet sich der Schalter 1w im ΕΉΓ-Zustand. Demgemäß ist der zusammengesetzte Wert der
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beiden EIN-Perioden werden der gesamten Periode (j) konstant.
Andererseits wird das EIN-Tastverhältnis in Abhängigkeit zu der Zeit t (oder vom elektrischen Winkel oder Phasenwinkel
Cu t der Ausgangsfrequenz) differentiell gemäß nachstehenden
Gleichungen geändert:
tnn 1u
*on 1u + *off 1u
%n
1w
α1w= ton 1w+tGff 1w
αIu : EIN-Tastverhältnis des Schalters 1u;
a1w : EIN-Tastverhältnis des Schalters 1w;
K : Konstante, vorzugsweise K=I;
P(6ü t): Modulationsfu3$ktion.
Pur die Modulationsfunktion gilt z. B. die nachstehende
Gleichung:
aiu - g. \ to τ; - o ~ Oj τ K^a)
m : Stufenabschnittszahl in einer Periode;
m = 3 oder 6 (Fig. 1a)
m = 6 oder 12 (Pig. 1b) m - 3 oder 6 (Pig. 1e)
T : KuIl bei Beginn der Periode (?).
Perner kann die Modulationsfunktion der folgenden Gleichung
gehorchen:
sin (Jt
a1u
C0S( -^-+^t) 2 sin
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— ο —
Der Wert der Modulationsfunktion FA( (V t) und FB( to t) ist
in Fig. 3b durch eine Gerade A bzw. eine Kurve B dargestellt,
wobei auf der Abszisse die Zahl m des elektrischen Winkels die Stufenabschnittszahl in einer Periode bedeutet. Der Wert
der Zahl m hängt ab von der Schaltung der Schalter und von der erwünschten Abschnittsvielfachen. Für Fig. 1a gilt
m = 3,6 j für Pig. 1b gilt m * 6, 12 ; fur
Pig. 1c gilt m - 3,6 ; für Pig. 5 das Gleiche wie
für Pig. 1b, für Figuren 6a, b m = 3; für Figuren 6c, d m =6.
In bestimmten Fällen kann die Vielfache für m angegeben werden. Wenn jedoch die Einschaltung und Ausschaltung des Schalters
von dem Einschalten und Ausschalten eines anderen Schalters abhängt, so kann die Vielfache nicht angegeben werden. Die
Vielfache kann nur dann angegeben werden, wenn die Schalter unabhängig ein- und ausgeschaltet werden. Im Prinzip sind auch
nicht-geradzahlige Vielfache möglich. In der Praxis kommen jedoch nur geradzahlige Vielfache vor.
Die Kurve A der Fig. 3b ist einfach. Sie wird dadurch erhalten, daß man das EIN-Tastverhältnis linear zum lortschreitenden
elektrischen Winkel ω t der Ausgangsfrequenz ändert. Die Kurve B der Fig. 3b betrifft einen Pail, bei dem die Zuwachsrate des EIN-Tastverhältnisses sowohl im Anfangszeitabschnitt
als auch im Endzeitabschnitt groß ist. Diese Kurve betrifft z. B. einen Fall, bei dem die Drehung eines Drehfeldes bei
einem Wechselstrommotorantrieb oder dgl. korregiert wird. Diese Variante eignet sich insbesondere bei einem Steuersystem
für Wechselstromausgangsleistung zur Besielung eines
glatten Wechselstrommotorbetriebs. Die korregierte Kurfee B nähert sich der Geraden A je nach Zunahme von m. Im praktischen
Betrieb kann die Kurve eine Gerade sein. Der elektrische Winkel ω Λ der Ausgangsfrequenz liegt als Befehlssignal an.
Die Einzelheiten werden später erläutert.
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Bisher wurde das EIK-AUS-Steuersystem für ein Paar Schalter
anhand der Periode Q) der Fig. 3a erläutert. Desgleichen
werden während der Periode (2) die Schalter 1u und 1v alternierend
ein- und ausgesteuert und in der Periode (3) werden die Schalter 1v und 1w alternierend ein- und ausgesteuert.
Diese Vorgänge werden wiederholt.
In der Periode (?) des Sehalters 1u der Fig. 3a wird der
mittlere Wert (Durchschnittswert) j der EIN-AUS-Rechtseckswelle
k durch die Wellenform der Kurve A oder B der Fig. 3b
wiedergegeben. Andererseits wird in der Periode (T) des Schalters 1w die Mittelwertkurve 1 der Fig. 3a entsprechend
der Kurve A1 oder B1 der Fig. 3b erhalten. Somit ändert sich
der Mittelwert der Spannung (oder des Speisestroms) mit der die Lasten 10Ou und 10Ow beaufschlagt werden, gemäß der
Differentialbeziehung der Kurve A (oder B) und der Kurve A1
(oder B1) der Fig. 3b.
Erfindungsgemäß wird somit jeweils ein Schalterpaar aus einem Schalter, welcher in den ATJS-Zustand tibergeht, und einem
Sehalter, welcher in den EIN-Zustand Übergeht, gebildet und
der Übergangsvorgang wird durch die Differentialsteuerung des Elfl-Tastverhältnisses gesteuert, wobei der Übergang des
Effektivlaststroms (Kommutatlon, mittlerer Übergang) glatt verläuft. Somit wird der Anteil an den Harmonischen geringer
Ordnung in der Wechselstromausgangsleistung erheblich gesenkt.
Wenn dieses Steuersystem zum Betrieb eines Wechselstrommotors herangezogen wird, so wird die Drehung des magnetischen
Drehfeldes (oder des Bewegungsfeldes) sehr glatt und man erzielt
eine glatte Drehung. Wenn der Befehl bei einer vorbestimmten Phase o;Qt gestoppt wird, so wird der Schaltvorgang
mit dem EIN-AUS-Tastverhältnis entsprechend ct>
t fortgesetzt.
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— σ —
Somit wird die magnetische Achse des Drehfeldes (der elektro-magnetische
Symmetriepunkt oder Gleichgewichtspunkt eines Synchronmotors, z. B. eines Schrittmotors) bei jedem gewünschten
mittleren Punkt entsprechend U) t abgestoppt, so daß
eine stufenlose Steuerung des Wechselstrommotors möglich ist.
Darüber hinaus wird ein Paar Schalter alternierend ein- und ausgeschaltet. Somit ist es möglich, einen abhängigen Schalter
zu verwenden, welcher in Abhängigkeit von der Einschaltung eines anderen Schalters ausgeschaltet (gelöscht) wird. Zum
Beispiel können gemäß Figuren 6a, b und c Thyristorschalter ftir Zwischenphasenkommutation verwendet werden und die Hauptschaltung
kann vereinfacht werden. Demgegenüber war es bei den herkömmlichen Modulationssystemen mit Hochfrequenzimpulsbreite
notwendig, eine Schaltung zu verwenden, bei der jede Phase unabhängig ein- und ausgeschaltet wird.
Im folgenden soll das Steuersystem ftlr die Dreiphasen-Brtiekenschaltung
der Pig. 1b erläutert werden. Die Diagramme für die Einschaltung und Ausschaltung der Schalter 1up bis 1vn
sind in Pig. 4 dargestellt. In Pig. 4a ist die feste EIN-Periode (nicht modulierte Periode) β eine 1/6-Periode und in Pig. 4b
ist die feste EIN-Periode β eine 2/6-Periode. Bei dem Steuersystem gemäß Pig. 4a werden jeweils die Schalter eines Paares,
nämlich des Paares 1up und 1wp in der Periode^}; des Paares
1wn und 1vn in der Perlode Q); des Paares 1vp und 1up der
Periode (J); des Paares 1un und 1wn der Periode (4); des Paares 1wp und 1vp der Periode (5) und des Paares 1vn und 1un
der Periode (6) alternierend ein- und ausgeschaltet. Dieses Steuersystem unterscheidet sich in gleicher Weise von dem
herkömmlichen Steuersystem wie das Steuersystem gemäß Fig. Die alternierende EIN-AUS-Steuerung wird in Bezug auf ein Paar
Schalter vorgesehen und jedes Paar Schalter, welche alternierend ein- und ausgeschaltet werden, wird jeweils in Form einer
positiven Gruppe klassifiziert (mit dem Symbol p) und einer negativen Gruppe (mit dem Symbol n).
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Somit kann das Zwischenphasen-Kommutatinnssystem der Pig. 6c
verwirklicht werden, obgleich dieses mit dem herkömmlichen Modulationssystem mit Hochfrequenz-Impulsbreite nicht
verwirklicht werden konnte.
Bei dem Steuersystem der Pig. 4b werden die Schalter eines jeden Schalterpaars, d. h. des Paars 1up und tun in der
Periode(T); des Paares 1wn und 1wp in der Periode (2); des
Paares wvp und 1vn in der Periode (3)
alternierend
ein- und ausgeschaltet. Das Charakteristische dieses Systems ist die alternierende EIN-AUS-Steuerung eines Paars eines
positiven Schalters (mit dem Symbol p) und eines negativen Schalters (mit dem Symbol n), welche der gleichen Phase angehören.
Da die Einschaltperiode sehr lang ist, wird diese wirksam ausgenützt. Wie Pig. 6d zeigt, kann die alternierende
EHT-AUS-SSeuerung in einer Phase verwendet werden.
Wie Pig. 5a, b und Pig. 7 zeigen, ist es möglich, Jedes Steuersystem von Schaltern anzuwenden, welche unabhängig
ein- und ausgeschaltet werden können.
Die Vorteile und Eigenarten des erfindungsgemäßen Steuersystems
treten insbesondere im Palle des mehrphasigen Brlickentyps
der Fig. 4 zutage. Dabei liegt eine feste EIN-Periode (nicht
modulierte Periode) β vor. Das charakteristische dieser Ausfiihrungsform
besteht darin, die alternierende EHST-AUS-Steuerung zwischen zwei Schaltern eines Schalterpaars zu verwirklichen,
welche einen sequentiellen Stromdurchgang (Eommutation) haben, so daß sie auch während der Periode gesteuert werden, welche
der Kommutatinnsiiberlappungsperiode im herkömmlichen System entspricht. Somit weist das erfindungsgemäße Steuersystem
im Vergleich zum herkömmlichen Hochfrequenzmodulationssystem keine Punktion zur Steuerung der Gresamtweehselstromausgangsleistung
(mittlere Wechselstromausgangsspannung oder mittlerer Wechselstromausgangsstrom) auf. Die erste Aufgabe des herkömmlichen
Impulsbreiten-Moditlationssteuersystems besteht in
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der Steuerung der Gesamtwechselstromausgangaleistung (Spannung
oder Strom). Demgegenüber besteht die vornehmliehste Aufgabe des erfindungsgemäßen Steuersystems in der Steuerung der
!Commutation, so daß die Harmonischen unterdruckt oder verringert
werden und eine glatte Steuerung des Wechselstrommotors erreicht wird. Bei dem erfindungsgemäßen Steuersystem sollte
die Steuerung der Gesamtausgangsleistung mithilfe eines
anderen Systems durchgeführt werden, z. B. mithilfe eines Systems der variablen Leistungsspannung oder des variablen
Leistungsstroms und eines Systems zur Zusammensetzung eines Spannungssteuerungs-Äodulations-EIN-AIJS-Signals. Das erstere
ist das Hauptsteuersystem der Figuren 5b und 6b« Das letztere ist das System zur unabhängigen Steuerung nur des Schalters,
welcher sich in der festen EIH-Periode β befindet, und zwar
gemäß einem Steuermodus mit separatem EIN-»-AUS-T«stverhältnis.
Bei letzterem System ist die Periode der Eommutationsüberlappungssteuerung
(eine alternative EHT-AIJS-Steuerung eines Schalterpaars) vollständig getrennt von der Periode der
EHf-AUS-Steuerung des Gesamtausgangsleistungswertes (Steuerperiode
ß) und diese Steuerung wird unabhängig vorgenommen. Somit kann die Steuerschaltung wesentlich vereinfacht werden.
Einzelheiten werden weiter unten erläutert.
Das Prinzip der Erfindung wurde anhand der Figuren 1 bis 4 erläutert. Im folgenden sollen die Details der verschiedenen
Ausführungsformen erläutert werden. Die Figuren 5 bis 7 zeigen Schaltbilder verschiedener Ausführungsformen von Hauptschalter-Schaltungen,
welche nach dem erfindungsgemäßen Steuersyatem gesteuert werden. Fig. 5a zeigt ein Schaltbild einer Dreiphasen-Brückenschaltung
mit einem Gleichrichter 2, bestehend aus Transistoren. Fig. 5b zeigt ein Schaltbild einer Transistorschaltung
mit einer Chopper-S teuer einrichtung 3 zur Steuerung des Gesamtausgangsstroms oder der Gesamtausgangsspannung.
Fig. 6a zeigt ein Schaltbild einer Dreiphasen-Halbwellenschaltung
mit Thyristoren, wobei das Bezugszeichen 8. einen Löschkondensator bezeichnet und wobei das Bezugszeiehen 8„
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eine in Reihe geschaltete Diode zur Verbesserung des Löschyorgangs
"bezeichnet. Fig. 6b zeigt eine Dreiphasen-Halbwellensehaltung
mit einer Thyristor-Chopper-Steuereinrichtung
3 zur Steuerung des Gesamtausgangsstroms und mit Gleichrichtern 2, sowie mit einer Gleichstromdrossel 4. Pig. 6c
zeigt einen Zwischenphasen-Konmiutations-Thyristor-BrUckenwechselriehter,
wie z. B. einen Wechselrichter für einen Strom mit Rechteckwellenform, wobei eine Gleichstromdrossel
4 (gepunktete Linie) vorgesehen ist oder einen Wechselrichter mit einer Rechtecksspannungswellenform mit Rliekkopplungsgleichrichter
2 (gepunktete Linie). Pig. 6d zeigt einen Dreiphasen-BrUokenwechselrichter eines gegenseitigen Zwischenphasen-Kommutationssystems
mit Rechtecks-Spannungswellenform.
Fig. 7 zeigt einen Frequenzwandler, wobei eine Gruppe von drei Thyristoren für eine Richtungskomponente zwischen jeweils
einer Phase der Wechselstromquelle und einer Phase des Ausgangs (gestrichelte Linien) jeweils einem Schalter in einem
Brüekenwechselrichter entspricht. Das EIN-AUS-Signal der
Fig. 4 für eine Ausgangsfrequenz liegt jeweils an einer Grhppe an und das EIN-Signalvird jedem Thyristor in einer
Gruppe gemäß dem logischen Produkt des EIEi-AUS-S ignals
und des zweiten Signals entsprechend jeder Phase der Stromquelle zugewiesen.
Im folgenden wird die Steuerschaltung zur Erzeugung des EIN-AUS-Signals
für jeden Schalter in der Hauptschalteranordnung erläutert. Im folgenden wird eine AusfUhrungsform für ein
typisches Beispiel erläutert. Dieses Beispiel entspricht einer Breiphasen-BrUckenverknUpfung mit sechs Stufen in
einer Periode (m=6). Fig. 8a zeigt ein Schaltbild einer
Steuereinrichtung entsprechend dem Steuersystem der Fig. 4a.
In Fig. 8a bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen ersten Einschaltsignal-Zuteiler mit Ringzählern, welcher einen
Zuweisungsbefehl vom Impulseingang P erhält. Bei dieser Ausf Uhrungsform wird das Einschal t-Signal mit einer EIN-Befehlsperiode
entsprechend einer 1/6-Periode und mit einer Phasendifferenz einer 1/6-Periode der Reihe nach an jedem
Ausgangsanschluß (T) - (6) bereitgestellt.
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Man kann natürlich auch andere Zuweiser verwenden.
In Fig. 8a bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen Impulsbreiten-Modulator,
wobei das Übergangs-Überlappungs-Steuersignal S fiir die EIN-AUS-Tastverhältnissteuerung eingegeben
wird. Das Eingangssignal S entspricht dem Befehl w t der Pig. 3b und die Signale X, X (X ist die Umkehrung von X)
mit einem EIN-Tastverhältnis α entsprechend F(LO t) der
Ordinate der Fig. 3b werden ausgegeben. Wenn das Ausgangssignal X den Kurven A und B der Fig. 3b entspricht, so entspricht
das Ausgangssignal X den Kurven A1 und B1 der
Fig. 3b. Im folgenden soll die periodische Verschiebung einer genauen Betrachtung unterzogen werden. Die Verschiebung
des EIN-AüS-Zustandes des Schalters 1up in der Periode (T) ist in Fig. 4a gezeigt und entspricht dem Ausgangssignal X
und die Verschiebung des EIN-AUS-Zustandes des Schalters 1wp in der Periode (T) entspricht dem Ausgangssignal X". Dieses
Muster wiederholt sich sechsmal für eine Periode (der Periode
0 - C^) (Ausgangsfrequenz 1 Zyklus). Im allgemeinen wird
die Bildung des Signals, welches durch Impulsbreitenmodulation gemäß dem Kurvenmuster der Fig. 3b flir jeden elektrischen Winkel
2 Ti/m mit fortschreitendem elektrischen Winkel 60 t der
Ausgangsfrequenz entsprechend den Stufen m erhalten wird, wiederholt.
In Fig. 8a bezeichnen die Bezugszeichen 12a bis 12b
1 logische Produktelemente. Die Bezugszeichen 13a - 13f bezeichnen
logische Additionselemente und die Ausgangssignale bilden jeweils die EIN-AUS-Signale der Schalter 1vn - 1wp, wobei
die Auswellenform der Fig. 4a erhalten wird. Im folgenden soll die Arbeitsweise im Hinblick auf die Periode (T) erläutert
werden. In diesem Fall steht nur am Ausgangsanschluß (T) des Zuweiseis 10 ein EIN-Bßfehl an und an den anderen
Anschlüssen stehen ATJS-Befehle an. Demgemäß wird durch das
Logik-Additionselement 13a der EIN-Befehl ausgegeben, unabhängig
von den Impulsbreiten-Modulationssignalen X, X. Ande-
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rerseits geben die Logikproduktelemente 12a, 12Ta die Impulsbreitenmodulationssignale
X, X" aus. Das Logikadditionselement 13b gibt somit das Impulsbreitenmodulationssignal X aus während
das Logikadditäonselement 13f das Impulsbreitenmodulationssignal X* ausgibt. Somit erhält man die Verhältnisse
der Periode (?) der Pig. 4a. In ähnlicher Weise werden in allen Perioden (T) - (6) die festen EIN-Signale β und die
Impulsbreitenmodulationssignale X, X der Reihe nach den Schaltern zugewiesen, so daß sich das Muster der Fig. 4a wiederholt.
Pig. 8b sseigt eine AusfUhrungsform, bei der die feste EIIT-Signal-Periode
β eine 2/6-Periode ist (mit Bezugnahme auf Fig. 4b). Die Verkniipfungs des Logikadditionselementes 13
mit nur einem Schalter 1up ist für den Fall einer Verknüpfung des Impulsbreitenmodulators 11 und das Zuweisers 10 gemäß
Fig. 8a dargestellt. Die anderen Schalter sind derart verknüpft, daß dieser Vorgang der Reihe nach wiederholt wird.
Man kann auch verschiedene andere Typen als Einschalt-Signal-Zuweiser
10 der Fig. 8a verwenden, z. B. einen solchen, bei dem die EBT-Periode eine 2/6-Periode ist oder bei dem EIN-Periode
eine 5/12-Periode ist.
Fig. 9 zeigt eine Schaltung einer weiteren Ausführungsform der Steuereinrichtung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen
Steuersystems. In den Figuren 3, 4 und 8 bedeutet der Übergang des Impulsbreitenmodulationssignals X in den EIN-Zustand
eine fortschreitende Phase im AusgangsweathseIstrom. Der Übergang
des Impulsbreitenmodulationssignals X in den AUS-Zustand bedeutet einen Rückschritt der Phase des Ausgangswechselstroms.
Somit bedeutet dies die Wiederholung der fortschreitenden Verschiebung oder rückschreitenden Verschiebung in
der Grundfortschaltleitungsrichtung für die sequentielle Änderung des Einschaltzustandes der Schalter. Fig. 9 zeigt
eine Ausführungsform, bei der entsprechend dem beschriebenen Prinzip eine Steuerung der Eingangsseite des Zuweisers 10
erfolgt. In Fig. 9 werden die Impulsbreitenmodulations-
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ausgangssignale X, X jeweils differentiert, wobei man X, X erhält. Hierzu dienen die Impulsformelemente 14a, 14b. i bedeutet
Fortschreitung und wird durch das Impulsadditionselement 15 dem Eingangsanschluß F für fortschreitende Verschiebung
des Zuweisers 10 eingegeben. X bedeutet Rückschritt und wird dem Eingangsanschluß R für rückschrittliche Verschiebung des
Zuweisers 10 eingegeben. X und X sind jeweils, die gleiche
Zahl und der integrierte Wert von X und T ist Null. Das Tastverhältnis
wird im fortschreitenden Zustand erhöht, und zwar je nach dem Fortschreiten der Ausgangsfrequenzphase (uü t),
d. h. dem Kommutationsüberlappungs-Steuersignal S. Wenn die Fortschreitungsperiode, d. h. die EIN-Periode des Impulsbreitenmodulationssignals
X maximal ist, so wird der Hauptstufenimpuls in den Fortschreitungseingangsanschluß F eingegeben
und das EIN-Tastverhältnis des Impulsbreitenmodulationssignals
X kehrt dabei zum Minimum zurück. Demzufolge wird der Elektrische Winkel ög (Momentanwert) entsprechend der Hysterese
des Zuweisers (Ringzähler) gemäß Fig. 11b verschoben und der mittlere Wert des elektrischen Winkels wird ständig geändert.
Fig. 10a zeigt ein Diagramm einer weiteren Ausführungsform einer Steuereinrichtung zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen
Steuersystems. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 bezeichnet P1 einen Impulszug für fortschreitende Verschiebung
als Addition des Hauptstufenimpulses P und des Impulsbreitenmodulationsfortschreitungsimpulses
X. P2 bezeichnet die Rückschrittsimpulslinie entsprechend X* und f 1, f« bezeichnen
die Impulsfrequenzen. Der Zuweiser 10 wird im allgemeinen nach Maßgabe der Frequenz Cf1 - f„) geschoben, entsprechend
der Differenzfrequenz. Die Ausführungsfora gemäß Fig. 10
beruht auf diesem Prinzip. Dabei ist ein Impulsgenerator 16..
vorgesehen, welcher einen ersten Impulszug P1 mit einer
Impulsfrequenz f1 erzeugt. Ferner ist ein Impulsgenerator
vorgesehen, welcher eine zweite Impulslinie oder einen zweiten Impulszug P2 mit einer Impulsfrequenz f^ erzeugt und die
Ausgangsgrundfrequenz entspricht den Stufen m des Zuweisers oder Zuordners (Ringzähler), so daß sich fQ * (f1 - fp)/m ergibt.
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-ΊΡ--
Die Arbeitsweise wird durch Fig. 11 erläutert, fig. 11a
zeigt den ersten Impulszug P-J-(^) und den zweiten Impulszug
P2(f2). Die Fortschreitung der Hysterese ©2 des Zuweisers
oder Zuordners ist in Fig. 11b gezeigt. Fig. 10b zeigt die
ZwischenphaBenverschiebung von f. und fg. im Verhältnis zum
Geschwindigkeitsbefehl V8 flir den Fall einer variablen
Frequenzsteuerung. Der Fortschritt der Einschaltzustandordnung des Schalters 1 entsprechend der Hysterese der Fig.11b
ist dem der Fig. 8 gleich. Der EIN-AüS-Betrieb der Schalter
ist gleich demjenigen der Figuren 4a oder 4b. Bei den Ausflihrungsf
ormen gemäß Figuren 9 und 10 ist der Betrieb der gleiche wie derjenige bei Fig. 4a für den Fall, daß zwei
der ΕΏΓ-Befehls-Ausgangszahlen des Zuweisers 10 gleichzeitig
vorliegen. Im Falle von drei EIN-Befehls-Ausgangszahlen
entspricht die Arbeitsweise der Fig. 4b. Das heißt, in diesem
Falle beträgt die Zahl der Schalter , welche sich zur gleichen Zeit im EIN-Zustand befinden, gemäß Fig. 4a zwei und gemäß
Fig. 4b drei.
Wenn mit der Steuereinrichtung der Figuren 8 bis 10 ein Wechselstrommotor entsprechend des Steuerungssystems der
Fig. 7 betrieben wird, so ergibt sich die Vektorspur des magnetischen Drehfeldes gemäß Fig. 11c. Erfindungsgemäß findet
eine kontinuierliche Drehung der Spur auf der ausgezogenen Linie statt. Es soll nun angenommen werden, daß die Verschiebung
auf der Spurzone D in der Periode (T) (Mittelwert) unter Impulsbreitenmodulation stattfindet. Das bedeutet, daß der
Mittelpunkt Έ kontinuierlich in der D-Zone verschoben wird,
und zwar unter Steuerung des Tastverhältnisses der Periode im Fortschrittspunkt d„ (die EIH-Periode des Impulsbreitenmodulierten
Signals X) zur Periode des Riickschrittspunktes d,
(Äer AUS-Periode des impulsbreitenmodulierten Signals X) . (a a "^nf/^EHr + ^AUS ^* Die Verscnie^)unS äes magnetischen
Feldes folgt in der praktischen Anwendung nicht momentan der momentanen Spannungsänderung. Demgemäß nähern sich der
Fortschrittspunkt dg und der Riickschrittspunkt d1 dem Mittelpunkt
Έ. .
509827/024 7
Die gestrichelte Linie betrifft das herkömmliche System. Dabei ist es während der Periode (T) am d.. -Punkt und während
der Periode (2) am d2-Punkt und es durchläuft während kurzer
Zeit den Mittelteil. Wie sich aus dieser Erläuterung ergibt, kann erfindungsgemäß die Drehung des Magnetfeldes kontinuierlich
erfolgen und in jeder gewünschten Position gestoppt werden. Demgemäß kann man eine glatt Drehbewegung des Motors
verwirklichen, sowie eine stufenlose Steuerung und schließlich
jede gewünschte Stufensteuerung eines Synchronmotors einschließlich eines Impulsmotors oder Schrittmotors.
Die Generatoren zur Erzeugung des Hauptimpulses P und das des Übergangsüberlappungssteuersignals S, welche in die Steuereinrichtungen
der Fig. 8 und 9 eingegeben werden, werden im folgenden als Steuerbefehls-Steuerteil 19 bezeichnet und
im folgenden erläutert. Fig. 12a zeigt eine Ausführungsform eines digitalen Befehlssystems und Fig.12b zeigt die Betriebswellenformen.
In Fig. 12a bezeichnet das Bezugszeichen np den Befehlsimpulszug. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet einen
Ringzähler und der Hauptimpulsausgang P entspricht dem Zahlenfortschrittsimpuls.
Dies kann ein Impulszug-Frequenzteiler sein. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet einen Digital-Analog-Wandler
zur Wandlung des Zählwertes und des Zustandswertes
in der unterteilten Periode in ein analoges elektrisches Signal. Das Ausgangssignal S ist ein Übergangsüberlappungssteuersignal.
Das Signal S wird jedesmal bei einem Ausgangssignal des
Hauptimpulses P zurückgestellt, wodurch das Muster der Kurven A und B der Fig. 3b wiederholt wird.
Fig. 13a zeigt eine Ausführungsform eines analogen Befehlssystems,
bestehend aus einer Integrationseinrichtung 20 zum Integrieren des Geschwindigkeitsbefehls-Eingangssignals V_ ;
sowie aus einem Element 21 mit Komparatorfuriktion
zur Erzeugung des Impulses P, wenn das Ausgangssignal einen vorbestimmten Pegel erreicht; sowie aus einem Impulsgenerator
22 (monostabiler Multivibrator). Die Integrationseinrichtung wird durch die Impulserzeugung zurückgestellt. Das Ausgangs-
509827/024 7
signal der Integrationseinrichtung kann als Übergangsüberlappungssteuersignal
S dienen und das Impulsausgangssignal wird als Hauptimpulszug P verwendet. Der Befehlssteuerteil
19 "bildet den Spannungs-Frequenz-Wandler (V/F-Wandler),
wobei der Hauptimpuls P und das Übergangs-Überlappnngs-Steuersignal S mit einer dem Befehlseingangssignal V proportionalen
Frequenz gemäß Fig. 13b erzeugt werden. Die Befehlssteuersysteme, welche den Ausführungsformen der Figuren
8 bis 10 entsprechen, können ebenfalls durch Kombination verschiedener V/F-Wandler; durch Kombination eines Frequenzteilers
und eines Zählers und durch Kombination eines Frequenzteilers und eines Flip-Flops als Analogschaltung oder Digitalschaltung
erhalten werden.
Fig. 14 zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Steuersystems zur Steuerung eines Wechselstrommotors. In Fig. 14
bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Schaltung mit Festkörperschaltern. Das Bezugszeichen 200 bezeichnet eine Stromquelle.
Das Bezugszeichen 100 bezeichnet einen Wechselstrommotor (Induktionsmotor; Synchronmotor; Impulsmotor oder Schrittmoter).
Das Bezugszeichen 400 bezeichnet eine last. Der Geschwindigkeitsbefehl wird als Digitalimpuls np oder Analog (V«) eingegeben.
Für den Fall einer Positionssteuerung sind die durch
eine gestrichelte Linie dargestellten Bauteile vorgesehen oder es wird als Wechselstrommotor ein Synchronmotor verwendet.
Wenn ein Induktionsmotor verwendet wird, so ist es bevorzugt, einen Bezugs-Funktionsverstärker 24 zu verwenden, welcher durch
Vergleich des Ausgangssignals eines Drehwinkeldetektors 23 oder eines Positionsdetektors 23 mit der Bezugsposition θ ein
verstärktes Fehlerausgangssignal erzeugt. In diesem Fall kann das Bezugs-Operations-Ausganssignal ein Analogsignal Y oder
ein. Digitalimpulszug (np) sein. Als Befehlssteuerteil 19 kann die Befehlssteuereinrichtung der Fig. 12 dienen. Wenn ein
Synchronmotor mit hoher Auflösung des Drehwinkels im Vergleich zur Anzahl der Pole des Synchronmotors verwendet wird
so werden die gleichen Betrachtungen angestellt.
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2459988
— Io —
Wenn die gleiche Zahl der Pole des Synchronmotors der Auflösung des Drehwinkels entspricht, so ist es nicht erforderlich,
die durch gestrichelte Linien dargestellten Bauteile vorzusehen. Die AusfUhrungsform gemäß Pig. 14 kann in wirksamer
Weise zur Positionssteuerung mit höchster Genauigkeit dienen, z. B. bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
oder einem Roboter. Zu dem gleichen Zweck kann ein Schrittmotor oder ein Gleichstrommotor verwendet werden. Diese Motoren
sind jedoch kompliziert und teuer.
In vielen Fällen ist es erforderlich, eine Maschine direkt ohne Untersetzungsgetriebe anzutreiben. Zu diesem Zweck
bedarf man eines Motors mit geringer Geschwindigkeit und hohem Drehmoment. Wenn man nun zu diesem Zweck einen herkömmlichen
Schrittmotor oder einen Gleichstrommotor mit geriigem Trägheitsmoment
verwendet, so muß nan einen größeren und teureren Motor einsetzen. Ein Schrittmotor liefert im Prinzip ein geringes
Drehmoment, da der gleiche Rotor wie in einem Induktor verwendet wird. Ein Gleichstrommotor mit geringem Trägheitsmoment
hat einen glatten Ankerkörper, io daß die magnetische Erregerflußdichte (Effektivfeld) gering ist. Daher ist das
mit dem gleichen Rotor erzielte Drehmoment gering. Dies bedeutet, daß man einen groß-dimensionierten teuren Motor verwenden
muß.
Demgegenüber ist es erfindungsgemäß möglich, ein kontinuierliches
und glattes Drehmoment selbst im Bereich niedriger Geschwindigkeit zu erzielen, wenn man einen Käfig-Induktionsmotor
verwendet, wobei ein glatter lauf ähnlieh wie bei einem Gleichstrommotor erzielt wird. Andererseits kann
die Motorkonstruktion einfach sein und man erzielt ein hohes Drehmoment, bei kompakter Bauweise. Man kann erfindungsgemäß
einen Servomechanismus verwirkliehen, welcher eine sehr hohe Genauigkeit hat, ähnlich wie bei einem Gleichstrommotor. Ein
solcher Servomechanismus ist einfach, kampakt und wirtschaftlich. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Verwirklichung
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eines Antriebsservomechanismus mit direkter Verbindung. Man kann die Erfindung auch im Zusammenhang mit industriellen
Motoren variabler Geschwindigkeit anwenden, welche hierdurch
bei sehr geringen Geschwindigkeiten betrieben werden können. Daher wird der Geschwindigkeitssteuerbereich in bisher undenkbarer
Weise verbreitert. Bei einem herkömmlichen Antrieb mit variabler Frequenz mußte man gewöhnlich bei 5 - 200 Hz und
insbesondere bei 5 "bis 10 Hz (im Bereich niedriger Frequenz) zur Erzielung eines glatten Betriebs arbeiten. Erfindungsgemäß
wird ein glatter Betrieb bei jeder Frequenz ohne Beschränkungen auf niedrige Frequenzen erzielt. Darüber hinaus
kann man einen Betrieb mit höchster Geschwindigkeit bei hohen Frequenzen wie 3 EHz erzielen, indem man ein einfaches Wechselrichtersystem
gemäß Fig.6c verwendet. Somit wird erfindungsgemäß
«um ersten mal das Problem der Beschränkung des Hochgeschwindigkeitsbereichs überwunden und es können Motoren
4 6
mit einem Hochgeschwindigkeitsbereich von 10 - 10 verwirklicht
werden. Die Beschränkung des Geschwindigkeitsbereichs beruht im wesentlichen auf der Hauptschalter-Schaltung,
dem Motor und der Trägheit der Last. Erfindungsgemäß werden diese Beschränkungen überwnnden und der verwirklichbare Geschwindigkeitsbereich
wird äußerst verbreitert. Er wird nur mehr begrenzt durch die Befehlssteuerschaltung (elektrische
Schaltung und digitale Schaltung).
Fig.15 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Steuereinrichtung ,wobei während der festen EIN-Periode β eine
separate EIH-AUS-Steuerung vorliegt und wobei die Gesamtwechselstromausgangsspannung
oder der Gesamtwechselstromausgangsstrom (Grundwelleneffektivwert) gesteuert wird. Bei der
Ausführungsform gemäß Fig. 15 sind logische Produktelemente 26a - 26f in den festen EIN-Signalleitungen vorgesehen und
ein Generator 25 für das moduliette Impulsbreitensignal zur
Steuerung der Gesamtausgangsleistung ist bei der Ausführungsform
der Fig. 8a vorgesehen. Das modulierte Impulsbreitensignal T
zur. Steuerung der Ausgangsleistung kann irgendein EIN-AUS-Befehl
sein und es kann mit dem Hauptimpulszug P für die Frequenz-
509827/0247
steuerung synchronisiert sein. Dies bedeutet einen zweiten Generator für das EIN-AÜS-Steuersignal zur Steuerung des
Tastverhältnisses. Gleicherweise ist es möglich, ein logisches Produktelement 26 in mindestens einer der Eingangsleitungen
IN2 und IN, der logischen Additionselemente 13 vorzusehen
so daß'man das logische-Produkt des gesamten Impulsbreitenmodulierten
Signals zur Steuerung der Gesamtausgangsleistung (Tastverhältnis-Steuersignal) der Ausführungsform gemäß Fig. 8b
erhält.
Um die Bildung von modulierten Harmonischen herabzusetzen oder zu unterdrücken, wird das logische Produktelement 26
nur in einer Eingangsleitung vorgesehen. Dies ist durch die
gepunktete linie in Pig. 8b angedeutet. Bei letzterer Ausführungsform
wird der EIN-AüS-Betrieb zur Steuerung der Gesamtausgangsleistung während der festen EIN-Periode β gemäß
Fig. 4b erhalten. Bei der Ausführungsform gemäß Pig. 15 findet der EIN-AüS-Betrieb für die Gesamtausgangsleistungssteuerung
während der festen EIN-Periode β gemäß Fig. 4a statt. Bei diesen Ausfiihrungsformen findet die EIN-AUS-Steuerung während
allen Perioden statt. Die Modulationssteuerperiode ist jedoch vollständig getrennt und die Modulationssteuerung wird
unabhängig erreicht, und die ÜbergangsUberlappungssteuerung
zur Verminderung der Harmonischen und die Gesamtausgangssteuerung werden unter zeitlich parallelem Betrieb erreicht.
Somit ist es nicht erforderlich, eine komplizierte Modulation vorzunehmen (eine relative Modulation zwischen einer Dreieckswelle und einer der Sinuswelle angenäherten Stufenwelle;
Synfchronschaltung hierzu; Schalter für Modulationsfrequenz
und Synchronsdalter), so daß die Apparatur vereinfacht wird.
Die Erzeugung einer Bezugs-Sinuswelle ist recht kompliziert
und es sind digitale Schaltungen und Analogadditionseinrichtungen erforderlich, obgleich eine der Sinuswelle angenäherte
Stufenwelle erzeugt wird. Bei der Stufennäherung sind die 11. Harmonische und die 13. Harmonische die Harmonischen niedrigster
Ordnung. Somit ist es unmöglich, einen Betrieb bei
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Claims (3)
1. Steuersystem zur Steuerung einer Wechselstromausgangsleistung durch Einschaltsteuerung von mindestens
drei oder drei Gruppen von Schaltern zwischen einer Stromquelle und einer Last in bestimmter Reihenfolge, wobei
ein Strom, einschließlich mindestens einer Wechselstromkomponente von der Stromquelle zur Last überführt wird oder
von der Last zu der Stromquelle zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man zwei oder zwei Gruppen von Schaltern
in vorbestimmter Reihenfolge auswählt und diese alternierend ein- und ausschaltet.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Einschaltsignal-Zuveieer (10) zur Einschaltsteuerung
von Pestkörperschaltern (1) in vorbestimmter Reihenfolge;
durch einen Impulsbreitenmodulator (11) zur Erzeugung eines impulsbreitenmodulierten Signals, dessen Tastverhältnis
durch Synchronisation mit dem Zustandeübergang des ersten
Einschaltsignal-Zuweisers (10) verschoben wird; und durch eine selektive Zuweisungsschaltung (12,13) zur
Auswahl und Zuordnung des impulsbreitenmodulierten Signals entsprechend dem Zustand des ersten Einschaltsignal-Zuweisers
so daß die Einschaltsteuerung der Pestkörperschalter (1) durch die selektive Zuweisungsschaltung (12,13) erfolgt.
3. Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Zweirichtungszähler zur Einschaltsteuerung der Pestkörperschalter
(1) in vorbestimmter Reihenfolge, wobei ein erster Eingang des Zweirichtungszählers mit einem Impulszug
einer ersten Prequeez und ein zweiter Eingang des Zweirichtungszählers
mit einem Impulszug einer zweiten Frequenz beaufschlagt wird und wobei die Pestkörperschalter je nach dem Zustand des
Ausgangssignals des ZweirichtungsZählers der Einschaltsteuerung unterliegen.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |