DE2811479A1 - Umformereinrichtung - Google Patents

Umformereinrichtung

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DE2811479A1
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Charles Edward Hyman
Arland Irdell Olafson
Alfred Charles Setter
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Sperry Rand Corp
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Description

Patentanwälte Dipl.-lng. Curt Wallach
Dipl.-Ing. Günther Koch
2 8 1 1 A 7 9 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach
-7 Dipl.-lng. Rainer Feldkamp
• τ ·
D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d
Datum: l6. März 1978
Unser Zeichen: l6 I89 - Fk/Ne
Sperry Rand Corporation
New York, USA
Uniforinereinrichtung
809838/0932
Patentanwäü3 Dipl.-Ing. Curt Wallach
Dipl.-Ing. Günther Koch
2811^79 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach
O Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp
D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 ■ Telex 5 29 513 wakai d
Datum: 16. März 1978 Unser Zeichen: l6 I89 - Fk/Ne
Sperry Rand Corporation New York, USA
Uniformere inrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Uniformere inrichtung und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf eine kompakte und wenig aufwendige Umformereinrichtung, die die einphasigen sowie die Gleichstrom-Ausgänge üblicher Luftfahrzeug-Bordleistungsversorgungen verwendet, um stabile geregelte dreiphasige Leistungssignale an sterngeschalteten einen geerdeten Mittelleiter aufweisenden Verteilungsleitungen zu erzeugen.
Im allgemeinen können Bord-Leistungsversorgungen für Luftfahrzeug-Navigationsinstrumente und -Steuersysteme in zwei Hauptkategorien unterteilt werden. Beispielsweise liefert eine erste Art einer spannungsgeregelten LeistungsVersorgung lediglich einphasige Leistung mit begrenzter Amplitude, wobei keine dreiphasige Leibung erzeugt wird. Relativ hohe Gleichstromleistungen, beispielsweise mit einer Spannung von 28 Volt werden ebenfalls geliefert. Für die direkte Anwendung von derart ausgerüsteten Luftfahrzeugen sind die Instrumente und Steuereinrichtungen für das Luftfahrzeug haupt-
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sächlich für die Verwendung des Gleichstromes und nur sekundär für den Betrieb mit dem einphasigen Wechselstrom ausgelegt.
Andererseits sind viele Arten von Luftfahrzeuginstrumenten- und -Steuereinrichtungen absichtlich so ausgelegt, daß sie hauptsächlich an einer zweiten Art von Leistungsversorgung betrieben werden, die einen dreiphasigen Ausgang mit relativ hoher Leistung liefert. Derartige Leistungsversorgungen liefern normalerweise geregelte II5- und 200 V-Pegel einer Wechselspannung an einen geerdeten Mittelleiter aufweisenden Vierdraht -Le is tungsv er teilungs leitungen. Bei dieser zweiten Art von Leistungsversorgungen wird in vielen Fällen nebenher noch eine Gleichspannung von beispielsweise 28 V mit relativ niedriger Leistung geliefert.
In vielen Fällen ist es erwünscht, Ausrüstungen und Geräte,
mit
die für den Betriebyeiner Art dieser Le Istungs Versorgungen ausgelegt sind, in Verbindung mit der anderen Art von Leistungsversorgung zu betreiben, wobei dieser Fall eine Anpassung der AnschlußIeistung oder Umformerelemente erfordert. Zu diesem Zweck wurden mit gewissem Erfolg bisher Wechselrichter verwendet, die Dreiphasen-Leistung erzeugten. Derartige Wechselrichter sind jedoch aufwendig und schwer und nehmen wertvollen Raum innerhalb des Rumpfes des Luftfahrzeuges ein. Auf Grund dieser und anderer nachteiliger Faktoren stellen Wechselrichtersysteme keine zweckmäßige Lösung des Problems dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umformereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen sicheren und wirkungsvollen Betrieb von Ausrüstungen und Geräten, die ursprünglich zum Betrieb mit der vorstehend erwähnten zweiten Art von Leistungsversorgungen bestimmt sind, an der erstgenannten Art von LeJstungsversorgung ermöglichen.
Entsprechend einem Grundgedanken der Erfindung wird eine Um-
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formereinrichtung geschaffen, die gleichzeitig auf die Einphasen-Wechselstromleistungsversorgungseinrichtungen und die Gleichstrom-Leistungsversorgungseinrichtungen eines Luftfahrzeuges anspricht, um einen Dreiphasen-Wechselstrom mit einer Leistung zu erzeugen, die wesentlich größer als die Leistung der einphasigen Leistungsversorgungseinrichtungen des Luftfahrzeuges ist, und die Netzwerkeinrichtungen zum Verschieben der Phase des einphasigen Wechselstromes um im wesentlichen 90°* erste Verstärkereinrichtungen mit einem auf die Netzwerkeinrichtungen ansprechenden Eingang, Gegentaktverstärkereinrichtungen, die auf die ersten Verstärkereinrichtungen ansprechen, erste Transformatorteile mit ersten Primärwicklungen und ersten Sekundärwicklungen, von denen die ersten Primärwicklungen auf die Gegentakt-Leistungsverstärkereinrichtungen ansprechen, während die ersten Sekundärwicklungen eine erste Anzapfung aufweisen, die auf der Mitte der ersten Sekundärwicklungen liegt, und zweite Transformatorteile einschließt, die zweite Primärwicklungen und zweite Sekundärwicklungen aufweisen, von denen die zweite Primärwicklungen auf den einphasigen Wechselstrom ansprechen, während ein erstes Ende der zweiten Sekundärwicklungen mit der ersten Anzapfung gekoppelt ist, wobei die zweiten Transformatorteile Ausgangskopplungseinrichtungen für den Mittelleiter bilden und ein Ausgangesignal mit einer ersten Phase liefern, während ein erstes Ende der ersten Sekundärwicklungen ein Ausgangssignal mit zweiter Phase liefert und ein zweites Ende der ersten Sekundärwicklungen ein Ausgangssignal mit einer dritten Phase liefert.
Entsprechend einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird eine Umformereinrichtung geschaffen, die gleichzeitig auf die Einphasen-WechselstromleistungsVersorgungseinrichtungen und die Gleichstrom-Leistungsversorgungseinrichtungen eines Luftfahrzeuges anspricht, um einen dreiphasigen Wechselstrom mit einer Leistung zu erzeugen, die wesentlich größer ist als die maximale Leistung der einphasigen Wechselstromleistungsversorgungen, und die Netzwerkeirr ichtungen zum Verschieben der Phase des einphasigen Wechselstromes um im wesentlichen 900,
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erste Verstärkereinrichtungen mit einem Signaleingangsanschluß, der auf die Netzwerkeinrichtungen anspricht, Gegentaktverstärkereinrichtungen, die auf die ersten Verstärkereinrichtungen ansprechen, und Ausgangstransformatoreinrichtungen einschließt, die Sekundärwicklungen zur Lieferung getrennter dreiphasiger Ausgangsströme sowie erste und zweite Primärwicklungsteile aufweisen, von denen die ersten Primärwicklungsteile eine Mittelanzapfung aufweisen und auf die Gegentakt-Leistungsverstärkereinrichtungen ansprechen, während die zweiten Primärwicklungsteile auf den einphasigen Wechselstrom ansprechen, wobei Impedanzelemente mit der Mittelanzapfung gekoppelt sind, um den Pegel der dreiphasigen Ausgangsströme bezüglich eines vorgegebenen sicheren Wertes zu messen und Begrenzereinrichtungen vorgesehen sind, die auf die Impedanzelemente ansprechen und nur dann ein Steuersignal erzeugen, wenn der vorgegebene sichere Wert überschritten wird, worauf der Signaleingangsanschluß auf das Begrenzer-Steuersignal dadurch anspricht, daß der Ausgang der ersten Verstärkereinrichtungen im wesentlichen auf 0 verringert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der einphasige Ausgang der Bord-Leistungsversorgung phasenverschoben, um Quadraturspannungen zu bilden, die dann einer Leistungsverstärkung unterworfen werden, bevor sie zur Erregung bestimmter Eingänge des Ausgangstransformatorsystems verwendet werden. Dieses letztere System kombiniert die Quadratursignale mit dem einphasigen Ausgang der Bordversorgung als Bezugswert, um die dreiphasige Leistung an sterngeschalteten Verteilungsleitungen mit geerdetem Mittelpunkt zu erzeugen. Eine automatische Gegenkopplung zur Verstärkungssteuerung ist derart vorgesehen, daß die Spannungsstabilität der dreiphasigen Ausgangsleistung fast ausschließlich von der Regelung abhängt, die für die einphasige Wechselstrom-Leistungsversorgung vorgesehen ist. Zusätzlich ergeben Ausgangsstrom-Schutzbegrenzereinrichtungen einen Überlastschutz für die Ausgangsstufen der Umformereinrichtungen gegen Fehler, die in der Last auftreten, wodurch übermäßige Stromwerte hervorgerufen werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform der Umformereinrichtung;
Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild einer Strombegrenzer-Schutzeinrichtung der Umformereinrichtung nach Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Umformereinrichtung gezeigt, bei der die Einphasen-Wechselstromleistung, die umgeformt werden soll, den Anschlüssen 1 und I50 (die ein gemeinsamer Anschluß sein können) zugeführt wird, während die dreiphasige Weehselstromleistung an den Ausgangsanschlüssen 126, 127, 155 und 156 erzeugt wird. Die Einphasen-Wechselstromleistung wird dem Anschluß 1 zugeführt, an dem sie hauptsächlich zur Lieferung eines Phasen- und Frequenz-Bezugssignals für die Einrichtung dient und der Anschluß 1 ist über eine Serienschaltung mit einem Kondensator 2, einem Widerstand 5* einem Verbindungspunkt 4 und einem Widerstand 5 mit Erdpotential verbunden. Der Verbindungspunkt 4 ist über einen Koppelkondensator 6 mit einem Verbindungspunkt 9 verbunden, der seinerseits über eine Diode 7 mit der in der Zeichnung dargestellten Polarität mit Erde verbunden ist. Der Verbindungspunkt 9 ist weiterhin über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 8 und einen Widerstand 10 sowie über einen Verbindungspunkt 11 und einem Kondensator 12 mit Erde verbunden. Die diese Elemente umfassende Schaltung bildet einen üblichen 90°-Phasenschieber für das dem Eingang zugeführte Betriebs-Wechselspannungssignal, dessen Frequenz in vielen Anlagen 400 Hz
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beträgt und diese Schaltung dient dazu, lediglich ein schmales Band von Frequenzen um die gewünschte Mittenbetriebsfrequenz weiterzuleiten. Die verschiedenen Schaltungselemente sind für eine gute Stabilität unter schwierigen Umgebungs-Betriebsbedingungen ausgewählt, so daß die Phasenverschiebung im wesentlichen konstant ist und zwar insbesondere über den zu erwartenden weiten Bereich von Temperaturen. Der Kondensator 12 dient zur Erzielung eines Wechselspannungs-Erdpfades für alle Wechselspannungsfrequenzen. Die Diode 7 begrenzt die Spannung am Verbindungspunkt 9 und schützt einen Verstärker 39 während der Einschwing-Übergangszustände, die unmittelbar auf das Anlegen der Betriebsleistung an das System folgen, bei dem die Kondensatoren 2, 6, 8, 12, 33 und 37 große Ströme ziehen, bevor sie ihren eingsschwungenen Zustand erreichen.
Der Verbindungspunkt 9 des Phasenschiebers ist über einen Kopplungswiderstand 13 mit einem Eingang 14 des in üblicher Weise ausgebildeten Spannungsverstärkers 39 verbunden. Der zweite Eingang 15 dieses Spannungsverstärkers 39 ist direkt mit dem Verbindüngspunkt 11 über einen Verbindungspunkt 16 verbunden, der über einen Widerstand 17 mit Erde und über einen
Widerstand 50 mit einer (nicht gezeigten) positiven Vorspannungsist
quelle verbunden/ die normalerweise an einen Anschluß 51 angeschaltet ist. Die Spannung am Anschluß 51 kann die Gleichspannung von +28 V sein, die direkt von dem Generator des Luftfahrzeuges geliefert wird. Der Spannungsverstärker 39 weist vier zusätzliche Anschlüsse auf, von denen der Anschluß 38 ebenfalls mit +28 V gespeist wird während ein anderer Anschluß 41 mit Erde verbunden ist. Ein Kondensator 40, zur Unterdrückung von Signalen mit Frequenzen, die größer als die Betriebsfrequenz sind, ist in üblicher Weise an die beiden verbleibenden Anschlüsse des Verstärkers 39 angeschaltet. Es ist verständlich, daß der Verstärker 39 sowohl als Spannungsverstärker als auch als verstärkungsgesteuerter Verstärker dient, wie dies noch weiter unten näher erläutert wird.
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Der Ausgang des Verstärkers 39 ist über einen Koppelwiderstand 42 mit dem Eingangsverbindungspunkt 43 einer Strom-Puff er verstärker stufe verbunden, die Transistoren 44 und 47 verwendet, die für einen Betrieb in üblicher komplementärer B-Gegentaktbetriebsweise geschaltet sind. Zu diesem Zweck ist der Verbindungspunkt 43 mit den jeweiligen Basisanschlüssen der Transistoren 44, 47 verbunden. Die Kollektorelektrode des Transistors 44 ist normalerweise über einen Anschluß 45 mit einer (nicht gezeigten) positiven Spannungsquelle verbunden, die ebenfalls eine Gleichspannung von +28 V liefern kann, während die Kollektorelektrode des Transistors 47 mit Erde verbunden ist. Die beiden Emitterelektroden der Transistoren 44, 47 sind über eine Leitung 46 mit einem gemeinsamen Ausgangsanschluß 49 verbunden, von dem zwei Abzweigleitungen ausgehen. Zu Gegenkopplungs- und Verstärkungssteuerzwecken ist der Verbindungspunkt 49 über eine Leitung 48, eine aus einem Widerstand 36 und einem Kondensator 37 bestehende Parallelschaltung und über einen Anschluß 35 mit dem Eingang 14 des Spannungsverstärkers 39 verbunden. Diese Gegenkopplung ist hauptsächlich eine stbilisierende Gleichstrom-Gegenkopplung über den Widerstand 36 und den Kondensator 37» wobei diese Gegenkopplung im Sinne einer Unterdrückung der Übertragung von Signalen mit Frequenzen oberhalb der Betriebsfrequenz (beispielsweise oberhalb 400 Hz) wirkt.
Die zweite von dem Verbindungspunkt 49 ausgehende Zweigleitung ist über einen Wechselstrom-Koppelkondensator 60 mit einem Ende einer Primärwicklung 46 eines Trenntransformators 65 verbunden, wobei das andere Ende der Primärwicklung 64 geerdet ist. Ein Kondensator 62, der an die Anschlüsse 6l, 63 der Primärwicklung 64 angeschaltet ist, wird ebenfalls zur Unterdrückung unerwünschter hoher Frequenzen verwendet. Der Transformator 65 weist eine gespaltene Phasen-Sekundärwicklung 66, 68 auf, die bei 67 mittelangezapft ist. Die Mittelanzapfung 67 ist zwischen die in Serie geschalteten Widerstände 81 und 82 geschaltet, die einen Spannungsteiler zur Vorspannung der
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Basiselektroden von Transistoren 93, 99 bilden. Die Widerstände 81, 82 sind zwischen Erde und einem Anschluß 80 angeschaltet, dem normalerweise eine Vorspannung (beispielsweise eine Gleichspannung von +28 V) zugeführt wird. Der Transformator 65 wirkt als Trenneingang zur Zuführung von um + und -900 phasenverschobenen Wechselspannungssignalen an die Basiselektroden der Transistoren 93 und 995 diese Transistoren sind in einer üblichen Gegentakt-Leistungsverstärkerschaltung zusammengeschaltet, die Stufen vom sog. Darlington-Typ verwendet. Die Zuführung unerwünschter Frequenzen an die Transistoren 93, 99 oberhalb der Betriebsfrequenz (von beispielsweise 400 Hz) wird durch einen Kondensator 84 unterdrückt, der über Leitungen 83, 85 an die gespaltene Phasen-Sekundärwicklung 66, 68 des Transformators 65 angeschaltet ist.
Die dem Transistor 93 und einem weiteren Transistor 94 zugeordnete Verstärkerstufe liefert einen Ausgang an einen Endanschluß 120 des Primärwicklungsteils 121 eines Transformators 123. Zu diesem Zweck ist der Sekundärwicklungsteil 66 des Transformators 65 direkt mit der Basis des Transistors 93 verbunden, dessen Kollektorelektrode normalerweise mit einer positiven Spannungsquelle (beispielsweise eine Gleichspannung von +28V) an einem Anschluß 9I verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 94 ist ebenfalls mit der Spannungsquelle am Anschluß 9I verbunden während die Basiselektrode dieses Transistors mit dem Emitter des Transistors 93 verbunden ist und der Emitter des Transistors 94 ist mit dem Endanschluß 120 des Primärwicklungsteils 121 verbunden. Zusätzlich ist der Endanschluß 120 über eine Diode 92* die ln <3er in der Zeichnung dargestellten Weise gepolt ist, mit der GIeichspannungsVersorgung am Anschluß 9I verbunden, um eine Vorspannung der Transistoren 93 und 94 in Sperrichtung zu verhindern. Der Sekundärwicklungsteil 66 ist weiterhin über die Leitung 83 und den Widerstand 95 mit dem Endanschluß 120 verbunden und dieser Widerstand beseitigt Kollektor-/Basis-Leckstromwirkungen in den Transistoren 93, 94.
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Die aus dem Transistor 99 un(2 einem weiteren Transistor 100 L^stehende Leistungsverstärkerstufe (die den Primärwicklungsteil 122 des Transformators 125 speist) ist entsprechend der Le istungsverstärkerstufe aufgebaut, die die Transistoren 93 und 94 verwendet, wobei entsprechende Elemente unter Einschluß eines Widerstandes 97, eines Anschlusses 98 und einer Diode 101 verwendet werden. Auf diese Weise werden die beiden von dem Transformator 65 erzeugten Quadratür-Sinusspannungen in den Leistungsverstärkern mit den Transistoren 95, 94 und 99, 100 stromgepuffert und den gegenüberliegenden Enden der Primärwicklung des Transformators 123 zugeführt.
Die gespaltene Sekundärwicklung 124, 125 des Transformators 123 ist bei 128 mittelangezapft und die Anzapfung 128 wird mit einem geeigneten Wechselspannungs-Bezugssignal im Hinblick auf die gewünschte Funktion des Ausgangs-Transformatorsystems gespeist. Zur Unterstützung dieses Vorganges wird das Einphasen-Wechselstromsignal, das dem Anschluß 1 zugeführt wird, außerdem über den Anschluß I50 einem Endejder geerdeten Primärwicklung I5I eines Transformators I52 zugeführt. Der Transformator I52 weist eine mittelangezapfte Sekundärwicklung , 154 auf und das äußere Ende des Sekundärwicklungsteils
ist über eine Leitung I29 mit der Mittelanzapfung 128 der Sekundärwicklung 124, 125 des Transformators 12j5 verbunden. Bei dieser Art von Verbindung liefern die vier Ausgangsanschlüsse 126, 127, 155* 156 die gewünschte dreiphasige Leistung an vier Drähten mit geerdetem Mittelpunkt.
Wenn der geerdete Anschluß 155 der Mittelleiter ist, so sind 115 V-Leistungssignale an den verbleibenden drei Anschlüssen festzustellen die Phase 0A am Anschluß I56 weist den gleichen Phasenwinkel auf, wie das Bezugssignal am Anschluß 1, die Phase 0B am Anschluß 126 weist einen Phasenwinkel von 120° bezüglich des Bezugssignals auf und die Phase 0C am Anschluß 27 weist einen Phasenwinkel von 24o° bezüglih des Bezugssignals auf. Obwohl der Anschluß I55 als Mittelanzapfung der
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Sekundärwicklung des Transformators I52 beschrieben und dargestellt ist, befindet sich der Anschluß I55 in der Praxis vom Mittelpunkt entfernt, um eine Symmetrie (bezüglich entweder der Amplitude oder Phase) zwischen den drei Ausgangsphasen 0A, 0B und 0C zu erzielen. Es sei weiterhin bemerkt, daß es nicht wesentlich ist, den Anschluß I55 zu erden, doch wenn ein nicht geerdeter neutraler Mittelanschluß verwendet wird, kann es erforderlich sein, die Bauteile 2, 3 und 5 durch Einrichtungen zu ersetzen, die das Eingangssignal an den Verstärker 39 auf Erde beziehen, beispielsweise durch die Verwendung eines Transformators oder eines Differenz-Operationsverstärkers .
Ebenfalls zu Stabilisierungs-Gegenkopplungszwecken ist der Anschluß 120 der Leistungsverstärker-Ausgangsstufe zum Eingangsanschluß 14 des Verstärkers 39 über den Verbindungspunkt 35 gegengekoppelt. Im einzelnen wird das Wechselspannungssignal am Anschluß 120 über eine Leitung 90 und einen Widerstand 52 einem Verbindungspunkt 34 zugeführt und gelangt von diesem Verbindungspunkt über eine Serienschaltung aus einem Widerstand 32 und dem Trennkondensator 33 zu den Anschlüssen 35, 14. Damit wird eine Wechselstrom-Gegenkopplung des Verstärkers 39 für Verstärkungssteuer- und Stabilisierungszwecke erzielt. Eine positive Vorspannung (beispielsweise eine Gleichspannung von +28v) kann von einem Anschluß 30 über einen Widerstand 31 zugeführt werden, wobei die Widerstände 3I und 52 in nützlicher Weise eine Vorspannung am Verbindungspunkt 34 ausbilden, so daß die Gleichspannungspegel an beiden Belägen des Kondensators 33 im wesentlichen gleich sind.
Wie dies weiter oben erläutert wurde, wird die notwendige Phasenstabilität der dreiphasigen Ausgangsleistung durch eine Auswahl von temperaturstabilen Bauteilen für das Eingangs-Phasenschiebernetzwerk sichergestellt. Eine präzise Spannungsnachführung des Eingangs-WechselstrombezugsSignaIs am Anschluß wird ebenfalls erzielt. Der Eingangs-Wechselspannungspegel wird als Bezugswert verwendet weil die Spannungsregelung der
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Luftfahrzeug-LeJsfcungsversorgung normalerweise einen ziemlich ausreichenden Wert aufweist. Um sicherzustellen, daß die Spannungsstabilität der dreiphasigen Ausgangssignale fast ausschließlich von Wechselspannungs-Eingangsänderungen an den Anschlüssen 1, I50 abhängt, sind die automatischen Verstärkungs· steuer-Gegenkopplungsschleifen, die die Bauteile 36, 37 und 32, 33 einschließen, vorgesehen. Diese Gegenkopplungsschleifen arbeiten als Gleichspannungs-r bzw. Wechselspannungs-Gegenkopplungsnetzwerke und ermöglichen eine Kompensation des Ausgangsspannungspegels sowie eine weitgehende Korrektur durch den Verstärker 39.
In Fig. 1 wird ein Schutz der Umformereinrichtung gegen Kurzschlüsse oder andere Aüsgangsstrom-Überlastungen durch einen Strombegrenzer 29 erzielt, dessen Ausgang mit dem ■Verbindungspunkt 35 und damit mit dem Eingangsanschluß 14 des Spannungsverstärkers 39 verbunden ist, dessen Verstärkung steuerbar ist. Der Steuereingang an einem Anschluß 28 des Strom-Schutzbegrenzers 29 wird an einem Anschluß II9 am Mittelpunkt der Transformator-Eingangswicklung 121, 122 abgeleitet. Dieser Mittelpunkt ist über einen Meßwiderstand 96 mit Erde verbunden. Der Begrenzer 29 dient zur Überwachung der längs des Meßwiderstandes 96 abfallenden Spannung, so daß irgendein Strom am Ausgang der Umformereinrichtung festgestellt wird, der den sicheren Betrieb dieser Umformereinrichtung überschreitet. Danach wird die Umformereinrichtung in eine sichere Betriebsoder Betriebsbereitschafts-Betriebsweise gebracht. Als Folge hiervon entnehmen die 0B- und £fc-Ausgänge an den jeweiligen Anschlüssen 126 und I27 ihre Energie im wesentlichen lediglich von dem Transformator I52. Die Umformereinrichtung verbleibt in dieser Betriebsbereitschafts-Betriebsweise bis sie nach Beseitigung der übermäßigen Belastung wieder in den ursprünglichen Betriebszustand versetzt wurde, wobei die Energie an den Anschlüssen 1 und 150 abgetrennt und dann erneut zugeführt wird.
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Im folgenden wird anhand der Fig. 2 der Strombegrenzer 29 ausführlicher betrachtet. Das normale Eingangssignal dieses Strotnbegrenzers 29 am Anschluß II9 besteht aus einer Gleichstromkomponente und dem 'zweiweg-gleichgerichteten Signal (das beispielsweise von 400 Hz abgeleitet ist), wobei diese Signale längs des Meßwiderstandes 96 erzeugt werden. Ein die Gleichspannung sperrender Serienkondensator I60 ermöglicht lediglich die Zuführung der Wechselspannungssignale an den Spannungsteiler, der aus Widerständen 161, I70 besteht, wobei der Widerstand I70 mit dem Anschluß 16 nach Fig. 1 verbunden ist. Der gleiche Anschluß 174 isttber einen Widerstand 175 und einen Verbindungspunkt 172 mit einem Eingangsanschluß eines üblichen Operationsverstärkers I66 verbunden, dessen zweiter Eingangsanschluß mit einem Verbindungspunkt 162 zwischen den Widerständen I6I, I70 verbunden ist, um von dem Trennkondensator I60 weitergeleitete Wechselspannungssignale zu empfangen.
Damit wird die am Verbindungspunkt 162 erzeugte Spannung einem Eingang des Operationsverstärkers I66 zugeführt, der in üblicher Weise geschaltet ist, damit er als Spannungsvergleicher arbeitet. Ein zweites Eingangssignal für den Spannungsvergleicher wird am Verbindungspunkt I72 von positiven Gegenkopplungs-Stromkomponenten abgeleitet, die durch die Wirkung eines Widerstandes 179 und einer Zenerdiode I78 hervorgerufen werden und an einem Ausgangsverbindungspunkt I8I auftreten. Das Steuerausgangssignal des den Verstärker I66 einschließenden Spannungsvergleichers wird über den Verbindungspunkt 175» eine Diode 176, einen Verbindungspunkt 177 und einen Widerstand I80 dem Verbindungspunkt I8I zugeführt. Eine Diode I65 ist zwischen den Verbindungspunkten 162 und 175 eingeschaltet. Die positiven Gegenkopplungselemente I65, I76, 164 und I63 dienen zur Gleichrichtung und Filterung oder Glättung des Differentialeinganges an den Eingangsanschlüssen 162 und I72 des den Verstärker einschließenden Spannungsvergleichers. Das sich hierdurch ergebende positive, einseitig gerichtete Sig-
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am Verbindungspunkt 177 wird durch die Widerstands-Kondensatorschaltung aus den Bauteilen 18O bis 182 weiter gefiltert. Der Kondensator 171 dient zur Unterdrückung von Hochfrequenzsignalen. Auf diese Weise stellt das ein geringes Rauschen aufweisende einseitig gerichtete Signal am Verbindungspunkt l8l ein zuverlässiges Maß des Strompegels dar, der an den Ausgangsanschlüssen 126, 127 nach Pig. I hervorgerufen wird und dieses Signal wird über die Zenerdiode 183 und den Widerstand 18^ dem Gegenkopplungsanschluß j55 der Umformereinrichtung zugeführt.
Wenn ein unnormaler Zustand in der von der Umformereinrichtung gespeisten Last auftritt und ein übermäßiger Strom hervorgerufen wird, steigt der Spannungspegel am Verbindungspunkt 181 entsprechend an. Wenn der von dem Meßwiderstand 96 gemessene Ausgangsstrom übermäßig groß wird, steigt die einseitig gerichtete Spannung am Verbindungspunkt I8I über einen vorgegebenen Pegel an (beispielsweise über +5,6 V) unä es erfolgt ein Durchbruch der Zenerdiode I78. Als Folge hiervon tritt ein starker Stromfluß durch den Widerstand 179 und die Diode 178 auf. Hierdurch wird der Differentialeingang an den Anschlüssen 162, 172 des den Verstärker I66 einschließenden Spannungsvergleichers stark unsymmetrisch, so daß der Ausgang dieses Spannungsvergleichers beispielsweise auf +28 V verriegelt wird. Der Verstärker 166 wirkt als ein normaler Verstärker mit einer einen Schwellwert aufweisenden positiven Gegenkopplungsverriegelung; der Verstärker I66 wirkt wie ein normaler Verstärker, bis sein Ausgangssignal einen vorgegebenen Spannungspegel überschreitet, worauf eine übermäßige positive Gegenkopplung durch den leitfähigen Zustand der Zenerdiode eine Sättigung des Ausganges des Verstärkers oder eine Verriegelung dieses Ausganges bei dem positiven Spannungsversorgungspegel (+28 V) hervorruft. Das Signal am Verbindungspunkt 181 steigt momentan über einen vorgegebenen Spannungspegel (von beispielsweise +6,2 V) an, woraus sich entsprechend
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ein Durchbrechen der Zenerdiode I83 ergibt. Dann muß ein großer Strom durch die Zenerdiode I83 und den Widerstand 184 und damit in den Verbindungspunkt 35 zum Anschluß 14 und in den Verstärker 39 nach Fig. 1 fließen. Der Ausgang des Verstärkers 39 wird auf Erdpotential gebracht, weil eine Eingangsunsymmetrie bis zum Endwert auftritt. Da dann keine Wechselstromsignale am Ausgang des Verstärkers 39 zur Verfügung stehen und der Verbindungspunkt 49 Erdpotential aufweist, sind alle darauffolgenden Stufen der Umformereinrichtung wirksam außer Betrieb vorgespannt. Damit sind alle Transistoren gegen die Störung geschützt. Lediglich durch Beseitigung der Ursache für den übermäßigen Strom durch die Last und durch Abschalten und erneutes Einschalten des zugeführten Gleichstroms an den Verstärker 166 wird die Überlast-Schutzschaltung von dem überwiegenden Schutzzustand in den normalen Betriebszustand zurückgeschaltet. Anhand der Figuren 1 und 2 ist es verständlich, daß bei üblichen Luftfahrzeuganlagen die einseitig gerichteten Speisespannungen, die in den Figuren 1 und 2 an den Anschlüssen 30, 38, 45, 51, 91, 98 und 174 zugeführt werden, normalerweise von der primären Gleichstromversorgungsquelle des Luftfahrzeuges geliefert werden. Aus Vereinfachungsgründen verwendet die Umformereinrichtung keine negative Speisespannung für die Operationsverstärker 39, I66, sondern arbeitet mit an die Verstärker-SpeiseanschlUsse angelegten +28 V und Erdpotential. Die Anschlüsse 9, 11, 14, 16, 34, 35, 43, 49 und 174 sind daher auf eine Spannung von +14 V bezüglich Erdpotential vorgespannt (Versorgungsquellen nicht gezeigt). Die Schaltung kann jedoch auch in der üblicheren Weise betrieben werden, wie dies dem Fachmann bekannt ist, wobei sowohl positive als auch negative Speisespannungen an die Verstärker 39, 166 angelegt s ind (Ϊ15 V).
Entsprechend ist zu erkennen, daß die Umformereinrichtung eine kompakte und Wirkungsvolle aktive Anordnung bildet, die es ermöglicht, Luftfahrzeuginstrumente und Steuereinrichtungen, die
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ursprünglich für einen Betrieb an dreiphasigen Luftfahrzeug-Leistungsversorgungen bestimmt sind, genauso in Verbindung mit Luftfahrzeug-Leistungsversorgungssystemen zu betreiben, die Gleichstrom sowie einphasigen Wechselstrom mit begrenzter Leistung erzeugen. Die Verwendung eines Teils der Gleichstromleistung für die Erzeugung von Quadratür-Leistungswechselströmen verringert in vorteilhafter Weise die Leis tung, die die Umformereinrichtung dem eine relativ niedrige Leistung aufweisenden Einphasengenerator entnimmt. Weiterhin können auf Grund der Verwendung des Einphasen-Leistungsausgangs des Luftfahrzeuges als Phasen- und Frequenzbezugssignal die Phasensynchronisierelemente oder abgestimmten Kreise entfallen, die bei üblichen statischen Wechselrichtern erforderlich sind, so daß die hierdurch sonst entstehenden Kosten und Nachteile hinsichtlich der Größe entfallen. Größen- und Kostenfaktoren werden weiter dadurch verringert, daß integrierte Schaltungstechniken ohne weiteres bei der Konstruktion der Umformereinrichtung verwendet werden können.
Tatsächlich ermöglicht die relativ geringe Größe, die durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Umformereinrichtung erzielt wird, die direkte Einfügung dieser Umformereinrichtung in ein Instrument oder eine Steuereinrichtung, die das dreiphasige Ausgangssignal der Umformereinrichtung verwendet. Die Umformereinrichtung verringert die Leistungsentnahme aus der eine relativ niedrige Leistung aufweisenden Einphasen-Leistungsquelle des Luftfahrzeuges dadurch, daß diese Leistung durch Gleichstromenergie ergänzt wird. Größe und Kosten werden weiterhin dadurch verringert, daß die Einphasenleistung als Bezugssignal für die Quadratursignalerzeugung und weiterhin als direkter Beitrag zu der endgültigen Dreiphasen-Leistung mit entsprechend ähnlichen Eingangs- und AusgangspegeIn verwendet wird. Die erfindungsgemäße Umformereinrichtung benötigt lediglich ein Drittel des Volumens, das für einen statischen Wechselrichter erforderlich ist, wobei die Kosten der er-
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findungsgemäßen Umformereinrichtung beispielsweise nur 15 % der Kosten eines derartigen Wechselrichters betragen.
Obwohl die Umformereinrichtung, wie sie anhand der Fig. 1 beschrieben wurde, in sich bereits eine brauchbare Einheit darstellt, wird die Zuverlässigkeit und Brauchbarkeit dieser Umformereinrichtung sehr stark erhöht, wenn zusätzlich die Schutzschaltung nach Fig. 2 verwendet wird. Die Schutzschaltung verhindert Schäden an der Umformereinrichtung, wenn aus irgendeinem Grund unbeabsichtigt ein übermäßiger Überlaststrom entnommen wird. Daher ist die Umf ormer einrichtung gegen im Normalbetrieb auftretende Fehler sowie außerdem gegen Verdrahtungsfehler geschützt, die in dem Luftfahrzeug beim anfänglichen Einbau oder bei Reparaturen entstehen können. Weiterhin schützt sich die Schutzschaltung dadurch selbst, daß die Bedienungsperson oder der Benutzer gezwungen ist, den aufgetretenen Fehler zu beseitigen bevor das System erneut in den normalen Betriebszustand zurückversetzt werden kann.
Die beschriebene Ausführungsform ergibt daher eine wirkungsvolle und kompakte Anordnung, die es ermöglicht, daß Luftfahrzeug-Instrumenten- und Steuersysteme, die ursprünglich für einen Betrieb hauptsächlich an dreiphasigen Leistungsversorgungen bestimmt sind, in einwandfreier und sicherer V/eise an Luftfahrzeug-Leistungsversorgungen betrieben werden können, die eine erhebliche Gleichstromleistung, jedoch nur eine begrenzte Leistung an Einphasen-Wechselstrom liefern.
Obwohl in dem beschriebenen AusfUhrungsbeispiel das Phasen-Ausgangssignal 0A von der Sekundärwicklung 155 des Transformators I52 abgenommen wird, kann dieses Signal direkt von der Primärwicklung I5I dieses Transformators abgenommen werden, wenn die durch die Sekundärwicklung erzielte Isolations- und Trennwirkung nicht benötigt wird.
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Claims (16)

  1. Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wai lach DipL-lng. Günther Koch H79 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach
    DipL-lng. Rainer Feld kam ρ
    D-8000 RIüttGfien 2 - Kaufirtgersfraße 3 - Telefon (0 89) 24 02 75 - Telex 5 29 513 wakai d
    Datum: 16. März 1978
    EJttser Zeichen: \& I89 - Fk/Ne
    atentansprliche
    C l.lLMTfefaiiFzeiuig-Bordnefcz-iriiforinierelnriGhtttng zum gleichzeitigem Jlnsenluß an eine Einphasen-Wechselstrom-Leistungsversorgiongselnriahtung und eine Gleichstram-Leistungsversorgungseinrichtung an Bord eines Luftfahrzeuges zur Erzeugung eines Breiphasen-Wechselstromes mit erheblich größerer Leistung als der Leistung der Einphasen-Wechselstromleistungsversorgungs-Einriahtungen des Luftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß Metzwerkeinrichtungen (3, 5* δ, 8, 10, 13) zum Yerschieben der Phase des Einphasen-Mechselstroraes um im wesentlichen 90° ^d erste Yerstärkereinrichtungen (39) vorgesehen sind, die einen Eingang (14) aufweisen, der mit den Netzwerkeinrichtungen (3* 5* 6, 8, 10, 13) gekoppelt ist, daß Gegentaktleistungs- ^erstärkereinrichtungen (92, 93, 99, 100) mit den ersten ¥erstärkereinrichtungen (39) gekoppelt sind, daS ein erster Transformator (123) mit einer ersten Primärwicklung (121, 122) und einer ersten Sekundärwicklung (124, I25) vorgesehen ist, daß die erste Primärwicklung (121, 122) mit den Gegentakt-Leistungsverstärkereinrichtungen (92, 93, 99, IQO) gekoppelt ist, daß die erste Sekundärwicklung (124, 125) eine erste Anzapfung (128) aufweist, die den Mittelpunkt der ersten Sekundärwicklung darstellt, daß ein zweiter Transformator (152) mit einer zweiten Primärwicklung (151) und einer zweiten Sekundärwicklung (153* 154) vorgesehen ist, daß die zweite Primärwicklung (I5I) auf den
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    Einphasen-Wechselstrom anspricht, daß die erste Anzapfung (128) mit einem ersten Ende (153) der zweiten Sekundärwicklung (153» 152O gekoppelt ist, daß der zweite Transformator (I52) Mittelleiter-Äusgangskopplungseinrichtungen sowie ein Ausgangssignal mit einer ersten Phase liefert, daß ein erstes Ende (124) der ersten Sekundärwicklung (124, 125) ein Ausgangssignal mit einer zweiten Phase liefert, und daß ein zweites Ende (125)der ersten Sekundärwicklung (124, 125) ein Ausgangssignal mit einer dritten Phase liefert.
  2. 2. Umformer einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sekundärwicklung (153, 154) eine zweite Anzapfung (155), die die Mittelleiter-Äusgangskopplungseinrichtungen bildet, und ein zweites Ende aufweist, das das Ausgangssignal mit der ersten Phase liefert.
  3. 3· Uniformere inr ichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal mit der ersten Phase direkt von der zweiten Primärwicklung (I51) des zweiten Transformators (152) abgeleitet wird.
  4. 4. Umformereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Transformatoren (I25, 152) so angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind, daß bezüglich der Phase des einphasigen Wechselstromes der Phasenwinkel des Äusgangssignals mit der ersten Phase im wesentlichen 0° beträgt, während der Phasenwinkel des Ausgangssignals mit der zweiten Phase im wesentlichen 120° beträgt und der Phasenwinkel des Ausgangssignals mit der dritten Phase im wesentlichen 240° beträgt.
  5. 5. Umformere inr ichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch erste Gegenkopplungseinrichtungen (36), die auf die ersten Verstärkereinrich-
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    tungen (39) ansprechen, um zusätzlich ein Gleichstromverstärkungs-Steuersignal dem Eingang (14) der ersten Verstärkereinrichtung (39) zuzuführen.
  6. 6. Umformereinrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß induktive Isolationseinrichtungen (65) zur Auskopplung lediglich eines Viechseistromes von den ersten Verstärkereinrichtungen (39) zu den Gegentakt-Leistungsverstärkereinrichtungen (92, 94, 99, 100) vorgesehen sind.
  7. 7. Umformereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Gegenkopplungseinrichtungen (32, 33) vorgesehen sind, die auf die Gegentakt-Leistungsverstärkereinrichtungen (92, 93, 99, 100) ansprechen und zusätzlich ein Wechselstrom-Verstärkungssteuersignal dem Eingang (14) der ersten Verstärkereinrichtungen (39) zuführen.
  8. 8. Umformereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die ersten Verstärkereinrichtungen (39) und die Gegentakt-Leistungsverstärkereinrichtungen (92, 93, 99, 100) durch die Gleichstrom-Leistungsversorgungseinrichtungen des Luftfahrzeuges mit Energie versorgt werden können.
  9. 9. Umformereinrichtung nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Isolationseinrichtungen (65) und die Gegentakt-Leistungsverstärkereinrichtungen (92, 93, 99, 100) zusammenwirken, um um l80° verschobene Ausführungen des um 90° phasenverschobenen AusgangsSignaIs der Netzwerkeinrichtungen (3, 5, 6, 8, 10, 13) an die Enden der ersten Primärwicklung (121, 122) zu liefern.
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  10. 10. Umformereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die erste Primärwicklung (121, 122) des ersten Transformators (123) eine Mittelanzapfung (119) aufweist, daß Impedanzelemente (96) mit der Mittelanzapfung (II9) der ersten Primärwicklung (121, 122) gekoppelt sind, um den Pegel der dreiphasigen Ausgangsströme bezüglich eines vorgegebenen sicheren Wertes zu messen, daß Begrenzereinrichtungen (29) auf die Impedanzelemente (96) ansprechen, um ein Steuersignal nur dann zu erzeugen, wenn der vorgegebene sichere Wert überschritten ist und daß der Eingang (14) der ersten Verstärkereinrichtung (39) dann auf das Steuersignal der Begrenzereinrichtungen (29) durch Verringerung des AusgangsSignaIs der ersten Verstärkereinrichtungen (39) im wesentlichen auf 0 anspricht.
  11. 11. Umformereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzereinrichtungen (29) mit der Mittelanzapfung (II9) an den Impedanzelementen (96) gekoppelte kapazitive Sperreinrichtungen (I60), Spannungsteilerelemente (161, 170), die eine Mittelanzapfung (162) aufweisen und mit einem Anschluß an die kapazitiven Sperrelemente (160) angekoppelt sind, eine Gleichspannungsquelle (172O, die mit den Spannungsteilerelementen (161, 170) an dem den kapazitiven Sperrelementen (I60) gegenüberliegenden Anschluß gekoppelt sind, Spannungsvergleichereinrichtungen (166) .mit ersten (162) und zweiten (17~2) Eingangsanschlüssen, die jeweils auf Signale an der Mittelanzapfung (162) der Spannungsteilerelemente (I6I, I70) bzw. auf die Gleichspannungsquelle (17^) ansprechen, und mit einem Ausgangsanschluß (I75)f und erste nichtlineare Schaltungselemente (178, 179) zur Ankopplung des Ausgangsanschlusses (175) der Spannungsvergleichereinrichtungen an den zweiten Signaleingangsanschluß (172) umfassen.
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  12. 12. Uniformere inrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten nichtlinearen Schaltungselemente (178, 179) eine Serienschaltung aus einer Diode (178) und einem Widerstand (179) einschließen.
  13. 15· Uniformere inrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zweite nichtlineare Schaltungselemente (I76, I63, 164) vorgesehen sind, die mit dem ersten Eingangsansehluß (162) der Spannungsvergleichereinrichtungen und zwischen dem Ausgangsanschluß (175) dieser Spannungsvergleichereinrichtungen und den ersten nichtlinearen Schaltungselementen (178, 179) angekoppelt sind.
  14. 14. Umformereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten niehtlinearen Schaltungselemente (176, 163, 164) eine Serienschaltung aus einer Diode (176) und einem Widerstand (164) einschließen.
  15. 15· Umformereinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß gleichrichtende positive Rückführungs-Kopplungselemente (I65) zum Koppeln des Ausgangsanschlusses (175) der Spannungsvergleichereinrichtungen mit dem ersten Eingang (162) dieser Spannungsvergleichereinriehtungen Vorgesehen sind.
  16. 16. Umformereinrichtung nach einem der Ansprüche l6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (178, 179) und zweiten (I76, I63, 164) niehtlinearen Schaltungselemente so angeordnet sind und zusammenwirken, daß eine übermäßige Spannung, die längs der Impedanzelemente (96) gemessen wird, einen Durchbruch der zweiten niehtlinearen Schaltungselemente (I76, 163» 164) hervorruft, wodurch der Eingang der Spannungsvergleichereinrichtungen (166, 178, 179) unsymmetrisch wird und entsprechend ein Durchbruch der ersten niehtlinearen Schaltungselemente (178, 179) hervorgerufen wird, worauf der Ausgang der ersten Verstärkereinrichtungen (39) im wesentlichen auf
    O verringert wird, um die UniformereInrichtung vor Schaden zu schützen.
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