DE2815204A1 - Einrichtung zur erzeugung einer wechselspannung - Google Patents

Einrichtung zur erzeugung einer wechselspannung

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Jean Barot
Jean-Rene Massoubre
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Description

Einrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung V0 mit einstellbarer konstanter Frequenz fQ und mit einstellbarer konstanter Amplitude an den Klemmen einer Last, ausgehend von einer (Dreh-)Welle, die mit einer im allgemeinen veränderlichen Drehzahl angetrieben ist.
Ein nicht ausschließlicher Anwendungsbereich derartiger Generatoreinrichtungen ist die elektrische Versorgung von Bordausrüstungen eines Luftfahrzeugs, ausgehend von der Welle eines Antriebsmotors (eines Reaktionsmotors oder eines anderen) dieses Luftfahrzeugs,
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wobei die jeweiligen Ausrüstungen beispielsweise Radargeräte sein können, die ständig mit einer Spannung konstanter Frequenz versorgt werden müssen, oder auch Motore von Pumpen oder Lüftern, d. h. Geräte, die ständig während des Anhaltens mit ihrer normalen Betriebsdrehzahl oder -geschwindigkeit angetrieben werden müssen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine derartige Generator- oder Erzeugereinrichtung so auszubilden, daß keine mechanisch gleitenden oder schlupfenden Glieder vorgesehen sind und sie insbesondere neuartig und zuverlässig ist.
Die erfindungsgemäße Generator- oder Erzeugereinrichtung weist auf einen Wechselstromgenerator der Frequenz f^ die wesentlich größer als die Frequenz f.^ ist, dessen induzierender Rotor durch die (Dreh-)Welle in Drehung gesetzt ist und elektrisch durch eine Gleichspannung U erregt ist,, die ausgehend von einem Spannungsregler erreicht ist, der seinerseits auf die Spannung VQ gesteuert oder geregelt ißt, sowie eine Einrichtung zur Erfassung der Ausgangswechselspannung V1 der Frequenz f^, die an den Klemmen des induzierten Stators des Wechselstromgenerators empfangen ist, um die Spannung VQ an den Klemmen der Last zu erzeugen bzw. zu erreichen, wobei diese Einrichtung an ihrem abstromseitigen Ende ein Filter aufweist, das lediglich die Frequenz fQ hindurchtreten läßt.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Spannung VQ darüber hinaus aufweist an ihrem stromaufseitigen Ende eine Untersetzungseinrichtung, die von .der Spannung V-versorgt ist und die die Amplitude dieser Spannung in einen Bruchteil dieser Amplitude untersetzen kann, deren vorgegebener Wert zwischen η Werten gewählt werden kann,
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wobei der größte dieser Werte gleich Eins ist, sowie eine Gruppe von steuerbaren Gleichrichtern, die so angeordnet sind, daß sie entweder die positiven Halbwellen und die invertierten negativen Halbwellen, die an sie von der Untersetzungseinrichtung stammend angelegt sind, oder die negativen Halbwellen und die invertierten positiven Halbwellen übertragen, wobei der Ausgang dieser steuerbaren Gleichrichter schließlich mit dem Filter verbunden ist, sowie eine Rechen- und Steuer- bzw. Regeleinrichtung, um in jedem Augenblick abhängig von einer Bezugsspannung RQ der Frequenz fQ und der Spannung V1 die Untersetzungseinrichtung und die steuerbaren Gleichrichter zu selektionieren oder auszuwählen, die zu diesem Augenblick wirksam oder in Betrieb gehalten sind, um an den Klemmen der Last" die Spannung VQ zu bilden.
Für bevorzugte Ausführungsbeispiele kann die eine oder die andere der folgenden Weiterbildungen verwendet werden:
Die Frequenz f.. liegt zwischen dem Vier- und Fünfzehnfachen der Frequenz f_j
die Frequenz f beträgt 1IOO Hz;
der induzierte Stator des Wechselstromgenerators ist einphasig und die Untersetzungseinrichtung der Spannung ist durch einen zusammengesetzten Transformator gebildet, dessen Primärseite η zu den Klemmen des induzierten Stators parallel angeordnete Wicklungen aufweist, die jeweils mit einem elektronischen Umschalter reihengeschaltet sind, wobei vorzugsweise gilt η = 6, und dessen Sekundärseite eine Mittelpunktsanzapfung besitzt, wobei vier steuerbare Gleichrichter zwischen der Sekundärseite
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und dem Filter angeordnet sind und wobei die Rechen- und Steuereinrichtung so angeordnet ist, daß sie einerseits selektiv die η Umschalter so betätigt, daß in der Sekundärseite des zusammengesetzten Transformators eine Spannung der Frequenz f^ erzeugt wird, die mit der Frequenz fQ moduliert ist oder genauer ausgedrückt eine Folge von Spanriungsimpulsen, die einander mit der Taktfrequenz f^ folgen, eine Folge deren Hülle eine Kurve ist, die mit der Frequenz fQ wellenförmig und vorzugsweise sinusförmig •ist» und andererseits zwei der steuerbaren Gleichrichter leitfähig ' hält und die beiden anderen , sperr.t Während der positiven Halbwellen der Spannung RQ und andererseits die entgegengesetzten Steuerungen sicher- »teilt während der negativen Halbwellen der Spannung RQj
bei einer Erzeugereinrichtung der vorstehenden Art sind die elektronischen Umschalter durch Zweiweggleichrichter gebildet;
bei einer Erzeugereinrichtung der im vorletzten Absatz erläuterten Art sind die elektronischen Umschalter jeweils durch eine Gruppe von antiparallel geschalteten Gleichrichtern gebildet;
eine Anzahl m von Elementargeneratoren von Einphasenspannung der Art, wie sie in zumindest einem der letzten drei Absätze erläutert ist, oder Teile derartiger Elementargeneratoren sind so miteinander kombiniert, daß eine mehrphasige Spannung mit m Phasen erzeugt wird, wobei die Bezugsspannungen RQ der Frequenz fQ jeweils für diese m Elementargeneratoren erzeugt sind und gegeneinander um 2 ItVm phasenverschoben sind;
d&r induzierte Stator des Wechselstromgenerators ist als Spule mit an Masse gelegter Mittelpunltsanzapfung ausgebildet und die Untersetzungseinrichtung der Spannung
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ist durch eine Anordnung von 2 η Anzapfungen gebildet, die längs dieses Stators verteilt sind, wobei vorzugsweise gilt η = 3j wobei diese Anzapfungen symmetrisch gegenüber der Mittelpunktanzapfung verteilt sind, wobei die Gleichrichter durch η Untergruppen von vier gesteuerten Gleichrichtern gebildet sind, die jeweils mit einem Anzapfungspaar verbunden sind, das durch zwei symmetrische Anzapfungen gebildet ist,und wobei die Rechen- und Steuereinrichtung so vorgesehen ist, daß die Leitzustände der verschiedenen steuerbaren Gleichrichter gesteuert werden;
um eine mehrphasige Wechselspannung mit m Phasen zu erreichen, ist jedes der η Anzapfungspaare einer Erzeugereinrichtung gemäß dem vorstehenden Absatz mit m Untergruppen von vier steuerbaren Gleichrichtern verbunden, die ihrerseits alle in der erwähnten Weise gesteuert sind, jedoch ausgehend von Bezugsspannungen RQ, die jeweils gegeneinander um 2 IC /m phasenverschoben sind, und wobei die m jedem Anzapfungspaar zugeordneten Untergruppen so angeordnet sind, daß sie jeweils die m Lasten und m Filter eines mehrphasigen Empfängers oder Verbrauchers mit m Phasen versorgen;
um eine mehrphasige Wechselspannung mit m Phasen zu erhalten, weist der induzierte Stator des Wechselrichters, der von einer Erzeugereinrichtung gemäß dem vorletzten Absatz enthalten ist, m Wicklungen mit an Masse gelegter Mittelpunkfcsanzapfung auf, die gegeneinander um Winkel von 2 TC/m um die Achse des Wechselrichters versetzt sind und die jeweils mit η Anzapfungspaaren versehen sind, wobei die Anordnung der 2 η Anzapfungspaare jeder der m Wicklungen in einer wie oben erläuterten Weise einer Gruppe aus 4 η steuerbaren Gleichrichtern zugeordnet ist, wobei jede der m Gruppen in der bereits erläuterten Weise gesteuert ist mittels Recheneinrichtungen, die jeweils den m Gruppen angepaßt sind und zu diesem Zweck durch Bezugsspannungen gesteuert oder geregelt sind, die jeweils
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um 2iT/m gegeneinander phasenverschoben sind, und durch jeweils an den m Wicklungen abgenommene oder abgezapfte Spannungen gesteuert oder geregelt sind, wobei diese m Gruppen so angeordnet sind, daß sie die m Lasten und m Filter eines mehrphasigen Empfängers oder Verbrauchers mit m Phasen versorgen.
Bei der erfindungsgemäßen Generator- oder Erzeugereinrichtung sind diese Weiterbildungen nicht nur einzeln, sondern auch nebeneinander verwendbar, wie das im folgenden näher erläutert werden wird.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschema eines ersten Ausführungsbeispiels eines Spannungsgenerators gemäß der Erfindung,
Fig. 2-4 Signalverläufe der Spannung V'o, die am gleichen vorgegebenen Punkt dieses ersten Spannungsgenerators erzeugbar sind, nämlich an den Klemmen der Anordnung aus Last und Filter abhängig davon, ob die Frequenz f1 ein genaues Mehrfaches (Fig. 2) oder nicht (Fig. 3, k) der Frequenz fQ ist,
Fig. 5 den Signalverlauf der Steuerspannung, der
die Spannung Vf 0 abgebenden gesteuerten Gleichrichter,
Fig. 6 das Prinzipschema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Spannungsgenerators gemäß der Erfindung,
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Pig. 7 den Verlauf der Spannung der Frequenz f^, der zwischen zwei Anzapfungen des Stators des Wechselstromgenerators erhältlich ist, der in dem zweiten Spannungsgenerator enthalten ist,
Pig. 8,9 den Verlauf der Spannung V'q» der an den
Klemmen der Anordnung aus Last und Filter . 'des zweiten Spannungsgenerators erzeugt ist für Werte der Frequenz f^ von 5 fQ bzw. 7» 5 fQ.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Spannungsgenerator ist dazu bestimmt, an den Klemmen einer Last 1 eine einphasige elektrische Wechselspannung VQ mit regelbarer oder einstellbarer konstanter Frequenz fQ und mit regelbarer oder einstellbarer konstanter Amplitude vQ zu erzeugen, ausgehend von einer Welle 2, die mit einer Drehzahl N gedreht oder angetrieben ist.
Die .Welle 2 treibt den induzierenden Rotor 3 eines Wechselstromgenerators ^ an, dessen Frequenz f- sehr viel höher als die Frequenz f_ ist.
Der induzierte Stator 5 dieses Wechselstromgenerators T'let einphasig und mit der Last 1 nacheinander über die folgenden Bauteile verbunden:
eine Folge aus η elektronischen Umschaltern 6Λ bis 6 ,
in
deren Art und Ansteuerung weiter unten näher erläutert wird, η Primärwicklungen bis 7n eines zusammengesetzten
Transformators 8, die parallel zueinander angeordnet und
jeweils mit einem der Umschalter 6* bis 6 verbunden sind, eine Sekundärwicklung 9 mit Mittelpunktsanzapfung P
des Transformators 8,
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eine Anordnung aus vier geregelten oder gesteuerten
Gleichrichtern 10, 10^, H» H^ die in einer weiter unten näher erläuterten Weise betätigt sind, und
ein Filter 12, das so ausgewählt ist, daß es nur die
Frequenz fQ hindurchtreten läßt.
Die an den Klemmen des Induktors bzw. des induzierenden Rotors 3 anliegende Erregungsspannung U ist eine Gleichspannung, die sich im gleichen Sinne ändert wie die Amplitude Vq.
Diese Erregungsspannung U kann in jeder beliebigen oder geeigneten Weise erzeugt sein und direkt an die Klemmen
des sich drehenden Induktors bzw. des induzierenden Rotors 3 anliegen über insbesondere sich drehende Kontaktbürsten.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch diese Erregungsspannung U durch einen Erreger 13 erzeugt, dessen feste induzierende Wicklung 14 das Ausgangssignal eines
Spannungsreglers 15 empfängt, der seinerseits vom Ausgangssignal eines Spannungsdetektors 16 versorgt ist, der an
den Klemmen der Last 1 angeschlossen ist bzw. abzweigt.
Ein Dreiphäseninduktor 17 des Erregers 13 wird durch
die Welle 2 gedreht wie der Induktor oder Rotor..·' 3 und
versorgt letzteren über drei Gleichrichter 18, die auf
der sich drehenden Anordnung 3» 17 befestigt sind.
Die an den Klemmen des induzierten Stators 5 erzeugte einphasige Wechselspannung V1 der Frequenz f^ des Wechselstromgenerators 4 liegt in der Form einer Folge von Impulsen vor, die abwechselnd positiv und negativ sind und identische Amplitude besitzen, wobei die Impulse gleichen Vorzeichens mit der Taktfrequenz f^ aufeinanderfolgen.
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Aus dieser Impulsfolge wird gemäß der Erfindung eine sinusförmige oder im wesentlichen sinusförmige Spannung erzeugt mit der relativ niedrigen Frequenz fQ.
Dazu werden verwendet
ein Oszillator 19» der eine Bezugsspannung RQ mit konstanter Frequenz fQ abgibt und
ein Rechner 20, der die Leitzustände der Umschalter 6. bis 6 steuert.
Diese Umschalter 6^ bis 6 sind ihrerseits so gewählt, daß sie schließen und damit leitend werden während des Darananliegens eines Spannungsimpulses und sich von neuem Öffnen und damit nichtleitend oder sperrend werden während der anschließenden Nullrückstellung des Impulses..
Derartige Umschalter 6^ bis 6 können durch gesteuerte Zweiweggleichrichter gebildet sein oder durch Gruppen aus zwei antiparallel geschalteten gesteuerten Gleichrichtern oder auf jede andere erwünschte Weise.
Die Bedeutung derartiger statischer Umschaltungen, die unter derartigen Bedingungen durchgeführt sind, ergibt sich daraus, daß die Zustandsänderungen (öffnen oder Schließen) der Umschalter 6* bis 6 während de3 Nulldurchgang3 der an sie angelegten Spannungen die magnetischen und elektrischen Störungen beseitigen, die durch Umschaltungen mit Erzeugung radioelektrischer oder hochfrequenter Parasitär- oder Störeffekte im allgemeinen entstehen.
Die Primärwicklungen 7^ bis 7n sind so angeordnet, daß deren jeweilige durch identische Impulse erreichte Durchgänge sich in der Erzeugung an den Klemmen der Sekundärwicklung 9 von Impulsen unterschiedlicher Amplitude zeigen, wobei letztere sich allmählich immer mehr linear ändern oder vorzugsweise gemäß einem Gesetz» da3 den ver-
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schiedenen Sinuswerten der Winkel entspricht, die gleichmäßig von O bis 90° steigen.
Auf diese Weise können beim schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel, für das gilt η = 6, die Primärwicklungen 7^ bis 7g derart gewählt werden, daß die Amplituden der in der Sekundärwicklung 9 durch identische Spannungsimpulse, die an den Primärwicklungen 7^ bis 7g angelegt sind, induzierten Spannungsimpulse proportional sind dem Sinus der sechs Winkel 15°, 30°, 45°, 6O°, 75° bzw. 90°.
Um die gewünschte Spannung der Frequenz fQ ausgehend vom Entstehen einer positiven Halbwelle der Spannung Rn wieder_zu.J)ilden mit Hilfe der genannten Folge von Impulsen V1 wird wie folgt vorgegangen.
Zu Beginn wird der Umschalter 6^ geschlossen, der der Primärwicklung 7* mit der größten Anzahl von Windungen entspricht, d. h. die an den Klemmen der Sekundärwicklung 9 Impulse J1 mit minimaler Amplitude a1 erzeugen kann, wenn ein Impuls k der Impulsfolge V1 daran angelegt ist. Ein derartiger Impuls J1 wird nun in der Sekundärwxcklung 9 erzeugt, sobald der erste Impuls k der Impulsfolge V1 an diese Primärwicklung 7* angelegt ist.
Bei jedem folgenden Augenblick, der jeweils dem Beginn eines folgenden Impulses k entspricht, der das gleiche Vorzeichen wie der erste der betrachteten Impulsfolge besitzt, d. h. Augenblicke, die voneinander um eine Zeit von IZf1 s getrennt sind, vergleicht der Rechner 20 die Amplitude r der Spannung Rn und die Amplituden a. der Impulse
υ ist ■*·
j j (wobei Index i ganzzahlig/und zwischen 1 und η liegt), die in der Sekundärwxcklung 9 durch die verschiedenen Primärwicklungen 7i erzeugt werden.
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Abhängig vom Ergebnis dieses Vergleiches, der zu jedem dieser Zeitpunkte oder Augenblicke durchgeführt wird, steuert der Rechner 20 das Schließen des mit der Primärwicklung 7^ verbundenen Umschalters 6., für den die Amplitude a. der Amplitude r am nächsten ist oder der Amplitude r am nächst niedrigsten liegt oder auch der Amplitude r am nächst höchsten liegt.
Zuvor wird die Anzahl η derart bestimmt, daß für einen gut bestimmten Wert der Frequenz f., beispielsweise für den kleinsten der ins Auge gefaßten Werte die Umschalter 6· der Reihe nach geschlossen werden zunächst in ansteigender Folge ihrer Indizes entsprechend ansteigender Amplituden a. und dann in absteigender oder abnehmender Folge ihrer Indizes während des Nacheinanderauftretens verschiedener Impulse k gleichen Vorzeichens der Signalfolge V1 für die Reihe oder Folge dieser Umschalter 6* bis 6g.
Die Anordnung ist so getroffen, daß jeder Umschalter 6- während der Dauer zweier aufeinanderfolgender Impulse k unterschiedlichen bzw. entgegengesetzten Vorzeichens geschlossen bleibt, die den beiden aufeinanderfolgenden Halbwellen der Spannung V1 entsprechen.
Die Spannung der Frequenz ^f1 mit mit der Frequenz fQ modulierter Amplitude, die so an den Klemmen der Sekundärwicklung 9 wiedergebildet ist, wird anschließend mit der Taktfrequenz f_ gleichgerichtet durch eine vom Oszillator ausgehende Steuerung, die in Fig. 1 durch den Pfeil 21 echematisch dargestellt ist und durch Rechteckimpulse c und d gemäß Fig. 5» wobei diese Steuerung den vier steuerbaren Gleichrichtern 10, 1O1, 11, H1 zugeführt ist, die auf diese Weise abwechselnd in Zweiergruppen mit der Frequenz fQ an-
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gesteuert werden, d. h. gesperrt oder durchgeschaltet werden (nämlich entweder 10 und 10.. oder 11 und 11-,).
Die Fig. 2 bis 4 zeigen jeweils den Verlauf der so gleichgerichteten Spannung V' , die an den Klemmen der Anordnung aus der Last 1 und dem Filter 12 angelegt ist, wobei die an die Last 1 angelegte Spannung V„ die Hüllkurve der Frequenz fQ der gleichgerichteten Spannung V' ist.
In den Fig. 2 bis 1I sind mit Vollinien die oben erwähnten Impulse j . dargestellt, die,so wie sie sind, die Gleichrichter 10 und 11 durchlaufen, und sind mit Strichpunktlinien die daran anstoßend zwischen den vorstehenden zwischengeschachtelten Impulse dargestellt, die den Impulsen k der Impulsfolge V^ mit einem Vorzeichen entsprechen, das denjenigen entgegengesetzt ist, die diese Impulse j· erzeugt haben, wobei die zwischengeschachtelten Impulse die Gleichrichter 10- und 11., durchlaufen und wobei jeder davon eine Amplitude besitzt, die derjenigen des Impulses j. identisch ist, der unmittelbar vorausgeht.
Im Fall der Fig. 2 ist die Frequenz f^ genau das Elffache der Frequenz fQ, gilt η = 6 und ist die Wiederbildung jeder Halbwelle der Frequenz fQ durch aufeinanderfolgendes Schließen der sechs Umschalter 6^ bis 6g in ansteigender Folge ihrer Indizes und dann von neuem der Umschalter 6,- bis 6^ in abfallender Folge ihrer Indizes erreicht, wobei jeder Umschalter 6^ bis 6n vor dem Schließen des folgenden wieder geöffnet wird.
Wenn die Frequenz f^, die proportional der Drehzahl N der Welle 2 ist, nicht ein genaues Vielfaches der Frequenz f_
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ist, wird die genannte Schließfolge nicht mehr eingehalten.
So ist beim in Fig. 3 dargestellten Fall die Frequenz f^ kleiner als 11 fQ, wobei in diesem Fall zumindest eine der Primärwicklungen 7n· außer Betrieb gesetzt ist.
Beim dargestellten Beispiel wird die Primärwicklung 7-. außer Betrieb gesetzt und die einer derartigen Außerbetriebsetzung entsprechende Folge wird automatisch vom Rechner 20 abgegeben, wenn das Ende des zweiten Impulses j-,vervollständigt durch den zwischengeschachtelten nachfolgenden Impuls, der während der Halbwelle der betrachteten Frequenz fQ erzeugt ist, zu einem Augenblick oder Zeitpunkt auftritt, der dem Ende dieser Halbwelle um eine Zeit vorausgeht, die kleiner als 1/f^ s, d. h. kleiner als die Dauer zweier Impulse k ist.
Beim in Fig. k dargestellten entgegengesetzten Fall, bei dem die Frequenz f. größer als 11 fQ ist, ergeben die von dem Rechner 20 durchgeführten Vergleiche eine Wiederholung des Schließens zumindest eines der Umschalter 6., nämlich des Umschalters 6^ beim dargestellten Ausführungsbeispiel, bevor zur folgenden Steuerung des Schließens der Umschalter übergegangen wird.
In Fig. 1 ist weiter ein Hilfswechselstromgenerator 22 dargestellt, dessen Magnetrotor 23 drehfest mit der Welle 2 ist und dessen mehrphasiger induzierter Stator 24 nach Gleich richtung mittels einer Brücke 25 eine Gleichspannung erzeugt, die die Versorgung der verschiedenen erwähnten Bauteile 15, 19, 20 ermöglicht.
Weiter ist in Fig. 1 durch einen Pfeil 26 schematisch eine Voreinstellung der Spannung dargestellt durch direktes Anlegen der an den Klemmen des induzierten Stators 5 des
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Wechselstromgenerators 4 abgenommenen Spannung V1 an den Spannungsregler 15» wodurch eine kurze Rückkopplungsschleife geschaffen wird, die eine Grobregelung erreicht und deren Ansprechzeit verringert, insbesondere während Änderungen der Drehzahl N der Welle 2.
Weiter stellt ein Pfeil 27 in Fig. 1 eine mögliche Einwirkung des Ausgangssignals des Spannungsdetektors 16 auf den Rechner 20 derart dar, daß dadurch das Schließen von Umschaltern 6· begünstigt wird, die höheren Indizes entsprechen, d. h. dem Induzieren von Impulsen in der Sekundärwicklung 9* deren Amplituden höher sind, wenn die erfaßte Amplitude vQ der Spannung VQ schwächer wird und umgekehrt.
Eine derart ausgebildete Einrichtung ermöglicht es, ständig an den Klemmen der Last 1 eine Spannung VQ zu erzeugen, deren Frequenz fQ durch den Oszillator 19 vorgegeben ist und deren Amplitude ν vom Sollwert abhängt, der dem Spannungsregler 15 vorgegeben ist.
Bei einem lediglich beispielhaft zu verstehenden bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Frequenz fQ ^100 Hz und die veränderbare oder nicht veränderbare Frequenz f^ liegt im allgemeinen zwischen dem 4- und 15-fachen der Frequenz fQ, d. h. zwischen 1600 und 6000 Hz.
Die Drehzahl N der Antriebswelle 2 liegt im allgemeinen zwischen 6 000 und 60 000 l/min oder auch darüber.
Die Anzahl der Polpaare des Wechselstromgenerators kann ihrerseits auf jede gewünschte Art gewählt werden: So entspricht, wenn diese Anzahl 8 beträgt, eine Drehzahl N von 12 000 l/min einer Frequenz f^ von 1 600 Hz und wenn die Anzahl 4 beträgt, eine Drehzahl von 36 000 l/min einer Frequenz f1 von 2 400 Hz.
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Die Amplitude v_ liegt ihrerseits im allgemeinen zwischen 26 und 200 V.
Mehrere Elementar-Generator- oder -Erzeugereinrichtungen dieser Art, die eine einphasige elektrische Spannung erzeugen oder mehrere Teile derartiger Einrichtungen können so miteinander kombiniert werden, daß ein zusammengesetzter Generator für zweiphasige, dreiphasige oder ganz allgemein mehrphasige elektrische Spannungen gebildet wird.
D. h., daß, wenn die Anzahl der Phasen m beträgt, m Elementar-Generatoreinrichtungen kombiniert werden können, deren Oszillatoren 19 jeweils elektrische Bezugsspannungen abgeben, die untereinander nacheinander um einen Winkel von 2 IZ /m phasenverschoben sind.
Die sich drehenden Induktoren oder induzierenden Rotoren 3 die ser · m Einrichtungen können auf der gleichen Welle 2 befestigt sein oder können durch verschiedene getrennte Wellen angetrieben sein, die mit der gleichen Drehzahl angeregt sind, wobei selbstverständlich jedem verschiedenen induzierenden Rotor 3 ein getrennter induzierter Stator 5 entspricht.
Gemäß einer Weiterbildung wird ein einziger Wechselstromgenerator 4 verwendet und werden parallel zwischen dem induzierten Stator 5 dieses Wechselstromgenerators h und einer mehrphasigen Empfängereinrichtung, die von m Lasten 1 und m Filtern 12 gebildet ist, m Anordnungen angeschlossen oder abgezweigt, die jeweils aus Bauteilen 6 bis 11, wie sie erläutert worden sind, zusammengesetzt sind, wobei jede dieser letzteren Anordnungen einem Rechner 20 oder einem Rechenelement zugeordnet ist, der bzw. das seinerseits von einem besonderen Oszillator 19 gesteuert ist, wobei die Bezugsfrequenzen fQ, die von den m Oszilla-
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toren 19 vorgegeben sind, untereinander um 2 Jc /m phasenverschoben sind.
Bei derartigen Generatorgruppen können die den m Phasen entsprechenden Spannungen unabhängig voneinander geregelt oder gesteuert werden durch Einwirken auf die entsprechenden Spannungsregler 15, wodurch eine höhere Anpassungsfähigkeit erreichbar ist.
Wenn die Bezugsfrequenz fQ, die durch den Oszillator eines Elementar-Generators der beschriebenen Art definiert ist, konstant ist, erzeugt der Generator bzw. die Generatoreinrichtung an den Klemmen der Last 1 eine Spannung konstanter Frequenz f0 und dies unabhängig von der Drehzahl N der Antriebswelle 2, die stark veränderlich sein kann, wobei das "Verhältnis zwischen den extremen Werten dieser Drehzahl im allgemeinen zwischen 2 und 3 liegt.
Es kann jedoch auch, unabhängig davon, ob die Drehzahl N veränderlich ist oder nicht, die Bezugsfrequenz fQ, die vom Oszillator 19 abgegeben ist, verändert werden und demzufolge die Funktionsprogramme des Rechners 20 angepaßt werden, wodurch Generatoren oder Generatoreinrichtungen erreichbar sind für eine Spannung mit veränderbarer Frequenz von einem Wert Null bis zu irgendeinem gewünschten Wert.
Es kann jedoch auch für jede Generatoreinrichtung der Sollwert des Spannungsreglers 15 derart verändert werden, daß beispielsweise die Amplitude v_ der an den Klemmen der Last 1 erzeugten Spannung sich linear mit der Frequenz f~ ändert.
.Die Anwendung letzterer Einrichtung auf einen Mehrphasen-Generator, beispielsweise Dreiphasen-Generator, der
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in der erläuterten Weise durch Kombination mehrerer einphasiger Elementar-Generatoreinrichtungen gebildet ist, ermöglicht es,auf eine sehr elegante Weise das Problem des fortschreitenden Anlassens von Asynchronmotoren vom Stillstand bis zum Nennwert zu lösen.
Im folgenden wird anhand der Fig. 6 bis 9 ein zweites " Ausführungsbeispiel einer Generator- oder Erzeugereinrichtung einer einphasigen elektrischen Wechselspannung Vn der Frequenz fQ gemäß der Erfindung erläutert. Die Bauteile dieser Generatoreinrichtung, die den mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel erläuternden gleichen, sind in Fig. 6 durch die gleichen Bezugszc.ichen bezeichnet, nämlich die Bauelemente 1-5, 12-20 und 22 - 25.
Auch hier wird ausgehend von der Wechselspannung V1 der Frequenz f^die an den Klemmen des induzierten Stators des Wechselstromgenerators 1J erzeugt ist, eine Spannung, die in Form einer Folge von Impulsen vorliegt, die abwechselnd positiv und negativ sind und konstante Amplitude besitzen, die sinusförmige oder im wesentlichen derart ausgebildete Spannung VQ wiedergebildet mit der relativ niedrigen Frequenz fQ.
Der Anker oder der induzierte Stator 5 des Wechselstromgenerators 4 ist hier als einphasige Spule ausgebildet bzw. vielmehr mit zwei entgegengesetzten Phasen, was bedeutet, daß ein mit Masse verbundener Mittelpunkt bzw. eine Mittelpunktsanzapfung M vorgesehen ist (vgl. Fig. 6).
An der Spule 2 sind η paarweise angeordnete Anzapfungen vorgesehen, wobei zwei Anzapfungen symmetrisch zueinander sind gegenüber der Mittelpunktsanzapfung M, wobei jedes dieser Anzapfungspaare die Abnahme am induzierten Stator 5
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von wachsenden Anteilen b,,, b~ ... b der Spannung 1Λ
gestattet, wobei der maximale Anteil oder Bruchteil b
dem Wert Eins entspricht.
Beim in Fig. 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel gilt η = 3j wobei die verschiedenen Anzapfungen A, B, C, A1, B', C in drei Paaren AA1, BB' und CC angeordnet sind.
In Fig. 7 ist der Anteil b.« der Spannung V-, mit der Amplitude a.,,der zwischen den Anzapfungen A und A1 abgenommen ist, dargestellt. Der Anteil b2 der Amplitude a-, der zwischen den Anzapfungen B und B' abgenommen ist,und der Anteil b-, der Amplitude a·,, der zwischen den Anzapfungen C und C1 entnommen ist, sind synchron, besitzen jedoch größere Amplituden.
Jedes Anzapfungspaar ist mit einer Untergruppe aus
vier gesteuerten Gleichrichtern in gleicher Weise verbunden, wie die beiden Klemmen der Sekundärwicklung des bereits erläuterten zusammengesetzten Transformators 8 mit vier gesteuerten Gleichrichtern 10, 10^, 11, H^ verbunden sind.
Anders ausgedrückt, ist die fragliche Untergruppe,
die hier dem Anzapfungspaar AA1 zugeordnet ist, aus zwei gesteuerten Gleichrichtern A+ und A-, die mit der Klemme A verbunden und zueinander antiparallel angeordnet sind, und '.aus " zwei gesteuerten Gleichrichtern A'+ und A1-, die mit der Klemme Af verbunden und zueinander antiparallel
geschaltet angeordnet sind, zusammengesetzt.
Das gleiche gilt für die beiden anderen Klemmenpaare, deren erstes mit vier gesteuerten Gleichrichtern B+, B-,
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B'+, B1- und deren zweites mit vier gesteuerten Gleichrichtern C+, C-j C' + , C- verbunden sind.
Alle mit dem Zusatz + versehenen gesteuerten Gleichrichter sind so angeordnet, daß sie jeweils die positiven Halbwellen der daran angelegten von den Anzapfungen stammenden Spannungen hindurchlassen. In gleicher Weise sind die mit dem Zusatz - versehenen gesteuerten Gleichrichter derart angeordnet, daß sie die entsprechenden negativen Halbwellen hindurchtreten lassen.
Die Ausgänge der verschiedenen gesteuerten Gleichrichter sind mit dem Filter 12 verbunden, das hier aus drei T-geschalteten Drosseln oder Spulen und einem Kondensator zusammengesetzt ist. Genauer ausgedrückt, ist einer der drei Zweige des T mit dem Ausgang der mit dem Zusatz + bezeichneten gesteuerten Gleichrichter verbunden, ist der zweite Zweig des T mit dem Ausgang der mit dem Zusatz - versehenen gesteuerten Gleichrichter verbunden und ist der dritte Zweig des T sowohl mit der Last 1 als auch mit einem der Anschlüsse des Kondensators verbunden, dessen anderer Anschluß an Masse liegt.
Die Steuerung der Leitfähigkeit der verschiedenen gesteuerten Gleichrichter wird ausgehend von einem Rechner sichergestellt, der einerseits die Spannung V^ der Frequenz f1(" . die an den Klemmen des Wechselstromgenerators abgenommen ist, oder einen Bruchteil oder Anteil dieser Spannung j wie sie zwischen zwei der genannten Anzapfungspaare, beispielsweise AAf, erzeugt ist,und andererseits eine Bezugsspannung R0 der Frequenz fQ, die von einem Oszillator 19 abgegeben ist, empfängt.
Der Rechner 20 ist derart ausgebildet, daß zu jedem Augenblick während einer Halbwelle der Spannung V1, d. h.
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während 1/2 f^, s^der gesteuerte Gleichrichter, der dem Vorzeichen und der Amplitude der Bezugsspannung R0 zu diesem Augenblick entspricht, so entriegelt wird, daß an den Klemmen des Filters 12 eine Spannung angelegt wird, deren Hülle einen Verlauf ähnlich demjenigen der Bezugsspannung R0 besitzt.
D. h., daß beim dargestellten Ausführungsbeispiel, wenn für die Anzahl der Anzapfungspaare gilt η = 3 und wenn gilt f1 = 5 f_, die ausgehend vom Beginn eines Wechsels der Bezugsspannung RQ aufeinanderfolgend entriegelten gesteuerten Gleichrichter während dieses Wechsels bzw. dieser Welle sind: A+, B1-, C+, B1-, A+, A+, Bf-, C+, B1-, A+, wodurch an den Klemmen des Filters 12 die Impulsfolge. V0 angelegt wird, die in Fig. 8 dargestellt ist, wobei in Fig. 8 wie in den Fig. 7 und 9 die Zeit längs der Abszisse und die Spannung längs der Ordinate aufgetragen ist.
Wenn, bei im übrigen gleichen Bedingungen, gilt f^ = 7j5 fo,ist die Folge der Entriegelungen der gesteuerten Gleichrichter während eines Wechsels oder einer Welle der Bezugsspannung RQ folgende: A+, B1-, B+, C1-, B+, B1-, A+, O, A1-, B+, B1-, C+, B1-, B+, A1-, was zu einer Impulsfolge V0 führt, die in Fig. 9 dargestellt ist. Die Halbwelle 0 entspricht dem vollständigen Nxchtvorhandensein einer Spannungsübertragung, da die 'zwischen dem Ende der zweiten Halbwelle A+ der betrachteten Impulsfolge und dem Ende der positiven Halbwelle der Bezugsspannung RQ kleiner ist als 1/2 f1 s. +)verfügbare Zeit
Anschließend erreicht das Filter 12 ausgehend von der Folge V0,die an seinen Klemmen anliegt, an den Klemmen der Last 1 die gewünschte Spannung VQ der Frequenz fQ.
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Der Rechner 20 paßt sich zu jedem Augenblick an die tatsächliche Entwicklung der Frequenz f- an, die proportional zur Drehzahl der Welle 2 ist, um ständig diese Spannung V0 wiederzubilden.
Die wie erläutert aufgebaute zweite Genratoreinrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es, wie die erste, schließlich an den Klemmen der Last 1 eine Spannung V0 zu erzeugen, deren Frequenz f„ durch den Oszillator 19 vorgegeben ist und deren Amplitude vQ vom am Regler 15 vorgegebenen Sollwert abhängt.
Die oben genannten beispielhaften Zahlenwerte für dia Frequenzen, Drehzahlen usw. bleiben auch hier gültig.
Ebenso wie vorstehend können mehrere Elementar-Generatoreinrichtungen der eben beschriebenen Art und die eine einphasige elektrische Spannung erzeugen oder mehrere Teile derartiger Einrichtungen so zusammengefaßt oder kombiniert werden, daß ein zusammengesetzter Generator einer zweiphasigen, dreiphasigen oder ganz allgemein mehrphasigen elektrischen Spannung gebildet wird.
Auf diese Weise können, wenn die Anzahl der Phasen m beträgt," m Elementar-Generatoreinrichtungen kombiniert werden, deren Oszillatoren 19 jeweils elektrische Bezugsspannungen erzeugen, die untereinander jeweils um einen Winkel von 2 Ή/m phasenverschoben sind.
Gemäß einer Weiterbildung wird ein einziger Wechselstromgenerator 4 verwendet und werden zwischen dem induzierten Stator 5 mit 2 η Anzapfungen dieses Wechselstromgenerators 4 und einem aus m Lasten 1 und m Filtern 12 zusammengesetzten mehrphasigen Empfänger m Anordnungen aus 4 η gesteuerten Gleichrichtern der beschriebenen Art angeschlossen oder abgezweigt, wobei jede dieser Anordnungen einem
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Rechner 20 oder einem Rechnerelement zugeordnet ist, der seinerseits durch einen besonderen Oszillator 19 gesteuert ist, wobei die von den m Oszillatoren 19 vorgegebenen Bezugsfrequenzen fQ untereinander um Winkel von 2 ^Zm phasenverschoben sind.
Gemäß einer anderen Weiterbildung wird der einphasige, d. h. vielmehr der zwei entgegengesetzte Phasen aufweisende, Anker bzw. induzierte Stator 5 des Wechselstromgenerators durch einen mehrphasigen Anker oder induzierten Stator mit 2 m Phasen ersetzt, der aus m Spulen zusammengesetzt ist, die derjenigen analog sind, die in Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 5 versehen ist, d. h. die eine an Masse gelegte Mittelpunktsanzapfung M besitzen, die jedoch in Winkelrichtung gegeneinander um Winkel von 2 Ίΰ /m um die Achse der Welle 2 versetzt sind.
Jeder dieser Spulen sind 2 η Anzapfungen zugeordnet, die an ihr derart verteilt sind, daß sie die Abnahme von Teilspannungeh ermöglichen, die für die verschiedenen Spulen identisch sind^und jeder dieser Anordnungen aus 2 η Anzapfungen ist eine Gruppe von 4 η gesteuerten Gleichrichtern zugeordnet, die den bereits erläuterten identisch sind, wobei jede Gruppe ein Filter 12 und eine Last 1 eines m Filter und m Lasten aufweisenden mehrphasigen Empfänger geeignet versorgen kann.
Jede Gruppe der 4 η gesteuerten Gleichrichter ist dabei einem Rechner 20 oder einem Rechnerelement der genannten Art zugeordnet, der von einem besonderen Oszillator 19 gesteuert ist, wobei die von den m Oszillatoren 19 vorgegebenen Bezugsfrequenzen fQ untereinander um Winkel von. 2 Ii /τα. phasenverschoben sind, und wobei die an diese m Oszillatoren 19 angelegten Spannungen V1 hier jeweils an den m Spulen abgenommen sind.
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Dieses Ausführungsbeispiel ist zweifellos komplizierter als das vorstehende. Es ermöglicht jedoch die Erzeugung der m Phasen der endgültigen mehrphasigen Spannung ausgehend von m Phasen eines mehrphasigen Wechselstromgenerators mit m Phasen,der häufiger verwendet wird als ein einphasiger Wechselstromgenerator, insbesondere in bezug auf dessen Eisen- und Kupferkreise, wobei diese Weiterbildung gegenüber den vorstehenden zu Einsparungen an Volumen und an Gewicht führen kann3 was insbesondere für die Anwendung bei Luftfahrzeugen von Bedeutung ist.
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la-
Leerseite

Claims (1)

  1. Ansprüche
    1.J Einrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung Vq mit einstellbarer konstanter Frequenz fQ und einstellbarer konstanter Amplitude an den Klemmen einer Last ausgehend von einer sich drehenden Welle, mit
    .. ein«m Wechselstromgenerator einer Frequenz f^, die sehr viel höher ist als die Frequenz fQ, dessen induzierender Rotor von der sich drehenden Welle gedreht wird und elektrisch durch eine Gleichspannung υ erregt ist, die ausgehend von einem Spannungsregler erzeugt ist, der seinerseits von der Spannung VQ beaufschlagt ist, und
    einer Einrichtung zur Ausnutzung der Ausgangswechselspannung V^ der Frequenz f.,, die an den Klemmen des induzierten Stators des Wechselstromgenerators erhalten ist, zur Erzeugung der Spannung VQ an den Klemmen der Last, wobei diese Einrichtung am abstromseitigen Ende ein Filter aufweist, das lediglich die Frequenz fQ hindurchtreten läßt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Einrichtung zur Erzeugung der Spannung VQ "darüber hinaus aufweist:
    am aufstromseitigen Ende eine Untersetzungseinrichtttng, die von der Spannung V1 versorgt ist und die Amplitude dieser Spannung V1 auf einen Bruchteil dessen Amplitude untersetzen oder verringern kann, dessen vorgegebener Wert zwischen η Werten gewählt werden kann, wobei der größte dieser Werte dem Wert Eins entspricht,
    eine Gruppe von gesteuerten Gleichrichtern (6. bis 6g; A+ bis C+, A1+ bis C' + , A- bis C-, A1- bis C-), die so
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    ORIGINAL INSPECTED
    angeordnet sind, daß übertragen werden entweder die positiven Halbwellen und die invertierten negativen Halbwellen, der daran angelegten von der Untersetzungseinrichtung stammenden Spannung oder die negativen Halbwellen und die invertierten positiven Halbwellen, wobei der Ausgang der gesteuerten Gleichrichter schließlich an das Filter'(12) angeschlossen ist, und
    eine Rechen- und Regeleinrichtung (19 bis 21), um zu jedem Augenblick abhängig von einer Bezugsspannung R0 der Frequenz fQ und der Spannung V1, die Untersetzungseinrichtung und die gesteuerten Gleichrichter, die zu diesem Augenblick betätigt sind, so zu s^lektionieren oder anzuwählen, daß an den Klemmen der Last (1) die Spannung VQ gebildet ist.
    2. Einrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Frequenz f1 das 4- bis 15-fache der Frequenz fQ beträgt.
    3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Frequenz fQ 400 Hz beträgt.
    4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß der induzierte Stator (5) des Wechselstromgenerators (4) einphasig ist, und
    daß die Untersetzungseinrichtung der Spannung durch einen zusammengesetzten Transformator (8) gebildet ist, dessen Primärseite η Primärwicklungen (7^) aufweist, die parallel an den Klemmen des induzierten Stators (5) angeordnet sind jeweils in Reihe mit einem elektronischen Umschalter (6·), wobei vorzugsweise gilt η = 6, und dessen
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    Sekundärseite (9) eine Mittelpunktsanzapfung (P) besitzt, wobei vier gesteuerte Gleichrichter (10, 10-, 11, H^)zwischen der Sekundärseite (9) und dem Filter (12) angeordnet sind und wobei die Rechen- und Regeleinrichtung (19 bis 21) derart angeordnet ist, daß einerseits die η Umschalter (6.) so selektiv betätigbar sind, daß in der Sekundärseite (9) des zusammengesetzten Transformators (8) eine Spannung der Frequenz f*, die mit der Frequenz fQ moduliert ist, erzeugbar ist oder genauer ausgedrückt eine Folge von Spannungsimpulsen, die mit der Taktfrequenz f^ aufeinanderfolgen, wobei die Folge eine Hüllkurve besitzt, die einen mit der Frequenz fQ vorzugsweise sinusförmig gewellten Signalverlauf aufweist,und daß andererseits zwei der gesteuerten Gleichrichter (10, 1O1, 11, H1) leitend und die beiden anderen gesperrt sind während der positiven Halbwelle der Bezugsspannung RQ und _ im Gegensatz dazu während der negativen Halbwelle der Bezugsspannung RQ die entgegengesetzte Steuerung sichergestellt ist (Fig. 1).
    5. Einrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die elektronischen Umschalter (6.) Zweiweggleichrichter sind.
    6. . Einrichtung nach Anspruch 1J,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die elektronischen Umschalter (6.) jeweils durch eine Gruppe aus zwei antiparallel geschalteten Gleichrichtern gebildet sind.
    7. Einrichtung zur Erzeugung einer Einphasenspannung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ihr m-1 analoge Einrichtungen so zugeordnet sind, daß eine Mehrphasenspannung mit m Phasen erzeugt wird, wobei
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    die Bezugsspannungen RQ der Frequenz fQ,die jeweils für diese m Elementar-Generatoreinrichtungen erzeugt sind, gegeneinander um 2IT/m phasenverschoben sind.
    Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    daß der induzierte Stator (5) des Wechselstromgenerators (4) als Spule mit an Masse liegender Mittelpunktsanzapfung (M )ausgebildet ist, und
    daß die Untersetzungseinrichtung gebildet ist durch eine Anordnung aus 2 η Anzapfungen (A, B, C, A', B!, C), die längs des induzierten Stators (5) verteilt sind, wobei vorzugsweise gilt η = 3> wobei die Anzapfungen (A, B, C, A1, B', C1) symmetrisch gegenüber der Mittelpunktsanzapfung (M) verteilt sind, wobei die Gleichrichter durch η Untergruppen von vier gesteuerten Gleichrichtern (A+, A-, A1+, A1-; ...) gebildet sind, die jeweils mit einem Anzapfungspaar verbunden sind, das aus zwei symmetrischen Anzapfungen (A, A1J B, B'; C, C1) zusammengesetzt ist, und wobei die Rechen- und Regeleinrichtung (19, 20) so ausgebildet ist, daß die Leitzustände der verschiedenen steuerbaren Gleichrichter (A+, A-, A'+, A'-; ...) steuerbar sind (Fig. 6).
    Einrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zum Erreichen einer mehrphasigen Wechselspannung mit m Phasen
    jedes der η Anzapfungspaare mit m Untergruppen zu vier gesteuerten Gleichrichtern verbunden ist, die alle in der vorstehenden Weise angesteuert sind, jedoch jeweils auf der Grundlage von jeweils um 2 "jC/m gegeneinander phasenverschobenen Bezugsspannungen RQ ,und
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    die m Untergruppen, die jedem Anzapfungspaar zugeordnet sind, so angeordnet sind, daß sie jeweils die m Lasten (1) und m Filter (12) eines mehrphasigen Empfängers mit m Phasen versorgen.
    10. . Einrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zum Erreichen einer mehrphasigen Wechselspannung mit m Phasen
    der induzierte Stator (5) des Wechselstromgenerators (4) m Spulen mit an Masse gelegter Mittelpunktsanzapfung (M) aufweist» die untereinander um Winkel von 2 ίΓ/m um die Achse des Wechselstromgenerators (4) verteilt bind und jeweils mit η Anzapfungspaaren versehen sind,
    die Anordnung der 2 η Anzapfungen, die jeder der m Spulen zugeordnet ist, in der bereits dargestellten Weise einer Gruppe von ^ η gesteuerten Gleichrichtern zugeordnet ist?, - .
    jade der ra Gruppen in der bereits angegebenen Weise gesteuert ist mittels Rechen- und Steuereinrichtungen, die jeweils den m Gruppen zugeordnet und zu diesem Zweck gesteuert sind von jeweils um 2 JL/m gegeneinander phasenverschobene Bezugsspannungen und durch jeweils an den m Spulen abgenommenen Spannungen, und
    die m Gruppen so angeordnet sind, daß sie jeweils die m Lasten (1) und m Filter (12) eines mehrphasigen Empfängers mit m Phasen versorgen.
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