DE2945919A1

DE2945919A1 - Drehzahlvariable konstantfrequenz- leistungsgeneratorvorrichtung

Info

Publication number: DE2945919A1
Application number: DE19792945919
Authority: DE
Inventors: Harold Gunnar Carlson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-11-15
Filing date: 1979-11-14
Publication date: 1980-05-29
Also published as: IT7927306A0; GB2038048A; GB2038048B; FR2441953B1; US4225911A; DE2945919C2; JPS6232710B2; FR2441953A1; JPS55106079A; IT1125806B

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., VStA

Drehzahlvariable Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung

Die Erfindung befaßt sich mit der Verringerung von Überspannungen in Wechselleistungssignalen, die von einer herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung erzeugt werden, und zwar nach einer Belastungsverringerung oder dem Auftreten eines Leerlaufzustands.

"Wechselleistungssignale" sind die mehrphasigen Wechselspannungen, die die Vorrichtung an die Last abgibt.

Mit "Belastungszustand der Wechselleistungssignale" wird der Nenn-Belastungszustand bezeichnet, auf den die Vorrichtung ausgelegt ist. Mit "Belastungsverringerung" wird der Fall bezeichnet, daß die Belastung der Wechselleistungssignale von jenem Belastungszustand aus geändert und verringert wird, jedoch in verringertem Maße andauert. Mit "Leerlaufzustand" wird der Zustand bezeichnet, in dem die Belastung der Wechselleistungssignale vollständig weggenommen ist. Mit "Spannungssoliwert" wird der Spannungsamplitudenbereich bezeichnet, in dem die Vorrichtung die Wechseileistungssignale halten soll.

Drehzahlvariable Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtungen sind bekannt. Sie werden häufig in Luftfahrzeugen verwendet. Beispiele derartiger Vorrichtungen sind in den nachstehenden US-Patentschriften und entsprechenden britischen Patentschriften beschrieben:

US-PS 3 593 106 = GB-PS 1 352 881 US-PS 3 745 471

US-PS 3 873 928 = GB-PS 1 425 654

US-PS 3 902 073 = GB-PS 1 493 875

US-PS 3 908 161 = GB-PS 1 492 861

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Ferner wird noch verwiesen auf Aircraft Electrical Power Seminar Technical Proceedings, General Electric Company, Aircraft Equipment Division, Binghamton, New York, Mai 10-11, 1977.

Herkömmliche drehzahlvariable Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtungen erzeugen in den Wechselleistungssignalen Überspannungen, die von Stromrichtern der Vorrichtung nach einer Belastung sverringerung oder dem Auftreten eines Leerlaufzustands während einiger darauffolgender Zyklen, z.B. drei bis vier Zyklen (dieser Wechselleistungssignale)_T erzeugt werden. Diese Überspannungen in den Wechselleistungssignalen verursachen in den herkömmlichen Leistungsgeneratorvorrichtungen der genannten Art verschiedene Probleme, z.B. Fehlkommutierungen der steuerbaren Gleichrichter in den Stromrichtern und Störungen in den Verbrauchern, die von den Wechselleistungssignalen gespeist werden.

Die während der ersten Zyklen der Wechselleistungssignale nach einer Belastungsverringerung oder dem Auftreten eines Leerlaufzustands hervorgerufenen Überspannungen haben verschiedene Ursachen. Jeder Stromrichter in einer herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung hat einen Innenwiderstand und muß an seinem Ausgang mit einem Kondensator versehen werden, der eine hohe Kapazität hat und als Tiefpaßfilter zur Beseitigung der durch die Gleichrichter der Stromrichter in den Wechselleistungssignalen hervorgerufenen Welligkeit bzw. Oberwellen dient. Beim Auftreten einer Belastungsverringerung oder eines Leerlaufzustands steigen die Spannungswerte der Wechselleistungssignale über den Spannungssollwert an, und zwar wegen des starken, einen Leistungsfaktor von nahezu null aufweisenden Stroms, der von den Filterkondensatoren gezogen wird, und wegen des Innenwiderstands der Stromrichter. Die für die einzelnen Phasen der Leistungsgeneratorvorrichtung vorgesehenen Spannungsregler sind nicht in der Lage, die Spannungswerte der Wechselleistungssignale innerhalb der

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ersten Zyklen, z.B. drei bis vier Zyklen, nach dem Auftreten einer Belastungsverringerung oder eines Leerlaufzustands, zu verringern, weil der Spannungsregelkreis eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit (eine hohe Zeitkonstante) aufweist. Die Geschwindigkeit des Spannungsregelkreises läßt sich bei den bekannten drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtungen nicht erhöhen, weil dies zu einer Regelkreisinstabilität führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der Überspannungen stärker vermindert sind.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche sind auf Weiterbildungen dieser Lösung gerichtet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt eine Begrenzung der Spannungswerte der Wechselleistungsisgnale, die von den Stromrichtern einer drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung erzeugt werden, auf das Spannungssollwertmaximum, und zwar von dem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Auftreten einer Belastungsverringerung oder eines Leerlaufzustande bis zu dem Zeitpunkt, in dem der Spannungsregelkreis wieder die Regelung der Spannungsamplituden der Wechselleistungssignale übernehmen kann.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines Teils eines Spannungsreglers 10 der Vorrichtung nach Fig. 1, der erfindungsgemäß durch Hinzufügung der Schaltung 20 abgewandelt ist,

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Fig. 3A und 3B Oszillogramme eines Wechselleistungssignals und eines zugehörigen Gleichspannungssteuersignals für den Fall, daß eine 18-KVA-BeIastung von einer herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung und einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung dieser Art abgenommen wird,

Fig. 4a und 4B Oszillogramme eines Wechselleistungssignals und des zugehörigen Steuersignals für den Fall, daß eine 27-KVA-Belastung von einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäß ausgebildeten Generatorvorrichtung entfernt wird, und

Fig. 5 A und 5B Oszillogramme eines Wechselleistungssignals und des zugehörigen Steuersignals für den Fall, daß eine 40-KVA-Belastung von einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäß ausgebildeten Generatorvorrichtung entfernt wird.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung, wie sie in den eingangs erwähnten Druckschriften angegeben ist, z.B. in den beiden letztgenannten Patentschriften. Sie enthält eine Generatoreinheit GP, eine Steuerleistungsversorgungseinheit CP, die die Versorgungsgleichspannungen für die gesamte Vorrichtung liefert, einen Gleichspannungsregler REG, der den Feldgleichstrom eines Erregers EXC in der Generatoreinheit GP einstellt, drei Frequenzwandler 200A, 200B, 200C, einen 400-Hz-Schwingungsgenerator 12 und drei Phasenspannungsregler 10.

Die Generatoreinheit GP enthält einen Permanentmagnetgenerator PMG, den Erreger EXC und den Hauptgenerator MG. Die drei Rotationsmaschinen PMG, EXC und MG werden von einem Hauptantrieb, z.B. der Verbrennungskraftmaschine des Luftfahrzeugs, angetrieben. Sie laufen nacheinander in der angegebenen Reihenfolge vom

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Start der Verbrennungskraftmaschine des Luftfahrzeugs an bis zu deren Betriebsdrehzahl hoch. Die Gleichspannungsversorgungseinheit CP und der Gleichspannungsregler REG erhalten ihre Versorgungs- bzw. Betriebsspannung vom Permanentmagnetgenerator PMG. Wegen der variablen Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine des Flugzeugs ändert sich die Frequenz der Ausgangsspannung des Hauptgenerators MG. Wenn der Hauptgenerator MG jedoch mit Nenndrehzahl läuft, beträgt die Frequenz seiner Ausgangsspannung etwa 3500 Hz . Die Aufgabe der Vorrichtung nach Fig. 1 besteht darin, die vom Hauptgenerator MG mit veränderlicher Frequenz und gewöhnlich auch veränderlicher Amplitude abgegebene Leistung in eine Ausgangsleistung mit konstanter Frequenz umzuwandeln, die gewöhnlich 400 Hz beträgt und eine weitgehend konstante Amplitude aufweist, und diese Ausgangsleistung in einem Mehrphasensystem abzugeben. Die Vorrichtung nach Fig. 1 liefert eine dreiphasige Ausgangsleistung in Form der Wechselleistungssignale V , V_K, V an eine (nicht dargestellte) Last LD.

Die Wechselleistungssignale V , V, , V werden auch als Eingangsrsignale den Reglern 10 zugeführt, die als für die drei Phasen a, b und c getrennt vorgesehen betrachtet werden können. In der Einheit 10 werden die Signale V , V, und V , wie noch anhand

au c

von Fig. 2 näher betrachtet wird, gleichgerichtet und gefiltert bzw. geglättet, und die Ausgangsgleichspannungen werden jeweils über Leitungen 27, 28 und 29 abgegeben. Diese Gleichspannungen werden nachstehend mit V₂₇, Vp_Q und V₂₉ (siehe Fig. 2) bezeichnet. Ihre Amplituden hängen jeweils von den Wechselleistungssignalen V_&, V^ und V_c ab. Die Signale V₂₇, V_2Q und V₂Q werden dem 400-Hz-Schwingungsgenerator 12 als Eingangssignale zugeführt und dienen zur Steuerung der Amplituden der Ausgangssignale V12A, V12B und V12C dieses Generators 12, die jeweils einem der Frequenzwandler 200A, 200B und 200C zugeführt werden. Die Spannungen V12A, V12B und V12C werden auch Bezugsspannungen genannt, die die Amplitude, Frequenz und Phasenlage jeweils der

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Wechselleistungssignale V , V, und V bestimmen. Daher ist ein

el D C

Rückführkreis (zur Istwertrückführung) "bei jedem Frequenzwandler 200 vorgesehen, über den der Istwert des Wechselleistungssignals zurückgeführt wird, so daß sich ein geschlossener Regelkreis ergibt. So wird bei dem Frequenzwandler 200 das Wechselleistungssignal V dem Regler 10, von diesem in Form des Signals

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V₂₇ in den Schwingungsgenerator 12 und von dort in Form des Bezugssignals V12A zurück in den Wandler 200A geleitet. Dieser erste Rückführkreis hat eine verhältnismäßig geringe Ansprechgeschwindigkeit, wie sich aus der nachstehenden Beschreibung noch ergibt, und ist daher nicht in der Lage, abnormale Spannung samplituden, wie sie bei einer Belastungsverringerung oder dem Auftreten eines Leerlaufzustands auftreten, rasch wieder auf den Sollwert zurückzuführen.

Jeder Frequenzwandler 200 ist mit einem zweiten Rückführkreis versehen. Betrachtet man wieder den Frequenzwandler 200A, der ebenso wie die beiden anderen Frequenzwandler 200B und 200C ausgebildet ist, so daß es genügt, nur diesen zu betrachten, dann beginnt der Rückführkreis auf der rechten Seite des Frequenzwandlers 200A. Das Signal V wird in ein Rückführnetzwerk

SL

FB geleitet, das das Rückführausgangssignal V_F erzeugt, das in einem Vergleicher S in dem Wandler 200A mit dem Bezugssignal V12A verglichen wird. Der Vergleicher ist ein Summierglied, das im subtrahierenden Sinne wirkt. Wie Fig. 1 zeigt, wird das Signal V12A dem positiven Eingang des Vergleichers S zugeführt, während das Rückführsignal V_p dem negativen Eingang zugeführt wird. Der Vergleicher S erzeugt daher ein Fehlersignal V (auch Differenzsignal oder Regelabweichung genannt), das im Wandler 200A weitergeleitet wird. Das heißt, obwohl ein zweiter RückfUhrkreis (über das Rückführnetzwerk FB, auch Istwertgeber genannt) vorgesehen ist, ist die Ansprechgeschwindigkeit der gesamten Einrichtung dennoch zu niedrig, um Überspannungen mit hinreichender Geschwindigkeit zu beseitigen.

An den Vergleicher S schließt sich ein Verstärker AMP an, der das Fehlersignal V verstärkt, und außerdem wird die verstärkte

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Ausgangsspannung des Hauptgenerators einem Zündschwingungsgenerator FW zugeführt, der Zündsignale mit der Frequenz der Ausgangsspannung des Hauptgenerators MG, jedoch mit verbesserter Kurvenform, erzeugt. Die Modulatoren MD intermodulieren die Ausgangssignale des Verstärkers AMP und des Zündschwingungsgenerators FW, und das intermodulierte Ausgangssignal wird einer Gruppe von Stromrichtern CCL (Zyklokonvertern) zugeführt, die als Eingangssignale auch die Ausgangsspannung des Hauptgenerators MG erhalten. Die Ausgangsspannung der Stromrichter CCL hat die gewünschte konstante Frequenz von 400 Hz, muß jedoch durch Filter FIL gefiltert werden, um Oberwellen bzw. eine Welligkeit mit Hauptgeneratorfrequenz zu beseitigen. Das gefilterte Ausgangssignal ist das Wechselleistungssignal V .

Jede Filterstufe enthält einen Kondensator mit hoher Kapazität, der zwischen dem Ausgang des zugehörigen Stromrichters und Masse liegt. Wegen seiner hohen Kapazität wirkt er als Tiefpaßfilter, um aus den Wechselleistungssignalen die Gleichrichter-Welligkeitskomponenten zu beseitigen, die durch die Schaltvorgänge der steuerbaren Gleichrichter im zugehörigen Stromrichter erzeugt werden. Außerdem hat jeder Stromrichter einen endlichen Innenwiderstand.

Wenn die Belastung verringert oder ganz entfernt wird, steigen die Spannungswerte der Wechselleistungssignale über den Spannungssollwertbereich hinaus an, und zwar wegen der Stromrichterinnenwiderstände und der starken Blindströme, die über die Kondensatoren der zugehörigen Filter fließen. Die individuellen Phasenspannungsregler sind nicht in der Lage, die Überspannung der Wechselleistungssignale wenigstens in den ersten Zyklen, z.B. den ersten drei bis vier Zyklen, nach der Belastungsverringerung oder dem Übergang in den Leerlaufzustand zu beseitigen, weil die Spannungsregelkreise (jeder Spannungsregelkreis enthält jeweils einen eigenen Phasenspannungsregler, den 400-Hz-Schwingungsgenerator, den jeweiligen Verstärker, Modulator, Stromrichter und das Filter) zu langsam sind, um die Überspannungen

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in so kurzer Zeit auszuregeln. Die Geschwindigkeit des Spannungsregelkreises läßt sich bei einer herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung nicht erhöhen, weil der Regelkreis sonst instabil wird. Die bekannten Leistungsgeneratorvorrichtungen sind daher nicht in der Lage, die durch eine sprungartige teilweise oder völlige Entlastung hervorgerufenen Überspannungen in den ersten Wechselstromperioden zu beseitigen.

Diese Überspannungen haben verschiedene Probleme zur Folge. Erstens können sie zu einer Zunahme von Fehlkoramutierungen der steuerbaren Gleichrichter in den Stromrichtern führen. Diese Fehlkomrautierungszunähme ist eine Folge der hohen Frequenz des Hauptgenerators (z.B. 3500 Hz), der Überspannung in den Leistungswechselsignalen und des starken Stroms (mit einem Leistungsfaktor von nahezu null), der über die Ausgangsfilterkondensatoren fließt. Diese drei Faktoren bewirken eine erhebliche Verringerung der Abschaltzeit der steuerbaren Gleichrichter (Thyristoren) der Stromrichter, was bedeutet, daß weniger Zeit zur natürlichen Kommutierung der steuerbaren Gleichrichter der Stromrichter zur Verfügung steht. Es sei darauf hingewiesen, daß es schwieriger ist, eine Last mit Leistungsfaktor null, z.B. die Filterkondensatoren, auf natürliche Weise zu kommutieren, als bei einer Last mit Leistungsfaktor eins, was bei den meisten normalen Belastungszuständen (bei Nennlast) der Fall ist. Durch sehr rasche Verringerung der Überspannung in den Wechselleistungssignalen nach einer Belastungsverringerung oder dem Auftreten des Leerlaufzustands werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Fehlkommutierungen weitgehend vermieden.

Ferner beeinträchtigen die Überspannungen das elektrische Verhalten vieler Verbraucher, die durch die Wechselleistungssignale gespeist werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beseitigt die Schalt-Überspannungen durch Verringern des Spannungswertes der Gleichspannungs-

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Steuersignale V„₇, V^q und V„q, die von den jeweiligen Phasenspannungsreglern 10 an den 400-Hz-Schwingungsgenerator 12 geliefert werden, auf einen vorbestimmten niedrigeren Wert. Die Gleichspannungs-Steuersignale (Steuersignale in Form von Gleichspannungen) werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise innerhalb einer Halbperiode der Wechselleistungssignale nach der Belastungsverringerung oder dem Auftreten des Leerlaufzustande auf den vorbestimmten niedrigeren Wert verringert, und dieser niedrigere Wert wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung solange aufrechterhalten, bis der Spannungsregelkreis die Regelung der Spannungsamplitudenwerte der Wechselleistungssignale wieder richtig übernehmen kann. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung eine kurze Ansprechzeit bzw. eine hohe Ansprechgeschwindigkeit hat, kann sie die Überspannung weitgehend beseitigen.

Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung dar, mittels der die Amplitude der Gleichspannungssteuersignale sehr schnell auf den vorbestimmten unteren Wert verringert wird.

Fig. 2 stellt nur eine Phase (Phase a) des herkömmlichen Spannungsreglers 10 nach Fig. 1 dar, der erfindungsgemäß durch Hinzufügung der Schaltung 20 abgewandelt ist. Die beiden anderen Phasen (b, c) des Reglers 10 sind nur in verkürzter Form (Verstärker 58b, 58c) dargestellt. Nachstehend wird zunächst der herkömmliche Teil des Spannungsreglers erläutert.

Ein Wechselleistungssignal V von beispielsweise 115 Volt und 400 Hz wird über einen Anschluß 30 und einen ohmschen Widerstand 32 einerseits der Anode einer Diode 42 und andererseits der Kathode einer Diode 40 zugeführt, wobei die Kathode der Anode 42 mit dem nlchtumkehrenden Eingang und die Anode der Diode 40 mit dem umkehrenden Eingang eines Rechenverstärkers 44 (Differenzverstärker sehr hoher Verstärkung) zugeführt wird. Der umkehrende Eingang des Rechenverstärkers 44 ist ferner über einen ohmschen

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Widerstand 36 mit dem Anschluß 3^ einer Bezugsspannungsquelle V_R verbunden. Die Bezugsspannungsquelle V^ liefert eine Gleichspannung von beispielsweise 6,2 Volt. Der umkehrende Eingang des Rechenverstärkers 44 ist ferner über die Parallelschaltung eines Kondensators 46 und eines ohmschen Widerstands 38 mit dem Ausgang des Rechenverstärkers 44 verbunden. Ferner ist der nichtumkehrende Eingang des Rechenverstärkers 44 über die Parallelschaltung eines Kondensators 48 und eines ohmschen Widerstands 50 mit Masse verbunden.

Die Dioden 40 und 42 und der Rechenverstärker 44 bewirken eine Gleichrichtung, Filterung und einen Vergleich der heruntergeteilten Werte des Wechselleistungssignals V mit dem herunter-

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geteilten Bezugsspannungssignal V_R. Wenn die Wechselspannung V null ist, hat die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 44 einen hohen negativen Wert, weil die Bezugsspannung V_R dem umkehrenden Eingang des Rechenverstärkers 44 zugeführt wird. Wenn der Wert der Wechselspannung V ansteigt, nimmt auch die Aus-

gangsspannung des Rechenverstärkers 44 in positiver Richtung zu. Die Gesamtverstärkung des beschalteten Rechenverstärkers 44 ist niedrig, weil der Widerstandswert des Widerstands 38 kleiner als der Widerstandswert des Widerstands 32 ist. Das Übertragungsverhalten des Rechenverstärkers 44 ist linear, und die niedrige Gesamtverstärkung verhindert eine vorzeitige Überschreitung des Aussteuerbereichs (Sättigung), um die Linearität beizubehalten. Außerdem ist die Zeitkonstante der Rechenverstärker-Stufe so gewählt, daß ihre Grenzfrequenz wesentlich niedriger als die Frequenz der Wechselspannung V ist. Die Frequenz wird durch den

Schwingungsgenerator nach Fig. 1 bestimmt und liegt beispielsweise bei 400 Hz. Auf diese Weise wird das Gleichsignal am Ausgang des Rechenverstärkers 44 geglättet.

Das Ausgangssignal des Rechenverstärkers 44 wird über einen ohmschen Widerstand 52 dem umkehrenden Eingang eines Rechenverstärkers 58 zugeführt. Ferner ist der umkehrende Eingang des Rechenverstärkers 58 über einen ohmschen Widerstand 54 und einen Kon-

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densator 56 mit dem Rechenverstärkerausgang verbunden. Der nichtumkehrende Eingang des Rechenverstärkers 58 liegt über einen ohmschen Widerstand 60 auf Masse.

Der Rechenverstärker 58 ist so geschaltet, daß er als linearer Verstärker wirkt und ein dem umkehrenden Eingang über den Widerstand 52 zugeführtes negatives Gleichsignal invertiert und verstärkt. Die Gesamtverstärkung des Rechenverstärkers 58 ist verhältnismäßig hoch, weil der Widerstandswert des ohmschen Widerstands 54· wesentlich größer als der des Widerstands 52 ist. Die hohe Verstärkung ist erforderlich, um die Wechselspannung V

genau auf den gewünschten Sollwert zu regeln. Der Kondensator 56 hat eine hohe Kapazität, um den Spannungsregelkreis zu stabilisieren. Die hohe Kapazität des Kondensators 56 verringert jedoch die Ansprechgeschwindigkeit des Spannungsregelkreises. Der ohmsche Widerstand 60 bewirkt eine Verringerung der Gleichspannungsverschiebung, die durch die Eingangsverschiebungsströme des Rechenverstärkers 58 hervorgerufen wird. Wie sich aus obiger Erläuterung ergibt, ist die Gleichspannung am Ausgang des Rechenverstärkers 58 positiv, wenn die Wechselspannung V größer als

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null ist.

Die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 58 wird über einen ohmschen Widerstand 62 und die Leitung 27 dem Schwingungsgenerator 12 (Fig. 1) als Gleichspannungs-Steuersignal V₃₇ (siehe auch Fig. 3-5) zugeführt. Der ohmsche Widerstand 62 stellt sicher, daß der Rechenverstärker 58 einen endlichen Innenwiderstand aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 liegt die Steuergleichspannung auf der Leitung 27 normalerweise zwischen 7 und 10 Volt, und dieser Bereich ist in den Oszillogrammen der Fig. 3-5 wiedergegeben. Die Steuergleichspannung auf der Leitung 27 wird dem 400-Hz-Schwingungsgenerator 12 zugeführt, ebenso wie die Steuergleichspannungen auf den Leitungen 28 und 29, die von den beiden anderen Phasenspannungsreglern, die in Fig. 2 nicht ausführlich dargestellt sind, erzeugt werden.

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Nachstehend wird die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Einrichtung erläutert. Ein Strommeßtransformator 82 (auch Stromwandler genannt) mißt den Strom I in der Phase a am Ausgang des Stromrichters. Er ist über ohmsche Widerstände 84 und 86 mit Masse und über Dioden 88 und 90 mit einem zweiten Verbindungspunkt 92 verbunden. Die Dioden 88, 90 sind als Zweiweggleichrichter geschaltet und führen dem zweiten Verbindungspunkt 90 eine positive Gleichspannung mit einer Welligkeit von 800 Hz zu. In ähnlicher Weise ist ein Strommeßtransformator 94 im Ausgang der Phase b des Stromrichters angeordnet, um den Strom I, zu messen. Er ist über ohmsche Widerstände 96 und 98 mit Masse und über Gleichrichterdioden 100 und 102 mit dem zweiten Verbindungspunkt 92 verbunden. Außerdem liegt im Ausgang der Phase C des Stromrichters ein Strommeßtransformator 104 zur Messung des Stroms I . Auch dieser Strommeßtransformator ist über ohmsche Widerstände 106 und 108 mit Masse und über Gleichrichterdioden 110 und 111 mit dem zweiten Verbindungspurikt 92 verbunden. Die Transformatoren 94 und 104 führen über ihre nachgeschalteten Gleichrichter, ebenso wie der Transformator 82, dem Verbindungspunkt 92 eine positive Gleichspannung mit einer Welligkeit von 800 Hz zu.

Die Gleichspannung am zweiten Verbindungspunkt 92 hat eine Welligkeitsfrequenz von 2400 Hz, und zwar aufgrund der überlagerung der von den Strommeßtransformatoren 82, 94 und 104 jeweils erzeugten Welligkeitskomponenten von 800 Hz.

Ein Gleichrichter 70, z.B. eine Siliciumdiode, liegt zwischen der Leitung 27 und einem ersten Verbindungspunkt 73. In ähnlicher Weise liegt ein Gleichrichter 72, z.B. eine Siliciumdiode, zwischen der Leitung 28 (dem Gleichsparmungs-Steuersignal, das vom Phasenspannungsregler für die Wechselspannung V. erzeugt v/ird) und dem ersten Verbindungspunkt 73 und ein Gleichrichter 74, z.B. eine Siliciumdiode, zwischen der Leitung 29 (dem Gleichspannungssteuersignal, das vom Phasenspannungsregler für die Wechselspannung V erzeugt wird) und dem ersten

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Verbindungspunkt 73. Die Dioden 70, 72 und 7 k sind so gepolt, daß sie jeweils die positiven Gleichspannungs-Steuersignale auf den Leitungen 27, 28 und 29 zum Verbindungspunkt 73 durchlassen.

Zwischen dem ersten Verbindungspunkt 73 und dem zweiten Verbindungspunkt 92 liegt ein ohmscher Widerstand 76. Ferner liegt zwischen dem ersten Verbindungspunkt 73 und dem zweiten Verbindungspunkt 92 ein Kondensator 78. Zwischen dem zweiten Verbindungspunkt 92 und Masse liegt ein ohmscher Widerstand 80.

Der Widerstandswert des Widerstands 76 ist so gewählt, daß sich der Kondensator 78 entlädt, wenn die Dioden 70, 72 und 7k gesperrt sind, ohne die Leitungen 27, 28 und 29 wesentlich zu belasten, wenn die Dioden 70, 72 und 7k im stationären Betriebszustand (keine Belastungssprünge an den Ausgangsleitungen) leitend sind. Bei Belastungssprüngen an den Ausgangsleitungen ändert sich das Signal am Verbindungspunkt 92.

Die Kapazität des Kondensators 78 ist so gewählt, daß der Kondensator 78 am Widerstand 76 als Kurzschluß für eine vorbestimmte Anzahl von Wechselstromperioden nach dem Auftreten einer Belastungsverringerung oder des Übergangs in den Leerlaufzustand erscheint. Die Belastung der Leitungen 27, 28 und 29 wird daher durch den Widerstand 80 und den Belastungswiderstandswert der Stromtransformatoren bestimmt.

Der Amplitudenwert des Steuersignals am zweiten Verbindungspunkt steuert in ähnlicher Weise den Spannungsabfall der Gleichspannungs-Steuersignale an den Leitungen 27, 28 und 29, wenn die Dioden 70, 72 und 7k leitend sind. Der Spannungsabfall tritt an den Widerständen 62, 66 und 68 auf.

Die vorbestimmte Anzahl der Zyklen bzw. Perioden sollte größer als die Zeitverzögerung bzw. Ansprechverzögerungszeit des Spannungsregelkreises der herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung nach dem Auftreten einer Belastungsverringerung oder eines Leerlaufzustands sein.

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Der Widerstandswert des Widerstands 80 ist so gewählt, daß der Spannungsabfall an den Leitungen 27, 28 und 29 bei Lastverringerungen gerade ausreicht, die Spannung an den Leitungen 27, 28 und 29 auf den neuen Stationärzustandswert bei der geringeren Belastung zu bringen.

Nach Ablauf der vorbestimmten Anzahl von Perioden wirkt der Kondensator 78 wieder wie eine Stromkreisunterbrechung, so daß die Gleichspannungs-Steuersignale auf den Leitungen 27, 28 und 29 im wesentlichen nicht durch die Widerstände 76 und 80, sondern durch den Spannungsregelkreis der herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung bestimmt werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung verringert daher die Steuersignale auf den Leitungen 27, 28 und 29 innerhalb einer halben Periode nach dem Auftreten der Belastungsverringerung oder des Leerlaufzustande auf den neuen Stationärzustandswert. Dann übernimmt der Spannungsregelkreis der herkömmlichen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung die Regelung der Spannung der Wechselleistungssignale.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann die Überspannungen wegen der Ansprechverzögerung, die durch die an den Ausgängen der Stromrichter liegenden Filterstufen verursacht wird, nur nach der ersten Halbperiode des Wechselstroms wesentlich verringern. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Einrichtung kann die Überspannung in der ersten Halbwelle der Wechselleistungssignale nach einer Belastungsverringerung oder dem Übergang in den Leerlaufzustand nicht vollständig verhindern, weil die Ausgangsfilterkondensatoren die Korrektur verzögern.

Die nachstehende Tabelle 1 stellt repräsentative Werte von Bauteilen der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 2 für eine dreiphasige drehzahlvariable Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung für 115 Volt Wechselspannung und 400 Hz und eine Belastung von 30 bis 40 KVA dar.

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Tabelle

Bauteil Wert

Widerstand 32 Widerstand 36 Widerstand 38 Diode 40 Diode 48 Rechenverstärker Kondensator Kondensator Widerstand 50 Widerstand 52 Widerstand 54 Kondensator Rechenverstärker Widerstand 60 Widerstand 62 Diode 70 Diode 72 Diode 74 Widerstand 76 Kondensator Widerstand 80 Strommeßtransfonnator

Widerstand 84 Widerstand 86 Diode 88 Diode 90 Strommeßtransfonnator

Widerstand 96 Widerstand 98 Diode 100 Diode 102 Strommeßtransformator

Widerstand Widerstand Diode 110 Diode 112 200 Kiloohm 10 Kiloohm 100 Kilooh m 1N4148 1N4148

0,01 Mikrofarad 0,01 Mikrofarad 10 Kiloohm 10 Kiloohm 487 Kiloohm

10 Kiloohm

3 Kiloohm 1N4148 1N4148 1N4148 100 Kiloohm 1 Mikrofarad

4 Kiloohm Windungsverhältnis

1000 : 442 0hm 442 0hm 1N4148 1N4148 Windungsverhältnis

1000 : 442 0hm 442 0hm 1N4148 1N4148

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Die Oszillogramme der Fig. 3 bis 5 gelten für eine dreiphasige drehzahlvariable Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung für Wechselspannungen von 115 Volt und 400 Hz und veranschaulichen die erwähnte Fähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Überspannungen weitgehend zu beseitigen.

Fig. 3A stellt ein Oszillogramm eines Wechselstrom-Leistungssignals und des zugehörigen Gleichspannungssteuersignals V^y für den Fall dar, daß eine 18-KVA-Belastung von einer herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung weggenommen wird. Wie Fig. 3A zeigt, tritt der Überspannungszustand über vier volle Perioden der Wechselleistungssignale nach Wegnahme der Belastung auf.

Fig. 3B ist ein Oszillogramm eines Wechselleistungssignals und des zugehörigen Gleichspannungs-Steuersignals V„y für den Fall, daß eine 18-KVA-Belastung von einer durch eine erfindungsgemäße Einrichtung abgewandelten herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung weggenommen wird. Wie Fig. 3B zeigt, verringert sich der Amplitudenwert des Gleichspannungs-Steuersignals V₂₇ praktisch sofort nach Wegnahme der Belastung, so daß der Überspannungszustand, während dem der vorbestimmte Wert überschritten wird, nur eine halbe Periode des Wechselleistungssignals andauert. Außerdem ist der Amplitudenwert der Halbwelle unmittelbar nach der Belastungswegnahme wesentlich kleiner als der Spannungswert in der entsprechenden Halbwelle nach Fig. 3A.

Fig. 4a stellt das Oszillogramm eines Wechselleistungssignals und des zugehörigen Gleichspannungssteuersignals Vp„ für den Fall dar, daß eine 27-KVA-Belastung von einer herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung weggenommen wird. Wie Fig. 4A zeigt, dauert der Überspannungszustand während vier voller Perioden nach der Belastungswegnahme an, und der Amplitudenwert des Gleichspannungssteuersignals nimmt während der vier Perioden des Wechselleistungssignals allmählich auf den vorbestimmten Wert ab.

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Fig. 4B stellt das Oszillogramm eines Wechselleistungssignals und des zugehörigen Gleichspannungs-Steuersignals für den Fall dar, daß eine 27-KVA-Belastung von einer herkömmlichen, erfindungsgemäß abgewandelten drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung weggenommen wird. Wie Fig. AB zeigt, dauert der Überspannungszustand nur während der ersten Halbwelle nach der Belastungswegnahme an, und der Betrag der Überspannung ist wesentlich niedriger als der Betrag der Überspannung in der ersten Halbwelle nach Fig. 4A. Außerdem wird der Amplitudenwert des Gleichspannungs-Steuersignals Vp,-, innerhalb der ersten Halbwelle nach der Belastungswegnahme auf den vorbestimmten unteren Wert verringert.

Fig. 5A stellt das Oszillogramm eines Wechselleistungssignals und des zugehörigen Steuersignals Vp₇ für den Fall dar, daß eine 40-KVA-Belastung von einer herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung weggenommen wird. Wie Fig. 6a zeigt, dauert der Überspannungszustand während der ersten vier und einer halben Periode nach der Belastungswegnahme an, und der Amplitudenwert des Steuersignals Vp₇ nimmt während vier und einer halben Periode des Wechselleistungssignals auf den vorbestimmten unteren Wert ab.

Fig. 5B stellt das Oszillogramm eines Wechselleistungssignals und des zugehörigen Gleichspannungs-Steuersignals Vp₇ für den Fall dar, daß eine 40-KVA-Belastung von einer herkömmlichen, erfindungsgemäß abgewandelten drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung weggenommen wird. Wie Fig. 5B zeigt, tritt der Uberspannungszustand nur in der ersten Halbwelle nach der Belastungswegnahme auf, und der Betrag der Überspannung ist wesentlich niedriger als der, der in der ersten Halbwelle nach Fig. 5A auftritt. Außerdem wird der Amplitudenwert des Gleichspannungs-Steuersignals Vp₇ innerhalb der ersten Halbwelle nach der Belastungswegnahme auf den vorbestimmten unteren Wert verringert.

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Wie die Oszillogramme zeigen, verringert die erfindungsgemäße Einrichtung die Überspannung, die nach einer Belastungsverringerung oder dem Auftreten des Leerlaufzustande (einer völligen Entlastung) auftritt, solange, bis der Spannungsregelkreis der herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung die Regelung der Amplitude der Wechselleistungssignale wieder wirksam übernimmt.

Zusammenfassend wird daher eine Verringerung von Überspannungen bewirkt, die in den von Stromrichtern einer drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung erzeugten Wechsellei stungs signal en V , V, , V_ während der ersten Perioden des Wechselstroms nach einer teilweisen oder vollständigen Entlastung auftreten. Eine Überspannungsverringerungsschaltung 20 ist an mehrere Gleichspannungs-Steuersignalleitungen 27, 28, 29 angeschlossen, die die einzelnen Phasen eines Mehrphasen-Spannungsgenerators 10 mit dem Schwingungsgenerator 12 einer herkömmlichen drehzahlvariablen Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvorrichtung verbinden. Die Überspannungsverringerungsschaltung 20 mißt die Ströme I , I, , I in den Wechselstromausgangs-

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leitungen der Vorrichtung und verringert selbsttätig die Steuergleichsignale auf den Steuersignalleitungen 27, 28, 29 auf einen vorbestimmten unteren Wert innerhalb einer Halbwelle des Wechselstroms nach einer Entlastung. Diese Verringerung der Steuergleichsignale dauert solange an, bis der Spannungsregelkreis der herkömmlichen Vorrichtung die Regelung der Ausgangswechselspannungen V , V, , V wieder übernehmen kann.

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Claims

Patentanwälte OQ/ C Q 1 GF::>.:: · ,:·. i'i.l Poik-La^e 13 9524 GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N. Y., VStA Patentansprüche

1.JDrehzahlvariable Konstantfrequenz-Leistungsgeneratorvor-V—./richtung mit einer Quelle mehrphasiger elektrischer Leistung, mehreren Stromrichter-Leistungsquelleneinrichtungen, die an die Quelle mehrphasiger elektrischer Leistung angeschlossen sind und durch Zündsignale so gesteuert werden, daß sie eines von mehreren Wechselleistungssignalen vorbestimmter Frequenz erzeugen, Einrichtungen, die in Abhängigkeit von jedem der Wechselleistungssignale mehrere Bezugssignale vorbestimmter Frequenz und mit Spannungsamplituden erzeugen, die in Abhängigkeit von Spannungswerten der Wechselleistungssignale gesteuert werden, mehreren Zündsignaleinrichtungen, die jeweils einen Eingang aufweisen, der in Abhängigkeit von einem der Bezugssignale das Zündsignal an eine der Stromrichter-Leistungsquelleneinrichtungen abgeben, gekennzeichnet durch eine weitere Einrichtung (20), die in Abhängigkeit von den Stromwerten (I , I, , I) der Wechselleistungssignale (V ,

el D C el

V, , V ) die Spannungsamplituden der Bezugssignale (27, 28,

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29) auf einen vorbestimmten niedrigeren Wert innerhalb eines Zyklus der Wechselstromleistungssignale nach dem Auftreten einer Belastungsverringerung oder eines Leerlaufzustands, entsprechend der dadurch bedingten Änderung der Stromwerte, verringert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte niedrigere Wert der Bezugssignale (27,

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28, 29) in Abhängigkeit von den Stromwerten (I , 1^, I ) der Wechselleistungssignale eingestellt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Einrichtung (20) Bezugsspannungsamplitudenverringerungsmittel (70 bis 80) aufweist, die in Abhängigkeit von den Stromwerten (I , I. , I) der Wechselleistungs-

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signale die Bezugssignale (27, 28, 29) über einen hohen Widerstand (76) mit Masse verbinden, wenn ein Belastungszustand vorliegt, und die Bezugssignale über einen niedrigen Widerstand (80) während einer oder mehrerer Zyklen der Wechselleistungssignale mit Masse verbinden, wenn die Belastungsverringerung oder der Leerlaufzustand auftritt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Einrichtung aufweist: eine Belastungsmeßeinrichtung (82 - 112), die in Abhängigkeit von jedem der Wechselleistungssignale (V , V, , V_) ein Steuersignal (an

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92) mit einem hohen Zustand, wenn ein Belastungszustand vorliegt, und mit einem niedrigen Zustand, wenn eine Belastungsverringerung oder der Leerlaufzustand auftritt, erzeugt, und Bezugsspannungsamplitudenverringerungsmittel (70 - 80), die in Abhängigkeit von dem Steuersignal die Spannungsamplituden aller Bezugssignale (27, 28, 29) auf den vorbestimmten niedrigeren Wert während ein oder mehrerer Zyklen der Wechselleistungssignale verringern, wenn das Steuersignal (an 92) den niedrigen Zustand aufweist, so daß Überspannungen in den Wechselleistungssignalen (V , V^, V_c) aufgrund der Belastungsverringerung oder des Leerlaufzustands verringert werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsverringerungsmittel aufweisen: a) mehrere Dioden (70, 72, 74), deren Anode mit einem Eingang für eines der Bezugssignale und deren Kathode mit einem

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ersten Verbindungspunkt (73) verbunden ist, und b) Vorspannungseinrichtungen (76, 78, 80), die in Abhängigkeit von dem Steuersignal (92) die Dioden sperren, wenn das Steuersignal den hohen Zustand aufweist, und die Dioden durchlässig machen, so daß sie mit Masse verbunden werden, wenn das Steuersignal den hohen Zustand aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungseinrichtungen einen ersten hochohmigen Widerstand (76) zwischen dem ersten Verbindungspunkt (73) und einem zweiten Verbindungspunkt (92), einen Kondensator (78) zwischen dem ersten Verbindungspunkt (73) und dem zweiten Verbindungspunkt (92) und einen zweiten hochohmigen Widerstand (80) zwischen dem zweiten Verbindungspunkt (92) und Masse aufweisen und daß das Steuersignal dem zweiten Verbindungspunkt (92) zugeführt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte niedrigere Wert der Bezugssignale durch das den niedrigen Zustand einnehmende Steuersignal in Abhängigkeit von den Stromwerten der Wechselleistungssignale eingestellt wird.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem auf diesen zurückbezogenen Anspruch,

dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsmeßeinrichtung aufweist: mehrere Stromwandler (82, 94, 104), die jeweils eine Wicklung aufweisen und auf den Stromwert (I , I, , I) jeweils eines der Wechsel-

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leistungssignale (V , V, , V) ansprechen, wobei jede Wicklung einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen (z.B. 84, 86), die an jeder Wicklung liegt, wobei der Verbindungspunkt dieser zwei Widerstände mit Masse verbunden ist, und Gleichrichter (z.B. 84, 86), die jeden ersten Wicklungsanschluß und jeden zweiten Wicklungsanschluß mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt (92) verbinden, so daß eine Gleichspannung mit geringer Welligkeit an diesem Verbindungspunkt (92) erzeugt wird, wobei diese Gleichspannung das erwähnte Steuersignal ist.

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