DE3518059A1

DE3518059A1 - Frequenz-steuerschaltung

Info

Publication number: DE3518059A1
Application number: DE19853518059
Authority: DE
Inventors: David Alan Fox
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1984-05-24
Filing date: 1985-05-20
Publication date: 1986-01-23
Anticipated expiration: 2005-05-21
Also published as: GB8510186D0; JPS60257774A; FR2565046A1; JP2636835B2; DE3518059C2; GB2159350B; US4618920A; FR2565046B1; GB2159350A

Description

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Frequenz-Steuerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Frequenz-Steuerschaltung für ein elektrisches Stromversorgungssystem nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs; derartige Frequenz-Steuerschaltungen werden insbesondere zur Steuerung der Ausgangsfrequenz eines elektronischen Wechselrichters verwendet.

Wechselrichterschaltungen, beispielsweise in Stromversorgungssystemen mit Gleichstromanschluß, variabler Geschwindigkeit und konstanter Frequenz (VSCF) enthalten eine Vielzahl von Leistungs-Polumschaltelementen, die nach einem festgelegten Schaltplan arbeiten, der durch einen Mikroprozessor oder einen anderen digitalen Schaltkreis erzeugt wird. Beide Systeme verwenden als Frequenzreferenz einen Kristalloszillator, um die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters in einem Bereich zu halten, der beispielsweise kleiner ist als 0,05 % von 400 Hz. Bei gewissen Anwendungen, beispielsweise in Stromversorgungssystemen für Flugzeuge, ist es wünschenswert, den Wechsel- richter parallel mit einer anderen Quelle zu betreiben, beispielsweise einem Stromversorgungswagen des Flughafens. Damit das VSCF-System zeitweise parallel mit einer externen Stromquelle verwendet werden kann, um eine ununterbrochene Stromversorgung zu gewährleisten,

ist es notwendig, den Ausgang des VSCF-Wechselrichters zur externen Energiequelle zu synchronisieren. Eine typische Energiequelle, wie sie auf Flughäfen verwendet wird, kann großen Frequenzänderungen unterworfen sein, beispielsweise + 5 % von 400 Hz. Um diesen Änderungen

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rungen zu folgen, benötigt der VSCF-Wechselrichter ein Referenzsignal mit einer variablen Frequenz. Es sind zwar spannungsgesteuerte Kristalloszillatoren verfügbar, doch arbeiten diese im allgemeinen nur über einen kleinen Bereich von beispielsweise ±0,1 %. Spannungsgesteuerte Oszillatoren ohne Kristalle (Quarz) können zwar so ausgelegt werden, daß sie einen beliebigen Frequenzbereich überstreichen; im Bereich von 3 bis 6 MHz verwenden spannungsgesteuerte Oszillatoren Varactor-Abstimmdioden in Resonanzkreisen, um die Frequenz abzustimmen. Diese Schaltungen enthalten sehr kleine Kapazitäten und Induktivitäten und unterliegen daher Beschränkungen, die durch Layout und Schaltungsentwurf bedingt sind. Sie sind außerdem gegenüber den verwendeten Deckschichten und Feuchtigkeit empfindlich und benötigen eine Temperaturkompensation. Spannungsgesteuerte Oszillatoren, die in Stromversorgungsanlagen für Flugzeuge verwendet werden, sind daher relativ komplex und erfordern relativ viel Platz.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Frequenz-Steuerschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, in der diese Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Außerdem soll ein Stromversorgungssystem angegeben werden, das eine Frequenz-Steuerschaltung dieser Art verwendet.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 5 gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit der hier beschriebenen Frequenz-Steuerschaltung kann beispielsweise die Ausgangsfrequenz eines VSCF-Wechsel-

richters

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richters mit einer Stabilität eingehalten werden, die fast so gut ist wie bei Verwendung eines Krista'lloszillators. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein von einem Kristall gesteuertes Taktsignal mit einem Signal geringer Frequenz kombiniert, das von einem spannungsgesteuerten Oszillator erzeugt wird. Die Frequenz-Steuerschaltung erzeugt ein modifiziertes Taktsignal, indem die Taktimpulse des stabilen Taktsignals durch die Ausgangsimpulse des spannungsgesteuerten Oszillators gesperrt werden. Die Durchschnittsfrequenz des modifizierten Taktsignals ist dann gleich der Differenz zwischen dem ursprünglichen Taktsignal und der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators.

Wenn die Frequenz-Steuerschaltung zur Steuerung des Ausgangssignals eines Wechselrichters verwendet wird, stellt die an den spannungsgesteuerten Oszillator angelegte Steuerspannung den Unterschied zwischen der normalen Ausgangsfrequenz des Wechselrichters und der Frequenz einer externen Energiequelle dar. Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht Frequenzanpassungen, ohne daß ein Hauptoszillator mit variabler Frequenz erforderlich wäre.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Frequenz-Steuerschaltung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
30

Fig. 2 eine Reihe von Wellenformen zur Erläuterung der Betriebsweise der Schaltung in Fig. 1;

Fig. 3

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Fig. 3 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters, in den die vorliegende Erfindung ein

gebaut ist; und

Fig. 5 eine Kurve mit der Darstellung der Ausgangscharakteristiken der Schaltung nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Frequenz-Steuerschaltung. Diese Schaltung enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 10 mit einer relativ geringen Ausgangsfrequenz von beispielsweise O bis 10 % der Ausgangsfrequenz des Kristalloszillators 12. Der spannungsgesteuerte Oszillator 10 empfängt an einer Eingangsklemme 14 eine Steuerspannung, beispielsweise eine Gleichspannung, und erzeugt ein Ausgangssignal mit einer Vielzahl von Spannungsimpulsen, die mit einer variablen Frequenz auftreten, und zwar abhängig von der angelegten Steuerspannung. Ein erster bistabiler Schaltkreis, beispielsweise ein D-Flipflop Zl, empfängt das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) an seiner Eingangsklemme C.. An der Klemme 16 wird ein Signal mit logisch hohem Pegel aufrechterhalten, so daß der Dateneingang D₁ laufend ein Signal sieht, das logisch hoch liegt. Die VCO-Ausgangsimpulse setzen daher den Flipflop Zl so, daß dessen Ausgang Q, hoch bleibt und einen zweiten bistabilen Schaltkreis, wie beispielsweise D-Flipflop Z2 veranlaßt, sein Ausgangssignal Q₂ auf einen hohen logischen Pegel zu setzen, wenn der nächste Taktimpuls an der Eingangsklemme C„ erscheint. Der Kristalloszillator 12 erzeugt ein Ausgangssignal, das eine Vielzahl von Spannungsimpulsen enthält, die mit einer festen

Frequenz

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Frequenz an der Klemme 18 erscheinen. Wenn der Ausgang Q₉ in seinen hohen logischen Pegel übergeht, nimmt Ausgang Q₉ den niederen logischen Pegel ein und setzt so den Ausgang Q, des Flipflops Zl auf Null. Der nächste Taktimpuls schaltet dann den Ausgang Q₂ des Flipflops Z2 auf den Wert Null zurück. Der Ausgang Q₂ nimmt daher den hohen logischen Pegel für genau einen Zyklus der Takt frequenz ein, und zwar jedes Mal, wenn ein VCO-Ausgangsimpuls erscheint.

Die logische Schaltung nach Fig. 1 erzeugt zwei Ausgänge an den Klemmen 20 bzw. 22. Wenn der gesteuerte Wechselrichter einen Mikroprozessor enthält, kann die Klemme 22 als ein Wait (Warte)- Ausgangssignal aufgefaßt werden, das mit dem Eingang "Ready" (bereit) des Mikroprozessors verbunden ist; das NOR-Glied Z3 wird dann nicht benutzt. Der Mikroprozessor geht dann in einen Wartezustand über, während sein Bereit-Eingang auf dem niedrigen logischen Pegel liegt, so daß ein Taktzyklus ausgelassen wird. Wenn der Wechselrichter einen digitalen Schaltkreis zur Erzeugung der Schaltmuster enthält, der ohne Mikroprozessor arbeitet, wird das NOR-Glied Z3 dazu verwendet, den Ausgang Q_ und die Taktsignale an der Klemme 18 zu kombinieren und so ein modifiziertes Taktsignal zu erzeugen, indem die Spannungsimpulse des Taktsignals vom Kristalloszillator so zur Ausgangsklemme 20 gegeben werden, daß jeder Spannungsimpuls des Taktsignals, der unmittelbar auf einen Spannungsimpuls im Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators folgt, gesperrt wird. Die modifizierten Taktssignale, die an der Klemme 20 erscheinen, überspringen daher den nächsten vollen Taktimpuls, nachdem ein Ausgangsimpuls des spannungsgesteuerten Oszillators empfangen wurde. Bei dieser Schaltung sind keine Halb-impulse oder Spannungsspitzen möglich,

da

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da nur volle Impulse durch das NOR-Glied Z 3 durchgelassen werden. Wenn die Frequenz des KristalloSzillators den Wert f aufweist und die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators f ist, so hat die modifizierte Taktfrequenz f den Wert f -f .

Fig. 2 zeigt eine Reihe von Wellenformen, mit denen die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 1 erläutert wird. Die Wellenform 24 von Fig. 2 stellt den Ausgang des Kristalloszillators 12 dar und enthält eine Vielzahl von Spannungsimpulsen, die mit einer festen Frequenz auftreten. Die Wellenform 26 zeigt den Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 10 und enthält eine Vielzahl von Spannungsimpulsen, die mit einer variablen Frequenz auftreten, und zwar abhängig von der an die Klemme 14 angelegten Steuerspannung. Die Wellenform 28 zeigt den logischen Pegel des Ausgangs Q, und des Eingangs D_. Die Wellenformen 30 und 32 zeigen die logischen Pegel der Ausgangsklemmen Q- bzw. Q_ des Flipflops Z2. Die Wellenform 34 stellt das modifizierte Taktausgangssignal dar, das an der Ausgangsklemme 20 erscheint. Bei der Untersuchung der Wellenformen in Fig. 2 stellt man fest, daß beim Auftreten eines Impulses am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 10 der Ausgang Q₁ des Flipflops Zl in den hohen logischen Pegel übergeht, bis der nächste Taktimpuls in der Wellenform 24 erscheint. Zu dieser Zeit geht Q, wieder in den niederen logischen Pegel über, während Q_? den hohen logischen Pegel einnimmt und dort verbleibt, bis der nächste Taktimpuls erscheint. Wenn Q„ hoch liegt, verhindert das invertierte ODER-Glied NOR Z3 den Durchgang der Taktimpulse des Kristalloszillators. In Fig. 2 ist der gestrichelte Taktimpuls 36 gesperrt worden. Das modifizierte Taktsignal an der Ausgangsklemme 20 hat daher eine mittlere Frequenz, die gleich ist der

Ausgangsfrequenz

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Ausgangsfrequenz des Kristalloszillators minus der A'isgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform enthält der spannungsgesteuerte Oszillator 10 einen Funktionsgenerator Z5, Widerstände Rl, R2 und R3 sowie Kapazitäten C2 und C3. Das Ausgangssignal des VCO 12 gelangt durch den Kondensator Cl zur Eingangsklemme des Flipflops Z4A. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Versorgungsspannung an die Klemme 38 angelegt und die Flipflop-Schaltkreise Z4A und Z4B sind identisch Zl und Z2 von Fig. 1. Der Generator 40 für das Schaltfolgemuster empfängt das modifizierte Taktsignal vom NOR-Glied Z3 und erzeugt an seinen Klemmen 42, 44, 46, 48, 50 und 52 eine Schaltfolge für die Leistungspole eines Dreiphasenwechselrichters. In diesem Ausführungsbeispiel enthält der Mustergenerator 40 einen Digitalschaltkreis ohne Mikroprozessor. Wäre ein Mikroprozessor enthalten, würde die Ausgangsklemme Q__ in der oben beschriebenen Weise mit dem Bereit (Ready)-Eingang des Mikroprozessors verbunden. Tabelle I zeigt typische Beispiele für die Komponenten, die in der Schaltung nach Fig. 3 verwendet werden können.

TABELLE 1
Komponenten im Schaltdiagramm der Fig. 3

CRl

Cl, C2, C3

Rl, R3

R2

Z3

Z4

Z5

1N914 0,001 μΈ 2 K 0hm 1 K 0hm 5402 TTL NOR-Glied 5474 TTl D Flipflop 566 Funktionsgenerator

Fig. 4

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Fig. 4 ist ein teilweise in schematischer Form ausgeführtes Blockdiagramm eines Gleichstromwechselrichters mit einer Frequenzsteuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem System erzeugt ein Generator 42 mit variabler Geschwindigkeit einen Wechselstrom, der durch eine Brückenschaltung 44 gleichgerichtet wird, um an den Gleichstromverbindungsleitungen 46 und 48 eine Gleichspannung zu erzeugen. Eine Vielzahl von Transistorschaltern in einem Leistungs-Polumschaltnetzwerk 50 werden durch einen Schaltmustergenerator gesteuert, um die Leistungspole 52, 54 und 56 zwischen den Gleichspannungsverbindungsleitungen alternativ zu schalten. Ein Spannungsregler 58 fühlt die Spannung an den Ausgangsleitungen hinter dem Ausgangsfilter 60 ab und steuert die Gleichspannung durch entsprechende Einstellung des Erregerstroms im Generator 42. Wenn die Ausgangsleitungen des Wechselrichters parallel zu einer externen Spannungsquelle geschaltet werden sollen, fühlt ein Referenzspannungsgenerator 62 die Frequenz der externen Quelle an den Klemmen 64 und 66 ab und erzeugt eine Steuerspannung an der Klemme 14, die den Unterschied zwischen der Frequenz der externen Spannungsquelle und der normalen Ausgangsfrequenz des Wechselrichters darstellt. Die Frequenzsteuerung 68, die entsprechend Fig. 1 oder Fig. 3 ausgelegt sein kann, erzeugt ein modifiziertes Taktsignal oder ein Wartesignal entsprechend der Schaltung in dem Schaltfolgemuster-Generator und modifiziert so die Ausgangsfrequenz des Schaltfolgemuster-Generators, um sie an die Frequenz der externen Spannungsquelle anzupassen. Fig. 5 ist eine grapische Darstellung, in der die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators und die Grundfrequenz der Umschaltfolge in dem Wechselrichter in Abhängigkeit von der Steuerspannung an Klemme 14 aufgetragen sind.

Aus

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Aus der bisherigen Beschreibung wird deutlich, daß bei der Parallelschaltung eines Wechselrichter-Spannungsversorgungssystems mit einer Frequenz-Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer externen Spannungsquelle diese das gesamte System steuert. Die Frequenzsteuerung ermöglicht es, die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters anzupassen, ohne daß ein variabler Taktgeber für die Hauptfrequenz erforderliche wäre. Die Genauigkeit der modifizierten Ausgangsfrequenz des Wechselrichters hängt dann von der Genauigkeit des Steuerspannungsdifferenzsignals und des Ausgangs des spannungsgesteuerten Oszillators ab. Da der VCO-Oszillator nur mit einem Bruchteil der Frequenz des Haupttaktoszillators arbeitet, ist die Stabilität des modifizierten Taktsignals fast so gut wie die des Kristalloszillators. Mit der vorliegenden Erfindung wird somit die Steuerung der Frequenz beliebiger taktgesteuerter Schaltkreise über einen relativ engen Bereich ermöglicht und gleichzeitig die grundlegende Genauigkeit des ursprünglichen Taktes beibehalten.

- Leerseite -

Claims

PATENTANSPRÜCHE 10 15

1. Frequenz-Steuerschaltung für ein elektrisches Spannungsversorgungssystem, mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (10), der abhängig von einer angelegten Steuerspannung eine Vielzahl von Spannungsimpulsen erzeugt, die mit einer variablen Frequenz auftreten, gekennzeichnet durch die folgenden Bestandteile:

eine Eingangsklemme (18), an die ein Taktsignal mit einer Vielzahl von mit fester Frequenz erscheinenden Spannungsimpulsen angelegt wird, und

Vorrichtungen (Z3), die aus dem Taktsignal ein modifiziertes Taktsignal erzeugen, indem die Spannungsimpulse des Taktsignales so an eine Ausgangsklemme (20) weitergeleitet werden, daß jeder Spannungsimpuls des Taktsignals, der unmittelbar auf einen Spannungsimpuls im Ausgangssignal des spannungsgesteuertes Oszillators folgt, gesperrt wird.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, daduch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Erzeugung des modifizierten Taktsignals erste und zweite D-Flipflops (Zl, Z2) aufweisen, wobei der erste Flipflop eine Dateneingangsklemme (16) aufweist, eine Takteingangsklemme (C₁), eine Klemme zum Rücksetzen des Flipflops (CLR) und eine Ausgangsklemme (Q,), daß die Dateneingangsklemme des ersten Flipflops mit einem hohem logischen Signalpegel verbunden

ist

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ist und seine Takteingangsklemme das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators empfängt, daß der zweite Flipflop (Z2) eine Dateneingangsklemme (D„) aufweist, eine Takteingangsklemme (C-), eine Eingangsklemme zum Rückstellen, eine Ausgangsklemme (Q-) und eine invertierte Ausgangsklemme (Q₂)' wobei die Dateneingangsklemme mit der Ausgangsklemme des ersten Flipflops verbunden ist, die Takteingangsklemme mit dem Taktsignal und die invertierte Ausgangsklemme ((J) mit der Rücksetzklemme des ersten Flipflops, daß ein invertiertes ODER-Glied (Z3) mit zwei Eingangsklemmen und einer Ausgangsklemme vorgesehen ist, wobei die Ausgangsklemme des zweiten Flipflops mit einem Eingang des invertierten ODER-Glieds verbunden ist und dessen andere Eingangsklemme das Taktsignal empfängt, so daß an der Ausgangsklemme (20) des

invertierten ODER-Glieds (Z3) das modifizierte Taktsignal / erscheint.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kristalloszillator zur Erzeugung des Taktsignals vorgesehen ist.

^ 4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltfolgemuster-Generator (40) vorgesehen ist, der das modifizierte Taktsignal empfängt und ein Leistungspolumschaltfolgemuster für einen Wechselrichter erzeugt, dessen Frequenz durch das modifizierte Taktsignal bestimmt ist.

5. Elektrisches Spannungsversorgungssystem mit einem Generator zur Erzeugung einer Gleichspannung an einem Paar von Gleichspannungsverbindungsleitungen (46, 48), einem Wechselrichter zum Umsetzen der Gleichspannung in einen Mehrphasenwechselstrom, wobei der Wechselrichter einen Schalt-

folgemuster- ί ORKBINAL INSPECTED

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folgemuster-Generator enthält sowie eine Vielzahl von Ausgangsleistungspolen und Vorrichtungen, mit denen die Leistungspole zwischen einem der Gleichspannungsverbindungsleiter mit einer positiven Polarität und dem anderen der Gleichspannungsverbindungsleiter mit einer negativen Polarität entsprechend einem Signal geschaltet werden, das durch den Schaltfolgemuster-Generator erzeugt wird, und mit einer Frequenzsteuerschaltung zur Steuerung der Frequenz des Ausgangssignals des Schaltfolgemuster-Generators, wobei die Frequenzsteuerschaltung eine Eingangsklemme (18) aufweist, die ein Taktsignal mit einer Vielzahl von mit fester Frequenz erscheinenden Spannungsimpulsen empfängt, sowie einen spannungsgesteuerten Oszillator (10) zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer Vielzahl von mit variabler Frequenz erscheinenden Spannungsimpulsen in Abhängigkeit von einer angelegten Steuerspannung und Vorrichtungen (Zl, Z2, Z3) zur Erzeugung eines modifizierten Taktsignals, die die Spannungsimpulse des Taktsignals so an eine Ausgangsklemme (20) weiterleiten, daß jeder Spannungsimpuls des Taktsignals, der unmittelbar auf einen Spannungsimpuls im Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators erscheint, gesperrt wird.

6. Elektrisches Spannungsversorgungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Erzeugung des modifizierten Taktsignals erste und zweite D-Flipflops (Zl, Z2) aufweisen, wobei der erste Flipflop eine Dateneingangsklemme (16) aufweist, eine Takteingangsklemme (C,), eine Klemme zum Rücksetzen des Flipflops (CLR) und eine Ausgangsklemme (Q,), daß die Dateneingangsklemme des ersten Flipflops mit einem hohen logischen Signalpegel verbunden ist und seine Takt-

eingangsklemme

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eingangsklemme das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators empfängt, daß der zweite"Flipflop (Z2) eine Dateneingangsklemme (D₃) aufweist, eine Takteingangsklemme (C.,), eine Eingangsklemme zum Rückstellen, eine Ausgangsklemme (Q_) und eine invertierte Ausgangsklemme (Q~), wobei die Dateneingangsklemme mit der Ausgangsklemme des ersten Flipflops verbunden ist, die Takteingangsklemme mit dem Taktsignal und die invertierte Ausgangsklemme (Q) mit der Rücksetzklemme des ersten Flipflops, daß ein invertiertes ODER-Glied (Z3) mit zwei Eingangsklemmen und einer Ausgangsklemme vorgesehen ist, wobei die Ausgangsklemme des zweiten Flipflops mit einem Eingang des invertierten ODER-Glieds verbunden ist und dessen andere Eingangsklemme das Taktsignal empfängt, so daß an der Ausgangsklemme (20) des invertierten ODER-Glieds (Z3) das modifizierte Taktsignal erscheint.

7. Elektrisches Spannungsversorgungssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kristalloszillator (12) zur Erzeugung des Taktsignals vorgesehen ist.

8. Elektrisches Spannungsversorgungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltfolgemuster-Generator (40) das modifizierte Taktsignal empfängt und eine Schaltfolge für die Leistungspole eines Wechselrichters erzeugt, deren Frequenz durch das modifizierte Taktsignal bestimmt ist.