NL8001366A - Inrichting voor het converteren van wisselstroom- -voedingsenergie. - Google Patents

Description

·» t ? * VO 0227

Titel: Inrichting voor het converteren van wisselstroom-voedings-energie ♦___

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het rechtstreeks converteren van wisselstroom in wisselstroom, met andere woorden een conversie-inrichting, waarbij aan de uitgang, en uitgaande van de aan de ingang toegevoerde wisselstroom rechtstreeks een 5 wisselstroom wordt verkregen zonder dat gebruik wordt gemaakt van enige zich tussen de ingang en uitgang bevindende gelijkstroomtrap, welke inrichting in staat is om aan de uitgang energie af te leveren, waarvan eigenschappen, zoals frequentie, amplitude of vermogensfactor met betrekking tot corresponderende eigenschappen van een poly-faze wissel-10 stroomsysteem, dat aan de ingang werkzaam is, zijn gewijzigd.

Voor talrijke toepassingen is het een vereiste dat eigenschappen van elektrische voedingsenergie verschillen van die van beschikbare voedingsenergie. Zulks is bijvoorbeeld het geval wanneer gebruik wordt gemaakt van een inductiemotor, waarvan de snelheid kan worden geregeld 15 door regeling van de frequentie en spanning van de voedingsenergie, of voor het omlaag brengen en stabiliseren van de frequentie van de spanning, zoals gegenereerd door een hoofdgenerator, die is gekoppeld met een turbine van een straalvliegtuig. In het bijzonder is frequentie-conversie goed bruikbaar voor al die elektrische machines, zoals moto-20 ren en transformatoren, waarbij het mogelijk is om deze machines compact en op eenvoudige wijze uit te voeren, wanneer de frequentie van de voedingsspanning hoger is dan die van een beschikbare voedingsbron.

Haast de mogelijkheid om de spanning en de frequentie te kunnen wijzigen, is het tevens gewenst cm in staat te zijn om de faze-hoek van 25 de via de conversie-inrichting overgedragen energie te kunnen wijzigen en wel zonder dat gebruik behoeft te worden gemaakt van reactieve elementen.

De voor een wisselstroom-conversie-inrichting gewenste eigenschappen kunnen als volgt worden samengevat : 30 1. Eet moet mogelijk zijn om de uitgangsamplitude en uitgangsfrequentie te regelen; 2. De aan de ingang en uitgang aanwezige golfYormen dienen in hoofdzaak sinusvormig te zijn, of tenminste van een zodanige vorm te zijn, dat ongewenste harmonischen duidelijk zijn afgezonderd van de fundamentele 35 frequentie en een hogere waarde dan die van de fundamentele frequentie ann 1 3 66 2 hebben, terwijl absoluut geen sub-harmonischen aanwezig zijn; 3. Het dient mogelijk te zijn, dat energie in beide richtingen wordt overgedragen (bijvoorbeeld in verband met het regeneratief afremmen van motoren); 5 Afwezigheid van reactieve elementen;verwacht kan worden, dat met de voortdurende verbeteringen op het gebied van halfgeleidertechnologie de prestaties van vaste-stof schakelaars aanmerkelijk kunnen worden verbeterd bij een vermindering van kostprijs en omvang, waarbij een soortgelijke verbetering ten aanzien van reactieve elementen echter niet is 10 te verwachten, en welke reactieve elementen daardoor de technologische vooruitgang op het gebied van conversie-inrichtingen in sterke mate zouden tegenhouden; 5. Het moet mogelijk zijn cm de faze-hoek van de energie, die door een belasting wordt opgenomen, via de conversie-inrichting te kunnen rege-15 len.

Diverse soorten van wisselstroam-conversie-inrichtingen zijn reeds voorgesteld, waarbij het echter om welke reden dan ook, niet mogelijk is gebleken cm gelijktijdig te voldoen aan alle vijf in het vooraf-gaande genoemde eigenschappen. De momenteel bestaande conversie-inrich-20 tingen kunnen in twee hoofdgroepen worden onderverdeeld en wel de AC/DC/AC-conversie-inrichtingen en de rechtstreeks werkende conversie-inrichtingen. De AC/DC/AC-conversie-inrichtingen omvatten twee afzonderlijke trappen. In de eerste trap wordt de ingangsenergie geconverteerd in een gelijkstroom of gelijkspanning en deze stroom of span-25 ning wordt vervolgens toegevoerd aan de tweede trap die werkzaam is om aan de uitgang daarvan een wisselstroom met de gewenste frequentie te doen ontstaan. Zonder verder dieper in te gaan op de hoedanigheden van de diverse soorten van AC/DC/AC-conversie-inrichtingen wordt volstaan met op te merken, dat dergelijke conversie-inrichtingen in het algemeen 30 verschillende nadelen hebben (het is nodig filters toe te passen; ener-gie-overdracht slechts in êén richting mogelijk; een betrekkelijk groot aantal halfgeleiders is nodig; beperkingen gesteld aan de golfvorm van de ingangsenergie; of beperkingen ten aanzien van de uitgangsimpedantie), waardoor de prestatie-eigenschappen en gebruiksmogelijkheden van derge-35 conversie-inrichtingen zijn beperkt.

Bij rechtstreeks werkende conversie-inrichtingen wordt daarentegen uitgaande van de wisseistroom-ingangsenergie zonder enige zich tussen de 80 0 1 3 66 3 f * uitgang en ingang "bevindende gelijkstroomtrap, rechtstreeks de -wissel-stroom-uitgangsenergie gesynthetiseerd. De meest bekende conversie-in-richtingen van deze soort zijn: de cycloconverter, waarbij elke uitgang in beginsel bestaat uit een AC/DC-converter; en de kort geleden 5 door de firma Westinghouse ontwikkelde converters die worden aangeduid door de letters UFC (unrestricted frequency changer) en SSFC (slow switched frequency changer).

Bij laatstgenoemde twee converters in het bijzonder wordt de uit-gangsfrequentie l,geconstrueerd"door toepassing van matrisconfiguraties 10 van schakelaars die volgens voorafbepaalde programma’s en functies worden gesloten. Alhoewel dergelijke converters tevens een voordeel betekenen met betrekking tot de aan de ingangszijde, alsook aan de uit-gangszijde aanwezige harmonischen, is het hierbij niet mogelijk om de aan de belastingszijde geldende faze, of de uitgangsspanning te regelen, 15 waarbij ‘een groot aantal ingangsfazen zijn vereist om in staat te zijn de harmonischen inhoud aan de uitgang te verminderen.

Met de onderhavige uitvinding is derhalve beoogd een verbeterde, rechtstreeks werkende AC-converter beschikbaar te stellen, waarvan de golfvormen, zowel de ingangsstroom, alswel de uitgangsspanning, een on-20 gewenste harmonischen inhoud hebben en welke harmonischen op eenvoudige wijze naar het gebied van hogere frequenties kunnen worden verschoven, en welke converter energie-overdracht in twee richtingen mogelijk maakt, alsook toelaat, dat de frequentie, amplitude, faze-hoek^aan de uitgang en de ingangsvermogensfactor worden geregeld.

25 Een rechtstreeks werkende AC-converter met ingangsgeleiders voor een gebalanceerd poly-faze wisselstroom-ingangsspanningssysteem, uitgang sgeleiders voor een wisselstroom-uitgangsspanningssysteem met tenminste een eigenschap, zoals frequentie, amplitude, faze-hoek of faze-verschuiving, die afwijkt van die van het ingangsspanningssysteem, en 30 een aantal twee-richtingsschakelaars, die elke ingangsgeleider afzonderlijk verbinden met elke uitgangsgeleider, is volgens de uitvinding gekenmerkt door een besturingsstelsel met daarvan deel uitmakende tempeer-middelen voor het teweeg brengen van een zich herhalende reeks van in breedte gemoduleerde pulsen, waarbij het in de reeks voorkomende aantal 35 pulsen gelijk is aan het aantal fasen van het ingangsspanningssysteem, welk besturingsstelsel zodanig is verbonden met de schakelaars, dat de pulsen werkzaam zijn om de schakelaars te sluiten, zodanig, dat elke 80 0 1 3 66 k faze van bet ingangsspanningssysteem op zijn beurt is verbonden met elke faze van bet uitgangsspanningssysteem, waarbij op elk gegeven moment slechts een van de schakelaars die is verbonden met willekeurige van de uitgangsgeleiders is gesloten, en elke ingangsgeleider steeds met ten-^ minste êên uitgangsgeleider is verbonden.

Het uitgangsspanningssysteem kan een enkel-faze of een poly-faze systeem zijn. Door de reeks van in breedte gemoduleerde pulsen wordt, wanneer deze worden gemoduleerd door equidistante fazen van een sinusvormige golf van een modulerende frequentie, bewerkstelligt, dat de 10 frequentie van het uitgangsspanningssysteem met een bedrag, gegeven door de modulerende frequentie verschilt van die van het ingangsspannings-systeem. De reeks van in breedte gemoduleerde pulsen wordt bij voorkeur herhaald met een drempel van 1000 tot 100.000 malen per seconde en met de uitgangsgeleiders gekoppelde filters kunnen de hoogfrequentcomponen-^ ten die ontstaan doordat de schakelaars door de pulsreeksen worden bediend, onderdrukken.

De reeksen van pulsen kunnen worden geproduceerd door analoge of door digitale middelen; een uitvoeringsvoorbeeld van daartoe dienende analoge middelen omvat een ringconfiguratie van bestuurbare monostabie-20 . . . .

Ie multivibrators die zodanig zijn aangesloten, dat door het terugzetten van een ene multivibrator de volgende multivibrator in de ringconfiguratie wordt omgeschakeld, waarbij op onderling gelijke afstanden gepositioneerde fazen van een modulerende trilling kunnen worden gebruikt om de zettijden van de desbetreffende multivibrators te besturen.

25

Volgens hetzelfde principe werkende digitale middelen zouden als een alternatief kunnen worden gebruikt onder toepassing van technieken op het gebied van digitale differentiaal-analyse, of als een alternatief een aangepast geprogrammeerde microprocessor.

Een converter volgens de uitvinding kan worden ingericht om een 30 . . ...

uitgangsspannmg met een negatieve frequentie te produceren, zodat, wanneer de uitgangsspanning wordt aangelegd aan een reactieve belasting, het fazeverschil tussen de stroom en spanning van de ingangsgeleiders tegengesteld is aan het fazeverschil tussen de stroom en spanning in de uitgangsgeleiders. Een converter zou ook kunnen worden gebruikt om de ver- 35 ... . .

mogensfactor van de mgangsvoedmgsenergie te regelen, mdien de pulsen van de reeks in breedte zouden zijn gemoduleerd door een combinatie van verschillende fazen van twee sinusvormige trillingen met verschillende 8 0 0 1 3 Be I 1 5 frequenties die, indien afzonderlijk aangelegd, uitgangssignalen met gelijke, echter positieve en negatieve frequenties, zouden produceren. Indien bij een dergelijke converter de grootte van de uitgangsfrequentie gelijk zou zijn aan die van de ingangsfrequentie en zowel aan de ingangs-5 zijde alswel aan de uitgangszijde eenzelfde aantal fazen aanwezig zou zijn, zouden de ingangsgeleiders via een transformator kunnen worden verbonden met de uitgangsgeleiders teneinde een generator voor reactief vermogen te vormen. Verder zal een relatieve belasting waaraan uitgangs-energie wordt toegevoerd, zich aan de ingangsvoedingsenergie kunnen 10 voordoen als een zuiver resistieve belasting. Aangezien het in een dergelijke inrichting zou kunnen voorkomen, dat op bepaalde tijden de voedingsbron wordt kortgesloten door de schakelaars, is het gewenst om in de voedingsgeleiders passend gedimensioneerde zelf-inducties op te nemen teneinde de sterke stromen die anders via de schakelaars zouden 15' vloeien, te verminderen.

✓

Een converter volgens de uitvinding kan ondermeer worden toegepast voor het regelen van de snelheid van een inductiemotor en wel door het variëren van de frequentie van de voedingsenergie die aan zulk een motor wordt toegevoerd. Indien gewenst kan een terugkoppel-20 keten die is ingericht om een signaal, indicatief voor de snelheid van de motoras terug te voeren naar de converter, worden aangebracht, teneinde deze motor hetzij met een constante snelheid, hetzij met een constant koppel te kunnen laten werken door het meten van de slip tussen de snelheid, corresponderende met de aandrijffrequentie en de motorsnel-25 heid.

De uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekening. In de tekening is : fig. 1a een schema met behulp waarvan de werking van een convertrer met een drie-faze ingang en een enkel-faze uitgang zal worden behandeld; 30 fig, 1¾ een diagram ter illustratie van de schakelmomenten, gel dend voor de in fig. 1a weergegeven converter; fig. 2 een vectordiagram ter illustratie van de synthese van de uitgangsspanning van de in fig. 1a weergegeven converter; fig. 3 een prineipeschema van een converter met een drie-faze 35 ingang en een drie-faze uitgang; fig. b en 5 vector diagrammen met behulp waarvan de werking van de in fig. 3 weergegeven converter zal worden behandeld; 80 0 1 3 66 fig. 6 een blekschema van een praktische uitvoeringsvorm van een converter met een drie-faze ingang en een drie-faze uitgang; 6 fig. Tj 8 en 9 in combinatie een gedetailleerd schema van een drie-faze spanning-bestuurde oscillator die kan worden gebruikt bij een 5 converter volgens fig. 6; fig. 10 een schema van een amplitude-pulsduurconverter die kan worden gebruikt in de converter volgens fig. 6; fig. 11 een schema van een met vertraging werkende aandrijfketen die kan worden gebruikt in een converter volgens fig. 6; 10 fig. 12 een uitvoeringsvoorbeeld van een schakelaarmoduul, die kan worden gebruikt in een converter volgens fig. 6; fig. 13 een converter die is ingericht om een fazeverschuiving te kunnen besturen; fig. 14 een schema van een voor het regelen van een mot or snelheid 15 dienende besturingsketen, die kan worden toegepast in een converter volgens de uitvinding; fig. 15 een schema van een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding, waarbij een microprocessor wordt gebruikt voor het besturen van de schakelt ij den; en 20 fig. 16 , 17, 18 en 19 schema’s van alternatieve uitvoerings vormen van een schakelaar die kan worden toegepast in een converter volgens de uitvinding.

Met verwijzing naar de fig. 1 - 5 zal de theoretische basis voor een converter volgens de uitvinding worden behandeld.

25 Een drie-faze naar drie-faze wisselstroomconverter omvat negen schakelaars die elke ingangslijn met elke uitgangslijn kunnen verbinden (fig. 3). Het voor een dergelijke converter bestaande ontwerpprobleem kan als volgt worden geformuleerd:

Gegeven zijn een stel sinüsvormige ingangsspanningen met een ingangs- 30 frequentie 2 7? & ^

Vi^ = Vi cos ω ^t )

Vi2 Vi cos (cj^t + |· /7) ) (1)

Yi^ = Yi cos (&> Λ + — 7Γ) ) en een stel sinusvormige uitgangsstromen met uitgangsfrequentie 35 2 y# 0 Ιο. = I cos {CJ t + i) )

IoD = I cos { cj t + — /^ + ji) ) (2) • d O 0 3 8 0 0 1 3 66 io3 = i0 cos (ot +1 /7 + i) ) t * »7 waarbij bet probleem is cm de schakeltijden S^, ··· s^3 zo,iaaig te bepalen, dat de laagfrequente gedeelten van de gesynthetiseerde uit gang s spanningen Vo^, VOg, Vo^ en de ingangsstromen Ii^, Ii2, Ii^ sinusvormig zijn en de desbetreffende uitgangsfrequentie, ingangsfre-5 quentie en amplitude een voorgescbreven waarde hebben.

Eenvoudigheidshalve zal in eerste aanleg worden beschouwd de synthese voor slechts éên uitgangslijn (fig. la). De uitgangslijn is met de drie ingangen verbonden door middel van de drie schakelaars ,

Sg, S^-'Deze schakelaars worden sequentieel en cyclisch gesloten. Ge-10 durende de K schakelvolgorde wordt aangenomen, dat de tijden, waarop de schakelaars , Sg en worden gesloten, zijn gegeven door t^, tg, t^s waarbij geldt, dat t^ + tg + t^ = Tseq = en'waarbij Tseq een constante is (fig. 1b).

^ De tijden t^, tg en t^ bepalen de werking van de converter.

De golfvorm van de uitgangsspanning Vo loopt volgens een discontinue functie die is samengesteld uit delen van de drie ingangs-spanningen, welke delen sequentieel zijn samengesteld. In het algemeen geldt, dat het Fourier Spectrum van de uitgangsspanning afhankelijk 20 is van de ingangsspanning, ingangsfrequentie en de wetmatigheid van de schakelwerking die in de converter plaats vindt. Het laagfrequente gedeelte van het Fourier uitgangsspectrum hangt echter in hoofdzaak af van de gemiddelde uitgangswaarde, geldend voor elke reeks, zolang geldt, dat << 2 77* fseq. Met andere woorden geldt, dat indien fseq—» oo # 25 alle functies die gedurende de tijdsintervallen Tseq dezelfde gemiddelde waarde hebben, hetzelfde spectrum hebben, ongeacht de wijze waarop deze worden gesynthetiseerd. Indien een sinusgolf moet worden gesynthetiseerd dient de wetmatigheid van de schakelwerking zodanig te worden gekozen, dat de reeks van gemiddelde uitgangswaarden volgens een sinus-30 functie varieert.

• In dit geval zij aangenomen dat cJ.,t'j << 2/7f 1 "o seq

Bij de in het voorafgaande gegeven beschouwingen is slechts rekening gehouden met de opeenvolging van gemiddelde waarden. Gedurende β ...

35 de K reeks kan de gemiddelde uitgangsspanning worden benaderd door 80 0 1 3 66 8 VV = (V1 ^ + V2 *2 + ?3 Φ 1364 t3) waarin , Vg, de ingangslijnspanningen voorstellen, gemeten op dezelfde tijd gedurende de Ke reeks, waarbij deze spanningen als con- stant worden beschouwd voor de tijden t1, tp en t .

^ ^ k.

5 De gemiddelde uitgangsspanning ^°av verSelij^iI1S

(3) kan worden bepaald door sommatie van drie vectoren, die de ingangs- spanningen voorstellen en die ronddraaien met de hoekfrequentie (x). en k k k ^ die zijn gewogen door de schakeltijden t^, tg, en t^ (fig. 2)

Indien voor alle k-waarden bijvoorbeeld geldt, dat 10 t.j tg = t^j dan geldt, dat de gemiddelde uitgangsspanning gelijk is aan nul.

Indien voor alle k-waarden bijvoorbeeld geldt, dat k k k 't^, tg en t^ constant is, geldt, dat de resulterende uitgangsvector met betrekking tot de ingangs-15 vectoren gefixeerd is.

De uitgangsspanning is derhalve bij de ingangsfrequentie sinusvormig en'de amplitude en faze daarvan kunnen worden ingesteld door het variëren van t^, t^~ en t^.

Tenslotte geldt, indien ^ tij1 = ί 1 + 2.q.cos (K.Tseq 1 tg = ^|2. [ 1 + 2.q.cos (K.Tseq <^m - |/a)] (1*) tk =Ts|£ [ 1 + 2.q.cos (K.Tseq - | ^)] waarbij q een constante is en to ^ een constante modulatiefrequentie is, dat de resulterende vector een constante amplitude q Vi heeffc, waarbij, wanneer K toeneemt, deze vector ten opzichte van de ingangsvectoren omdraait met hoekfrequentie ^ m· Derhalve is de uit gangs spanning sinusvormig, gekenmerkt door de amplitude q.Vi en de hoekfrequentie tü = CO. + UJ .

o i m

Opgemerkt wordt, dat CJ in de vergelijking (^) niet positief m behoeft te zijn. Indien geldt, dat<^ = - iO ^ wordt de converter gewijzigd in een AC-DC-convert er Indien echter geldt, dat oJ ^ <-*Λ, tOQ<. 0 bestaat geen verschil tussen.positieve en negatieve uitgangs-frequenties. De converter kan derhalve eenzelfde uitgangsfrequentie volgens twee bedrijfsmodi synthetiseren en wel als volgt : 80 0 1 3 66 * \ 9

Symmetrische modus : & > - ^. = 6) , + u) J m l o l m

Asymmetrische modus : &/<-&>. ώ/=-(ώ?.+ω) J m^ x o x m waarbij de twee mogelijke waarden voor & zijn gegeven voor eenzelfde waarde van. £ü . Een vereenvoudigde uitvoeringsvorm van de converter 5 volgens fig. 1a kan op eenvoudige wijze worden uitgebreid tot een converter met drie uitgangsfazen, (fig. 3). Drie stellen van mono-faze-converters die werkzaam zijn volgens de vergelijkingen (k) zijn volgens een cyclische permutatie wat de ingangsgeleiders betreft, aangesloten.

Een cyclische permutatie heeft tot gevolg, dat bij een vectorconfigura-10 tie volgens fig. k en 5 een referentierotatie ontstaat. Indien het zich aan de ingangszijde bevindende drie-fazesysteem gebalanceerd is, zijn de drie uitgangsfazen equidistant. Set blokschema van een dergelijke converter is weergegeven in fig. 13. Uitgaande van de vergelijkingen {b) kan op eenvoudige wijze de totale existentiematrix ofwel modula-15 tiematrix van de converter worden afgeleid :

Er zij aangenomen dat : ·*>] -3 _____________________ f’(t) = 1 + q.2.eos fc^.Tseq.int · ^)]

f" (t)- 1 + q.2.cos J· i^.Tseq.int (rf~ · t) J

„ waarbij dan geldt : 20

Ut ) - i(t -f') Ut -f’) - Ut -f’-f") 1 (t -f-f")

X X X X X

E(t) =1 (t -f’) - Kt -f’-f") Kt -f’-f") 1 (t )—1 (t -f ’) (5)

X X X X X

Kt -f’-f") Kt ) - Kt -f') Kt -f’)-1 (t -f’-f")

X XX XX

waarin het symbool 1(t) een aanduiding geeft voor de Dirac-stapfunctie

T

(van t). Er zij opgemerkt, dat E * E ; d.w.z. de converter is volledig 25 symmetrisch. Tassen de ingangspoorten en de uitgangspoorten bestaat geen verschil. Wegens de symmetrie van de converter zal, wanneer de in-gangsspanning wordt geconverteerd in de uitgangsfrequentie, dezelfde conversie gelden voor de uitgangsstroom. Een dergelijke converter is derhalve gekenmerkt door een sinusvormige ingangsstroom bij de ingangs-frequentie, in onafhankelijkheid van de uitgangsfrequentie (zelfs indien de uitgangsfrequentie nul is, gelijkstroom).

Zoals in het voorafgaande is uiteengezet kan de converter door 80 0 1 3 66 - 10 - twee operatïemodi elke uit gang sfr e quent i e synthetiseren. Met verwijzing naar de fig. en 5 zal het verschil tussen deze twee operatiemodi worden toegelicht. In fig. k zijn Vi^Vig, Vi3 en Vo1, Vo2, ingangs-spanningen en uitgangsspanningen. Indien de belasting resistief is, 5 zijn Io^, IOg, Io^ en li^, ïi2, Ii^ respectievelijk uitgangsstramen en ingangsstromen. Indien aan de uitgangspoort (fig. 5) een fazeverschui-ving tussen stroom en spanning wordt géintroduceerd,is deze werkzaam ' als een referentiedraaiïng ten aanzien van de synthese van de ingangs-stroom. De aan de uitgang bestaande fazeverschuiving blijkt derhalve 10 ongewijzigd aanwezig te zijn aan de ingangspoort. Bij de symmetrische modus geldt echter, dat een naijlende verschuiving aan de uitgang aan de ingang eveneens naijlend is, terwijl in de asymmetrische modus de . naijlende verschuiving aan de uitgang een voorijlende verschuiving aan de ingang betekent. Consequentie hiervan is dat, inductieve belastingen 15 door de converter kunnen worden omgezet in capacitieve belastingen.

De converter is in staat om een reactief vermogen te genereren.

Uit de in het voorafgaande gegeven behandeling blijkt, dat de nieuwe converter voldoet aan alle in het voorafgaande opgesamde vereisten die aan een "ideale” converter zijn te stellen. Als ketenele-20 ment kan een snel-schakelende converter worden beschouwd als een algemene vorm van een wisselstroomtransformator, waarmede het mogelijk is om de frequentie, amplitude en faze van daardoorheen geleide elektrische energie te variëren. De conversie wordt bepaald door drie parameters: S: (+1 of —1}; conversiemodus (symmetrisch of asymmetrisch) 2^ (0 <T q < Q, 5); verhouding tussen uitgangsamplitude en ingangsampli- tude £)^:(- co ; frequentieverschuiving ten aanzien van de ingang en de uitgang.

Wanneer deze parameters zijn ingesteld kan de converter worden ge-30 realiseerd als een conventioneel ketenelement met twee poorten voor een poly-faze ingang en een poly-faze uitgang en waarvan voor sinusvormige golven of gelijkstroomgolven de kenmerkende relaties slechts zijn gegeven door :

Vo = q.Vi 35 lo = 1 .li (6) 80 0 1 3 66 11

Symmetrische modus: Asymmetrische modus: S = 1 S = -1 £» > - «λ O) s - .

mi mx l 1 m “'o i m 5 = φ.. é = -«5.

In het voorafgaande is de werking van de converter beschreven met de benadering <*·>:, < < 2 7? .fseq. In de praktijk is de schakel- frequentie van de converter fseq beperkt door overwegingen aangaande het rendement van de schakelwerking. Aangezien fseq een eindige grootheid is, is een bepaalde hoeveelheid ongewenste harmonischen die tot nu toe zijn verwaarloosd, aanwezig in de golfvormen van de converter. In feite is het Fourier spectrum, zoals geldend is voor de feitelijke golfvormen van de converter, samengesteld uit de gewenste component bij de lage frequentie en een spectrum van ongewenste componenten, ontstaan ^ wegens de discontinuïteit van de gesynthetiseerde golfvormen en door de benaderingen die bij het afleiden van de voor de converter kenmerkende matrix zijn geïntroduceerd. Zolang echter geldt, dat fseq > max( ) -----.8, is gebleken dat de ongewenste componenten slechts van ^ * 1 betekenis zijn bij frequenties f > wfseq, en wel minder dan 1% van de 20 gewenste component bij frequenties vergelijkbaar met of lager dan de aan de ingang en uitgang aanwezige frequenties. Door toepassing van filters kunnen de ongewenste frequentiecomponenten van de uitgangs- golfvormen worden geëlimineerd.

Er is uiteengezet, dat door gebruik te maken van de symmetrische 25 en asymmetrische modi fazeverschuivingen met tegengestelde voortekens kunnen worden geïntroduceerd in de toevoer aan de ingang. Indien deze beide modi gelijktijdig worden gebruikt, kan worden bereikt, dat het effect ten aanzien van een fazeverschuiving in de ingangstoevoer kan worden gecompenseerd door een fazeverschuiving aan de uitgangszijde .

30 De uitgangszijde kan derhalve worden verbonden met een reactieve belasting en de golfvormen voor de stroom en spanning aan de ingangs-zijde kunnen in faze worden gehouden, waarbij de converter en belasting in combinatie zich als een weerstand voordoen. Door de converter kunnen andere vermogensfactorinstellingen worden verkregen. Indien de 35 uitgangsfrequentie gelijk is aan de ingangsfrequentie kan een in het voorafgaande beschreven enkelvoudige converter worden gebruikt om een 800 1 3 66 12 elimineren van fazeverschuivingen te verkrijgen.

Alhoewel de theorie is behandeld voor het meest voorkomende geval met een drie-faze-ingang en een enkel-faze- of drie-faze-uitgang, zal het duidelijk zijn, dat de uitvinding evengoed kan worden toegepast 5 voor de conversie van een n-faze-ingang (n^3) in een p-faze-uitgang (p> 1).

Bij een drie-faze-ingang zal het duidelijk zijn, dat geldt V < ~ en derhalve Ci < indien alle mogelijke fazerelaties tussen O ~r d — d - Vo en Vi zijn vereist, bijvoorbeeld indien de uitgangsfrequentie af-10 wijkt van de ingangsfrequentie. Bovendien is het ingangsvermogen gelijk aan het uitgangsvermogen, met andere woorden : - VóïCo. cos 0 = VijCi. cos 0., 0 1 waarin 0q , 0. fazeverschuivingen aan de uitgang en ingang voorstellen.

Met verwijzing naar fig. 6 - 12 zal in het onder staande een prak-15 tische uitvoeringsvorm van de uitvinding worden behandeld. Fig. 6 geeft een blokschema van een uitvoeringsvoorbeeld van een drie-faze converter volgens de uitvinding. Deze converter omvat een drie-faze spanning-bestuurde oscillator 100, waarvan drie uitgangen zijn verbonden met een amplitude-pulsduur converter 101, van:.welke afzonderlijke uitgangen 20 zijn verbonden met drie vertragende aandrijfketens 102, 103 en 10^·. De uitgang van de keten 102 is verbonden met de primaire wikkeling van een aandrij ftransformator 105, waarvan de drie secundaire wikkelingen respectievelijk zijn verbonden met de schakelmoduuls 106, 107 en 108. Op soortgelijke wijze is de keten 103 werkzaam om via een aandrijftrans-25 formator 109 drie schakelmoduuls 110, 111 en 112 aan te drijven, ter wijl de keten 10^ via een aandrijftransformator 113 de schakelmoduuls lik, 115 en 116 kan aandrijven. De schakelmoduuls vormen een matrix-configuratie van drie bij drie die een koppeling vormt tussen de drie drie-faze vermogenstoevoergeleiders 117s 118 en 119 en de drie 30 drie-faze-uitgangsgeleiders 120, 121 en 122. Aangezien de schakelmoduuls in twee richtingen werkzaam zijn, kunnen de toevoer- en uit-gangsgeleiders worden verwisseld.

Uit fig. 6 blijkt, dat de keten ten aanzien van de drie ingangs-fazen symmetrisch is,waarbij de uitgangssignalen van de aplitude-pulsduur-35 converter 101 snel-van hun ene uitgangsgeleider worden omgeschakeld naar een andere geleider ter verkrijging van spanningen met de vereiste grootte, faze en frequentie en een en ander gebaseerd op de in het voor- 80 0 1 3 66 13 afgaande "beschreven principes. Hieruit volgt derhalve, dat op een willekeurig tijdstip de sehakelmoduuls van de ene groep van drie geleidend zijn, terwijl de sehakelmoduuls van de andere twee groepen niet-geleidend zijn.

5 "Met verwijzing naar de fig. 6, 7 en 9 zal in het onder staande de spanning-bestuurde oscillator worden beschreven, welke figuren samengenamen,. het schema voor deze oscillator geven. De in fig. 7 weergegeven keten-is in staat om twee uitgangsspanningen met gelijke amplitude, echter met onderling tegengesteld voorteken te doen ontstaan aan de 10 aansluitingen Al en A2. Deze aansluitingen zijn verbonden met de uitgangen van twee operationele versterkers 130 en 131. Een van het beweegbare contact van een spanningsdeler 132 afgenomen instelbare spanning wordt toegevoerd aan de niet-inverterende ingang van de versterker 130 en deze spanning wordt via een weerstand 133 aangelegd aan de inverte-15 rende ingang van de versterker 131. De versterker 130 is voorzien van een gelijkstroam-geleidende terugkoppelketen vanaf de uitgang naar de inverterende ingang, zodat de uitgangsspanning van deze versterker gelijk. ia.. aan...de-ingangsspanning daarvan. De versterker 131 heeft een resistieve negatieve terugkoppelketen die een weerstand 13^ omvat, 20 waarvan de grootte gelijk is aan die van de weerstand 133, zodat de uitgangsspanning van deze versterker de inverse is van de spanning, zoals aanwezig aan het beweegbare contact van de spanningsdeler 132.

Een condensator 135 die het beweegbare contact van de spanningsdeler met aarde verbindt, dient voor het absorberen van ruis en stoorspan-25 ningen, die bij het beweegbare contact bestaan.

De in fig. 7 weergegeven aansluitingen Al en A2 zijn verbonden met de in fig. 8 weergegeven aansluitingen A1 en A2, die op hun beurt zijn verbonden met paren van ingangen van twee analoge schakelaars lUo en 1^1, die bijvoorbeeld van het type MC 1Uo66 kunnen zijn. Van 30 deze met vier ingangen uitgevoerde inrichtingen zijn de uitgangsaan-sluitingen paarsgewijs samengenomen en elk paar van uitgangen is verbonden met een desbetreffende van de integratoren lk2 - 1^5. De uitgangsspanningen van deze integratoren worden toegevoerd aan de ingangen van de desbetreffende van Schmitt-trekkers lk6 - ihg. De uitgangen van 35 de trekkers 1^-6, 1^7 en 1½ zijn verbonden met de ingangen van de logische ketens 150, 151 en 152, die elk zijn ingericht voor het teweegbrengen van twee uitgangssignalen die zijn verbonden met de ingangen van 80 0 1 3 66 1¾ de"schakelaars 1UQ en ibl teneinde de routering van de signalen, zoals aangelegd aan de aansluitingen A1 en A2 naar de int egr at oren 112 - 1^5 te "besturen.

De uitgang van de vierde treiter lk9 is via een inverter 153 ver-5 tonden met de ingang van een teller 15^, die bijvoorbeeld van bet type kan zijn 7¾ C 163. De teller 15¾ is een vier-bit teller, waarvan vier uitgangsaansluitingen zijn verbonden met een logische keten 155» waarvan de uitgangen zijn verbonden met de ingangen van de logische ketens 150 - 152 teneinde deze te besturen. De uitgangssignalen van de inte-10 gratoren lk2, 1 h-3 en 1¾¾ worden tevens aangelegd aan de desbetreffende golfvormgeneratoren 156, 157 en 158 die bijvoorbeeld van het type ICL 8038 kunnen zijn, en welke generatoren bewerkstelligen, dat driehoekige golfvormen, zoals ontvangen van de integrator en 1^2, 1^3 en 1¾¾ worden omgezet in sinusvormige uitgangssignalen die worden toegevoerd aan de 15 desbetreffende aansluitingen B1, B2 en B3. De spanningsdelers P zijn aangebracht om spanningen met een bepaald niveau aan te kunnen leggen aan de generatoren 156 - 158 teneinde de sinusvorm van de uitgangssignalen optimaal te kunnen doen zijn.

De in fig. 8 weergegeven keten werkt als volgt. De aan de aanslui-20 tingen A1 en. A2 aangelegde spanningen, zoals ingesteld door de spanningsdeler 132 van fig. 7» worden via de schakelaars 1^0 en 1 Ui geleid naar de integratoren 1½ - 1 h-5 · De integrator 1 h-5 is gedimensioneerd met een tijdconstante die 1/6-e is van de integratoren 1^2, 1^3 en 1 Uh-, zodat zes cycli van een driehoekige golf bestaan binnen het tijds 25 interval van ien cyclus van de driehoekige golfvormen, zoals teweeg gebracht aan de uitgangen van de integratoren 1^2, lh-3 en 1¾¾. De trekker-keten 1^9 doet een opeenvolging van uitgangspulsen ontstaan, die worden geteld door de teller 15¾. Als het door de teller 15¾ getelde totaal toeneemt, is de logische keten 155 werkzaam om besturingssignalen aan te 30 leggen aan de logische ketens 150, 151 en 152 teneinde de routering van de spanningen, zoals aanwezig aan de aansluitingen Al en A2 naar de integratoren lk2, ^3 en 1¾¾ in te stellen, zodat deze drie integratoren driehoekig gevormde uitgangssignalen met dezelfde frequentie en met onderling equidistante fazen produceren; de logische ketens 150, 151» 152 35 en 155 zijn werkzaam om te verzekeren, dat de verschillende hellingen van de driehoekige golfvormen op de correcte tijden beginnen, zodat frequentieverschillen ontstaan als gevolg van geringe verschillen in de 80 0 1 3 66 15 waarden van de componenten van de integratoren 1h2 - en de trekkers 1 b6 - 1U8 niet tot gevolg kunnen hebben',' dat een geaccumuleerde fase-of frequentiefout ontstaat ten aanzien van de drie driehoekige golf-vormen. Zoals in het voorafgaande is uiteengezet zijn de golfvormgene-5 ratoren 156 - 158 werkzaam om de driehoekige golfvormen, zoals afkomstig van de integratoren 1^2 - 1^4 om te zetten in corresponderende sinusvormige signalen die eveneens onderling equidistante fazen hebben, waarbij de faze-afstand 2 U /3 radialen is, en welke signalen worden ontwikkeld aan de aansluitingen B1, B2 en B3. Het zal duidelijk zijn, dat door de 10 instelling van de spanningsdeler 132 (fig, T) de grootte van de spanningen, zoals aangelegd aan de aansluitingen A1 en A2 kan worden veranderd met als gevolg, dat de frequenties van zowel de driehoekige als-wel de sinusvormige golven, zoals teweeg gebracht in de keten volgens fig. 8, kunnen worden gewijzigd, en wel zodanig, dat een toename van de 15 spanning een toename van de frequentie tot gevolg heeft, waarbij een in hoofdzaak lineaire relatie tussen deze twee grootheden bestaat.

Fig. 9 geeft het derde gedeelte van de spanning-bestuurde oscilla-___ _ tor en is voorzien van ingangsaansluitingen B1, B2 en B3, waarmede de aansluitingen B1, B2 en B3 van fig. 8 zijn verbonden. Bij de keten vol-20 gens fig. 9 zijn de aansluitingen B1 - B3 respectievelijk verbonden met de niet-inverterende .ingangen van de operationele versterkers ΐβθ, 161 en 162. Deze versterkers zijn voorzien van een voor gelijkstroom geleidende negatieve terugkoppeling van hun respectievelijke uitgangen naar hun respectievelijke inverterende ingangen, zodat de uitgangs-25 spanningen, zoals teweeg gebracht door deze versterkers gelijk zijn aan de spanningen, zoals aangelegd aan hun niet-inverterende ingangen. De uitgangssignalen van de versterkers 160., 161 en 162 verschijnen respectievelijk aan de aansluitingen 163, 16U en 165 -

Zoals blijkt uit fig. 6, worden de drie uitgangssignalen van de span-30 ning-bestuurde oscillator aangelegd aan een amplitude-pulsduurconverter. Een schema van deze converter is weergegeven in fig. 10 en de drie uitgangssignalen van de spanning-bestuurde oscillator worden aangelegd aan de aansluitingen, respectievelijk 200, 201 en 202. De converter bevat drie als klok werkzame telketens, bijvoorbeeld van het type 555» en aan-35 geduid door 203, 20^ en 205. De aansluitingen 200, 201 en 202 zijn verbonden met de aansluitingen 5 van deze als klok werkzame tellers, welke aansluitingen zijn verbonden met de desbetreffende weerstanden 206 - 208 800 1 3 66 16 en de condensatoren 209 - 211 teneinde monostabiele ketens te vormen. De monostabiele ketens zijn met elkaar verbonden door de condensatoren 212, 213 en 21h, zodat een drie-trapsring is gevormd, zodat elke klok -wordt teruggezet, wanneer de volgende klok wordt gezet, waarbij de tijdcon-5 stanten zodanig zijn gekozen, dat de "zet"-toestandcycli gaande langs de ring zijn gelegen tussen 5000 en 25.000 malen per seconde. Gekoppelde constante-stroombronnen en de transistors 215» 216 en 217 zijn aangebracht teneinde te verzekeren, dat de tijdconstanten van de monostabiele ketens in hoofdzaak identiek zijn. Een gemeenschappelijke amplitude-10 besturing is aanwezig in de vorm van een spanningsdeler 218, die door middel van een als emitter-volger werkzame transistor 219 op een geleider 220 een spanning doet ontstaan, die via dioden wordt aangelegd aan de tijdconstanten-bepalende condensatoren 209 -211.

. De in fig, 10 weergegeven converter is werkzaam om te reageren op 15 verschillen in amplitude van de betrekkelijk laagfrequente sinusvormige signalen (met een frequentie van bijvoorbeeld 50 - 200 Hz) die worden aangelegd aan de aansluitingen 200, 201 en 202 teneinde de tijdsintervallen gedurende welke de monostabiele ketens zijn gezet, onderling te doen variëren, en daarmede de lengten van de pulsen, zoals ontwikkeld 20 aan de uitgangsaansluiting 221, 222 en 223 te veranderen. De grootte van het verschil tussen de pulstijden kan worden ingesteld met behulp van de spanningsdeler 218 en uit de in het voorafgaande gegeven beschouwingen blijkt, dat door deze instelling de amplitude van de aan de uitgang ontwikkelde wisselspanningen kan worden ingesteld.

25 Fig. 11 geeft een schema van een met vertraging werkende aandrijf- keten aan drie van welke ketens de drie uitgangssignalen van de in fig.

10 weergegeven converter 101 worden aangelegd. Het uitgangssignaal van de converter wordt aangelegd aan de aansluiting 250 in fig. 10, welke aansluiting via een weerstand 251 en een daarmede parallel verbonden 30 diode 252 is verbonden met de basis van een transistor 253. Tussen de basis van deze transistor 253 en aarde is een condensator 25^ aangesloten. De emitter van de transistor 253 is eveneens geaard en de collector daarvan is via de in serie met elkaar verbonden weerstanden 255 en 256 verbonden met een voedingsgeleider 257· Het verbindingspunt tussen de weer-35 standen 255 en 256 is verbonden met de basis van een transistor 258, waarvan de emitterelektrode is verbonden met de geleider 257· De collector van de transistor 258 is via een primaire transformatorwikkeling 259 80 0 1 3 66 17 verbonden met een tweede voedingsgeleider 260, een zener diode 26l en een andere diode 262, die in série met elkaar verbonden over de wikkeling 259 zijn aangesloten.

Het hoofddoel van de in fig. 11 weergegeven keten is om een ade-5 kwate aandrijving te geven voor het bedienen van de drie schakelaars, waarmede de secundaire wikkelingen van de transformator zijn verbonden. De keten dient tevens om de opbouw van stroom, di*e door de primaire wikkeling 259 vloeit, als gevolg van een positief gerichte puls die . aangelegd aan de aansluiting 250, in geringe mate te vertragen en wel 10 door de aanwezigheid van de weerstand 251 en de condensator 25^. Typerende waarden voor de weerstand 251 en de condensator 25b zijn respectievelijk 1 kohm en 0,001 ^uF. Wanneer de positief gerichte puls aan de aansluiting 250 eindigt, wordt de condensator 25^ snel via de diode 252 ontladen. Door dit gedeelte van de keten wordt verze-15 kerd, dat het enige tijd duurt alvorens de schakelaars SM een open keten worden, waardoor weer wordt verzekerd, dat het nimmer kan voorkomen, dat twee ingangsgeleiders via geleidende schakelaars met eenzelfde uitgangsgeleider kunnen worden verbonden, hetgeen, indien dit zou gebeuren, ontoelaatbare grote stromen kan doen ontstaan. De zener 20 diode 261 en de diode 2β2 laten stroom door wanneer de transistor 258 niet-geleidend wordt teneinde daardoor te verhinderen, dat aan de collector van deze transistor 258 een relatief hoge spanning ontstaat die deze transistor zou kunnen beschadigen. De door de in fig. 11 weergegeven keten, aangedreven primaire wikkeling maakt deel uit van een van 25 de aandrijftransformatoren 105, 109 en 113, die zijn weergegeven in fig. 6. De primaire wikkeling omvat bij een uitvoeringsvoorbeeld b5 windingen en elk van de drie secundaire wikkelingen bestaat uit tien windingen op een potkern met afmetingen 0 30 x 19; de kern was voorzien van een luchtspleet met een breedte van 0,51 mm.

30 Elk van de drie secundaire wikkelingen op elk van de aandrijf- transformatoren is aangesloten om een schakelmoduul aan te drijven, waarbij een schakelmoduul is weergegeven in fig. 12. De secundaire wikkeling is weergegeven in fig. 12 en is aangeduid door 300, welke wikkeling is aangesloten om een aandrijfsignaal aan te leggen over de 35 basis-emitterdiode van een transistor 301. Een stroom-begrenzende weerstand 302 is opgenomen in de verbindingsketen met de basiselektrode, en de dioden 303, 30^ en 305 zijn samen met een zener diode 306 werkzaam 30 0 1 3 66 18 om de transistor tegen ongewenste overbelastingen te beveiligen, alsook om de gaten-opslagtijd te begrenzen. De schakelaar zelf bestaat uit een diodebrug met de dioden 307, 308, 309 en 310, waarbij de schakelaar de aansluitingen 311 en 312 heeft. De werking van de schakelmoduul is con-5 ventioneel in die zin, dat wanneer de transistor 301 niet-geleidend is, geen stroom kan vloeien vanaf de aansluiting 311 naar de aansluiting 312, of in de tegengestelde richting, aangezien de dioden 307 - 310 als tegengesteld gepoolde paren zijn aangesloten. Wanneer de transistor 301 geleidend is kan echter vanaf de aansluiting 311 naar de aan-10 sluiting 312 stroom vloeien via de diode 307, de transistor 301 en de diode 310. In de tegengestelde richting kan stroom vloeien via de diode 308, transistor 301 en de diode 309.

De met verwijzing naar de fig. 6 - 12 in het voorafgaande beschreven keteninrichting maakt het mogelijk cm de amplitude,, frequentie en 15 faze van de uitgangsspanning met betrekking tot de ingangsspanningen in te stellen. Zoals echter in het voorafgaande met verwijzing naar fig. 5 is aangegeven, is het echter mogelijk om dezelfde uitgangsfrequentie CJ op twee verschillende manieren teweeg te brengen en wel hetzij door gebruik te maken van-een modulatiefrequentie - ώΛ, waarin u..

20 een ingangsfrequentie is en bepalend is voor de modulatie, zodanig dat CJ = = CJ., ofwel als een alternatief ca zodanig te kiezen, dat deze gelijk is aan cj + ύ) ^, waarbij de modulatie een zodanig voorteken heeft, dat ώ . - cj . in het eerste geval heeft de modula-

O 1 3U

tiefrequentie hetzelfde voorteken als de ingangsfrequentie en wordt 25 derhalve daarbij opgeteld; in. het tweede geval heeft de modulatiefrequentie echter een voorteken, dat tegengesteld is aan dat van de ingangsfrequentie, zodat deze ingangsfrequentie van de modulatiefrequentie wordt afgetrokken. Met verwijzing naar fig. 5 is verder uiteengezet, dat wegens de onderling tegengestelde voortekens bij het modulatie-30 proces de fazehoek verschillen tussen stroom en spanning onderling tegengesteld zijn voor uitgangs spanningen die zijn verkregen onder gebruikmaking van de twee verschillende in het voorafgaande beschreven methoden, zodat het door combineren van de beide spanningen mogelijk is het fa-zehoekverschil tussen stroom en spanning, zoals aanwezig is aan 35 de ingangszijde, bij de ingangsgeleiders, voordelig te elimineren. Teneinde een op dit principe steunende converter te realiseren is het nodig gebruik te maken van twee spanning-bestuurde oscillator en, waarvan de 800 1 3 66 19 ene werkt- met een modulatiefrequentie éJ^ - -( & ^ + ^.) en de andere werkt "bij een frequentie (O - & -(*}.. In fig. 13 is een schema van m o ï een uitvoeringsvoorbeeld van een dergelijke converter weergegeven. De twee spanning-bestuurde oscillatoren zijn 1+00 en 1+01. De oscillator 1+00 5 ontvangt een spanning die representatief is voor een modulatiefrequentie vanaf een analoge opteller voor een ingangssignaal representatief voor ^>o en afkomstig van een spanningsdeler 1+03 en een ander ingangssignaal representatief voor O ^ en afkomstig van een fre-quentie-spanningeonverter i+0U, waarmede het ingangssignaal is verbon- 10- den. Het uitgangssignaal ój ^ van de converter UoU wordt verder vermenigvuldigd met een factor 2, toegevoerd aan een analoge opteller 1+05 en geïnverteerd door een inverter 1+θ6, zodat de spanning, representatief voor^y voor de oscillator 1+01 gelijk is aan -( + CJ.), waar- m υ oi hij het negatieve voorteken aangeeft, dat de aan de uitgang aanwezige 15 fazeverschillen voor de oscillator 1+01 zijn omgekeerd. De amplituden van de uitgangssignalen van de oscillatoren 1+00 en 1+01 kunnen op een gewenste waarde q worden ingesteld door middel van analoge vermenigvuldigers 1+07 - 1+12. De waarde q wordt ingesteld met "behulp van een spanningsdeler 1+13 en wordt vermenigvuldigd met een factor 2 door een ver- .. 20 sterker 1+11+.

Voor een volledige fazebesturing is* het nodig om de uitgangssignalen van de oscillatoren 1+00 en 1+01 differentiaal te vermenigvuldigen en zulks wordt gerealiseerd door met "behulp van een spanningsdeler 1+15 de waarde o( 1 in te stellen, welke waarde door een versterker 25 1+16 wordt vermenigvuldigd met 1/3 en wordt toegevoerd aan de analoge vermenigvuldigers 1+17» 1+18 en 1+19» waaraan de uitgangssignalen van de oscillator 1+00 worden aangelegd. De vaarde c< 1 wordt ook geïnverteerd door een inverter 1+20, en opgeteld hij 1 volt door middel van een analoge opteller 1+21 ter verkrijging van een signaal, gelijk aan 1 - oO 30 dat vervolgens met een derde wordt vermenigvuldigd door een versterker 1+22 ter verkrijging van een signaal illustratief voor 1/3 (1 dat wordt aangelegd aan de anloge vermenigvuldigers 1+23, 1+21+ en 1+25» waaraan uitgangssignalen van de oscillator 1+10 worden aangelegd. Negen analoge optellers 1+26 - 1+31+ zijn aangebracht met behulp waarvan de uit-35 gangssignalen van elk van de drie vermenigvuldigers 1+17, 1+18 en 1+19 worden gecombineerd met de uitgangssignalen van de vermenigvuldigers 1+23, 1+21+ en 1+25 en wel volgens de negen verschillende combinaties, die ont- 80 0 1 3 66 20 staan door het nemen van een uitgangssignaal van elk stel van de drie vermenigvuldigers. Bovendien wordt een constant ingangssignaal, gelijk aan 1/3 volt aangelegd aan alle optellers h26 - U3I+ en de uitgangssignalen worden respectievelijk aangelegd aan de schakelaars S1 - S9» 5 die een koppeling vormen tussen de drie ingangsgeleiders 1*35» A36 en ^37 enerzijds en de drie uitgangsgeleiders ^38, ^39 en 1ώθ anderzijds.

De schakelaars S1 - S9 vormen de amplitude-pulsduur convert er 101, de aandrijf ketens 102 - 1OA, aandrijftransformatoren 105, 109 en 113 en de schakelmoduuls 106 - 108, 110, 112 en 11¼ - 116 van fig. 6, zoals in het 10 voorafgaande zijn "beschreven met verwijzing naar de fig. 10 - 12. De monostabiele ketens in de schakelaars S1 - S9 zijn zodanig aangesloten, dat drie afzonderlijke ringconfiguraties zijn gevormd van drie elementen, en die werken, zoals in het voorafgaande in verband met fig. 10 is beschreven. Aangezien elke ring met een verschillende uitgangsgeleider 15 is verbonden kunnen deze onafhankelijk van elkaar werkzaam zijn zonder dat het risico bestaat de toevoer kort te sluiten.

Geschikte uitvoerèn voor de inverters, analoge optellers en analoge vermenigvuldigers zijn bijvoorbeeld beschreven in het boek "Electronic Computer Technology" van H. R. Scott, gepubliceerd door 20 McGraw Hill, 1970.

Fig. 1¼ geeft een schema ter illustratie van de toepassing van een snel schakelende converter 500, voor het besturen van de snelheid van een inductiemotor 501, door de frequentie van de voedingsener-gie die daaraan over de geleiders 502 wordt toegevoerd, te variëren.

25 Met de uitgangsas 50¼ van de motor is een tacho-generator 503 gekoppeld welke op een geleider 505 spanning produceert, die wordt aangelegd aan een verwerkende keten 506 die een poly-faze sinusvormig uitgangssignaal met een hoekfrequentie en een amplitude besturingssignaal q teweeg brengt. Deze signalen worden, zoals in het voorafgaande werd beschreven, 30 gebruikt voor de besturing van de schakelaars in de converter 500 teneinde de frequentie van de voedingsenergie voor de motor 501 te regelen. De inrichting kan volgens twee modi werken. In de eerste modus wordt de motorsnelheid constant gehouden, ongeacht de daarmede gekoppelde belasting en in dit geval wordt de spanning, zoals teweeg gebracht op 35 de geleider 505 vergeleken met een referentiegrootheid, en gebruikt om de frequentie van de voedingsenergie voor de motor 501 te vergroten, waarbij de amplitude van deze spanning afhankelijk is van q. Wanneer 80 0 1 3 66 21 derhalve de slip tussen de voedingsfrequent ie en de frequentie, corresponderende met de motorsnelheid toeneemt met de belasting, wordt de voe-dingsfreqnentie verhoogd teneinde de motorsnelheid meer constant te houden. In de tweede modus, die is aan te duiden als de constante-koppel-5 modus wordt de slip tussen de frequentie, corresponderende met de motorsnelheid en de voedingsfreqnentie gemeten en op een constante waarde gehouden, teneinde te verzekeren, dat het door de motor geleverde koppel constant is.

De in fig. ^.weergegeven keteninrichting zal tevens kunnen worden 10. gebruikt voor het regelen van de frequentie van een voedingsspanning, zoals teweeg gebracht door een generator die werkzaam is met een variabele snelheid en wel door het instellen van de hoekfrequentie van het modulatiesignaal, teneinde variaties in de uitgangsfrequentie van de generator als gevolg van variaties in de snelheid van de as daarvan te 15 compenseren. Ook zou de inrichting kunnen worden gebruikt voor het synchroniseren van de gegenereerde voedingsenergie en reeds bestaande voe-dingsenergie, zodat deze energie bij de reeds bestaande energie zou kunnen worden opgeteld. Als een alternatief zou de generator zodanig kunnen worden bestuurd, dat een constante-stroom wordt geleverd.

20 Fig. 15 geeft een schema, dat illustratief is voor het gebruik van een microprocessor 520 als middel om de in breedte gemoduleerde pulsen die vereist zijn voor het bedienen van de schakelaars S1 - S9 te genereren. De microprocessor wordt aangedreven door een klok 521 en is voorzien van adres-uitgangslijnen 522, data-ingangs- en data-uitgangs-25 lijnen 523, aftast-uitgangslijnen 52k en data-uitgangslijnen 525· Een toetspaneel 526 ontvangt de aftastpulsen vanaf de lijnen 52k en produceert de corresponderende ingangspulsen op de geleiders 523- Een uitsluitend afleesbaar geheugen 527 bevat het programma voor de microprocessor 520, en een vrij-toegankelijk geheugen 528 voorde data die daar-30 aan vanaf het toetspaneel 526 en die welke gedurende de rekenprocessen, daaraan worden toegevoerd. Een vier-cijfer, zeven-segment weergeef-eenheid 529 wordt aangedreven door de aftastpulsen op de lijnen 52h en vanaf de adresbus, teneinde een indicatie te geven van de data die vanaf het toetspaneel 526 zijn ingevoerd of van andere informatie, die door 35 een hedieningspersoon kan zijn vereist. De adresbus 522 dient tevens voor het leveren van signalen voor het bedienen van een kiezer 530 die de data, zoals ontvangen over de lijnen 525 geleidt naar negen grendel- 80 0 1 3 66 22 elementen 531 voor het opslaan van geleidende-toetstandinfonnatie die is vereist voor de schakelaars S1 - S9· In de bedrijfstoestand voert de microprocessor 520 de berekeningen uit die nodig zijn om te bepalen welke van de grendelelementen 531 in de 1-toestand moeten verkeren, aange-5 vende dat de bijbehorende schakelaar geleidend is en welke van deze elementen in de nul-toestand moeten staan, aangevende, dat de bijbehorende schakelaar niet-geleidend is. Deze berekeningen zijn gebaseerd op de in het voorafgaande behandelde theorie.

Fig. '16 geeft een gewijzigde uitvoeringsvorm van de in fig. 12 weer-10 gegeven schakelmoduul, waarbij in de collectorleiding van de transistor een zelf-inductie L is opgenamen, welke zelf-inductie is overbrugd door een in serie met elkaar verbonden diode D en een weerstand R. Deze componenten zijn werkzaam als spanningsbegrenzers teneinde de snelheid, waarmede de sehakelstroam aangroeit, gedurende een transient, tot een 15 veilige waarde te begrenzen.

Pig. 17 is illustratief voor het gebruik van een soort van stroom-begrenzer met een stroombaan, gedefinieerd door een diode D die in serie is verbonden met een condensator C en welke serieketen parallel is verbonden met de emitter-collectorbaan van de transistor. Parallel met 20 de diode D is een weerstand R verbonden.

Fig. 18 is illustratief voor het gebruik van een vermogen-FET P in een diodebrug van dezelfde soort zoals is gebruikt in de fig. 12, 16 en 17· Dergelijke transistors laten een zeer hoge schakelfrequentie toe en kunnen de noodzaak voor filters aan de ingang en uitgang vermin-25 deren. Alhoewel momenteel toepassing van vermogen FET’s is beperkt tot vermogens van enige kilowatts, kan worden verwacht, dat inrichtingen, die in staat zijn grotere vermogens te verwerken, in de naaste toekomst beschikbaar zullen zijn.

In een verdere uitvoeringsvorm van schakelmoduul zou gebruik 30 kunnen worden gemaakt van thyristors, die zijn aangesloten in anti-parallelverband met een aandrijfketen met geforceerde commutatie, waardoor het uitschakelen van deze thyristors aan het eind van elke schakelperiode is verzekerd. Aangezien in het kader van de onderhavige uitvinding alle schakelaars op dezelfde tijd worden bediend, indien geen 35 fazebesturing aan de ingang is vereist, zal een enkele keten voor geforceerde commutatie kunnen worden gebruikt voor alle vermogensinrichtingen, door toepassing van transformatorkoppeling.

800 1 3 6* 23

Hog een andere uitvoeringsvorm van een schakelmoduul is weer-gegeven in fig. 19» waarbij gebruik is gemaakt van een moderne snel-schakelende darlington keten, waarin gebruik is gemaakt van dioden, waardoor de ladingen, zoals opgeslagen in de bases van de transistors, ^ kunnen worden begrensd en af gevoerd,met een soort van stroombegrenzer.

De schakelfrequentie van de in de converter gebruikte schakelaars is aanzienlijk hoger (bijvoorbeeld tussen 1000 en 100.000 Hz,) dan de voedingsfrequentie en de uitgangsfrequentie van deze converter.

Het is onvermijdelijk, dat de schakelverking tot gevolg heeft, dat eni-.jq ge ongewenste harmonischer aanwezig zijn in de aan de ingang en uitgang . aanwezige golfvormen, waarbij sprake is van twee categorieën. Bij de eerste categorie van harmonischen gaat het om harmonischen, ontstaan uit de discontinuïteiten van de geschakelde golven, en welke harmonischen vergelijkbaar zijn met die als gegenereerd in de pulsbreedte-modulatie-^ inverter en die zijn gegroepeerd rondom frequenties die veelvouden zijn van de schakelfrequentie. Aangezien deze harmonischen aanzienlijk hoger zijn dan de voedingsfrequentie, betekenen deze harmonischen geen ernstig bezwaar voor inductieve belastingen en kunnen in ieder geval uit de voeding worden'gefilterd, bijvoorbeeld door gebruikmaking van een 20 reeks van spoelen en shuntcondensatoren een en ander volgens conventionele configuraties. De tweede categorie van harmonischen betreft harmonischen die voortvloeien uit onnauwkeurigheid van de aanname, dat de schakelfrequentie dusdanig hoog is, dat noch de ingangsgolfvorm, noch de uitgangsgolfvorm binnen een cyclus van de schakelfrequentie zal 25 zijn veranderd. Deze harmonischen bevatten frequenties die gelijk zijn aan de som en het verschil van de ingangsfrequenties en uitgangsfre-quenties, genomen met betrekking tot de schakelfrequentie en derhalve zijn deze harmonischen eveneens zodanig hoog, dat deze geen storende invloed uitoefenen op de werking met belastingen, die via de converter 30 worden gevoed. Noch aan de ingang, noch aan de uitgang van de converter zijn significante sub-harmonischen aanwezig.

De poly-faze-ingang die is vereist bij een inverter volgens de uitvinding zou kunnen worden afgeleid van een enkel-faze-wisselstroom-voeding, en bijvoorbeeld onder gebruikmaking van geschikte reactieve 35 elementen.

Het zal duidelijk zijn, dat een converter volgens de uitvinding reversibel is met dien verstande, dat de ingangsgeleiders en uitgangsge- 80 0 1 3 66 2k leiders onderling kunnen worden verwisseld; een uitzondering bestaat voor het geval, waarin een referentiefrequentie is afgeleid van de ingangsvoeding en in dat geval zal een wisselschakelaar kunnen worden gebruikt om de frequentie van de uitgangsgeleiders af te leiden. Zulks 5 betekent, dat de ingangsvoeding zou kunnen worden verkregen vanaf de uitgangszijde, ondanks de omstandigheid, dat een spanningssprong 'is vereist; zelf-inducties, opgenomen in de uitgangsgeleiders en dienende om de uitgangsgolfvormen af te vlakken, zouden een spanningssprong doen ontstaan als gevolg van een stroomonderbreking door de schakelaars.

10 Vanzelf sprekend zouden dergelijke zelf-inducties ook kunnen worden opgenomen in de ingangsgeleiders ter opheffing van de beperking, opgelegd aan de maximale uitgangsspanning tot een waarde, gelijk aan de helft van de ingang s spanning.

Indien een converter van de soort, zoals weergegeven in fig. 13 15 is ingericht voor het teweeg brengen van een uitgangssignaal, waarvan de frequentie en het aantal fazen gelijk is aan die van het ingangssignaal, kunnen de ingangsgeleiders en uitgangsgeleiders met elkaar worden verbonden via een transformator, zodat de converter een reactieve vermogensgenerator wordt. Het kan gewenst zijn om zelf-inducties in 20 serie met de schakelaars S1 - S9 op te nemen teneinde de daardoor vloeiende stromen te begrenzen.

Alhoewel de uitvinding is beschreven met verwijzing naar bepaalde, specifieke uitvoeringsvoorbeelden, in het bijzonder uitvoeringen met drie-faze-ingangen en drie-faze-uitgangen, zal het duidelijk zijn, 25 dat de uitvinding evenzo goed toepasbaar is bij elk willekeurig poly-faze-systeem, en dat talrijke wijzigingen mogelijk zijn zonder het kader van de uitvinding te verlaten.

800 1 3 66

Claims (15)

1. Rechtstreeks werkende wisselstroom conversie-inrichting met in-gangsgeleiders voor een gebalanceerd poly-faze-ingangswisselspannings-systeem, uitgangsgeleiders voor een wisseluitgangsspanningssysteem, dat tenminste ten aanzien van êên eigenschap, zoals frequentie, amplitude, 5 fazehoek of fazeverschuiving verschillend is van het ingangssparmings-systeem, en een aantal in twee richtingen werkzame schakelaars, die elke ingangsgeleider afzonderlijk koppelen met elke uitgangsgeleider, gekenmerkt door een hesturingsstelsel met tempeermiddelen voor het teweeg brengen van een zich herhalende reeks van in breedte gemoduleerde pulsen, 10 waarbij het aantal pulsen in een reeks gelijk is aan het aantal fazen in het ingangsspanningssysteem, welk hesturingsstelsel is verbonden met de schakelaars teneinde te bewerkstelligen, dat de pulsen de schakelaars zodanig sluiten, dat elke faze van het ingangsspanningssysteem op zijn beurt wordt verbonden met elke faze van het uitgangsspanningssysteem, 15 op elk gegeven moment slechts een van de schakelaars, die is verbonden met een willekeurige van de uitgangsgeleiders, is gesloten, en elke ingangsgeleider steeds is verbonden met tenminste een uitgangsgeleider.

2. Conversie-inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat het uitgangsspanningssysteem een enkel-fazesysteem is. 20 3· Conversie-inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat het uitgangssysteem een poly-fazesysteem is. U. Conversie-inrichting volgens conclusie 3 met het kenmerk, dat voor elke uitgangsgeleider de pulsen van een desbetreffende reeks respectievelijk worden aangelegd aan de schakelaars die met die uitgangsgeleider 25 zijn gekoppeld, waarbij de relatie tussen de pulsen van de reeks en de ingangsgeleiders voor de verschillende uitgangsgeleiders cyclisch wordt verschoven.

5- Conversie-inrichting volgens conclusie L· met het kenmerk, dat de tempeermiddelen een ringconfiguratie van monostabiele ketens omvat, die 30 zodanig zijn verbonden, dat het terugzetten van êên keten tot gevolg heeft, dat de volgende keten in de ring wordt geset, waarbij elke monostabiele keten is voorzien van een ingang voor een in breedte gemoduleerd signaal, dat bepalend is voor de zettijd van de desbetreffende keten, waarbij de reeks van in breedte gemoduleerde pulsen wordt afge-35 leid van de monostabiele kétens.

6. Conversie-inrichting volgens conclusie 5 gekenmerkt door middelen snn 17, 66 voor het aanleggen van een variabele spanning aan de monostabiele ketens, teneinde daardoor de responsie-eigenschappen van deze ketens op de in breedte gemoduleerde signalen in te stellen.

7. Conversie-inrichting volgens een willekeurige van de voorafgaande 5 eonclusies gekenmerkt door een poly-faze sinusvormige golfVorm genererende generator die is ingericht om een aantal equidistant gefazeer-de sinusgolven te produceren, welk aantal gelijk is aan het aantal fazen van het ingangsspanningssysteem, waarbij elke sinusgolf wordt aangelegd aan een modulator teneinde. een desbetreffende puls van de reeks in breedte 10 te moduleren.

8. Conversie-inrichting volgens conclusie J gekenmerkt door middelen voor het instellen van de amplitude van de sinusgolven, zoals teweeg gebracht door de generator.

9· Conversie-inrichting volgens een willekeurige van de voorafgaande 15 conclusies, met het kenmerk, dat de reeks van pulsen wordt herhaald met een frequentie met een waarde tussen 1000 en 100.000 malen per seconde .

10. Conversie-inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat in het besturingsstelsel voor het genereren van de zich herhalende reeks 20 van in breedte gemoduleerde pulsen, gebruik is gemaakt van technieken op het gebied van een digitale differentiaal analysator.

11. Rechtstreeks werkende wisselstroom conversie-inrichting met in-gangsgeleiders voor een gebalanceerd Ιί-faze wisselspanningsingangssysteem, uitgangsgeleiders voor een gebalanceerd poly-faze-wisselspanningsuit- 25 gangssysteem, dat tenminste ten aanzien van een eigenschap, zoals frequentie, amplitude, fazehoek of fazeverschuiving verschillend is van het ingangsspanningssysteem, en een aantal in twee richtingen werkzame elektronische schakelaars, die elke ingangsgeleider afzonderlijk met elke uitgangsgeleider koppelen, gekenmerkt door een besturingsstelsel met 30 twee in frequentie bestuurbare, sinusgolfoscillatoren, die elk zijn ingericht voor het teweeg brengen van een aantal N-equidistant gefazeerde sinusvormige uitgangssignalen, waarbij de frequentie van het door de ene oscillator teweeg gebrachte signaal gelijk is aan het verschil tussen de gewenste frequentie voor het uitgangssysteem en de frequentie van het 35 ingangssysteem, terwijl de frequentie van het door de andere oscillator teweeg gebrachte signaal gelijk is aan de somfrequentie van het ingangssysteem en die van het uitgangssysteem, waarbij de in faze verschoven 80 0 1 3 66 uitgangssignalen tegengesteld zijn met betrekking tot die van de uitgangssignalen van de andere oscillator, middelen voor het in responsie op een gemeenschappelijk signaal "besturen van de amplituden van de uitgangssignalen van de oscillatoren, middelen voor het differentiaal be-5 sturen van de amplitude van de uitgangssignalen van de ene oscillator met "betrekking tot die van de andere oscillator, sommeermiddelen voor het afzonderlijk combineren van elk uitgangssignaal van de ene oscillator met elk uitgangssignaal van de andere oscillator, en vanaf de som-meermiddelen uitgaande verbindingen met de elektronische schakelaars. 10 12. ‘ Conversie-inrichting volgens een willekeurige van de voorafgaande conclusies met het kenmerk, dat van het besturingsstelsel deel uitmaken een microprocessor en een aantal als vergrendeling werkzame uitgangs-elementen, die respectievelijk corresponderen met de schakelaars, waarbij de microprocessor zodanig is geprogrammeerd, dat de grendelelementen 15 worden gezet en teruggezet op tijden die zijn vereist om de bijbehorende schakelaar te sluiten en te openen.

13. Conversie-inrichting volgens een willekeurige van de voorafgaande conclusies gekenmerkt door middelen, dienende om elke schakelaar met vertraging te doen reageren op een signaal, waardoor deze schakelaar > 20 wordt gesloten, welke middelen echter toelaten, dat een signaal, waardoor de desbetreffende schakelaar wordt geopend, zonder vertraging wordt cvéTgedragen, zodanig, dat een vertraging in het openen van een schakelaar in responsie op een besturingssignaal wordt gecompenseerd. 1 i+. Conversie-inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, 25 met het kenmerk, dat van elke schakelaar deel uitmaken een vier dioden-omvattende brugketen en een bestuurbaar halfgeleiderelement, dat over een diagonaal van de brugketen is aangesloten, waarbij de andere diagonaal van deze brugketen is opgenomen in een stroombaan die een koppeling vormt tussen een ingangsgeleider en een uitgangsgeleider.

15. Conversie-inrichting volgens conclusie 1U met het kenmerk, dat het bestuurbare halfgeleiderlament, een bipolaire transistor is.

16. Conversie-inrichting volgens conclusie 1 h met het kenmerk, dat het bestuurbare halfgeleiderelement is uitgevoerd als een paar volgens een darlington configuratie aangesloten bipolaire transistors. 35 17· Conversie-inrichting volgens conclusie 15 of 16 gekenmerkt door als diode werkzame middelen die zijn aangebracht om de tijd, die de transistor of transistors nodig hebben om lading op te slaan wanneer deze 80 0 1 3 66 wordt of worden uit geschakeld, te verminderen.

18. Conversie-inrichting volgens conclusie met het kenmerk, dat het bestuurbare halfgeleiderelement een vermogen-veldeffecttransistor is. 19» Conversie-inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies 5 1-13 met het kenmerk, dat het bestuurbare halfgeleiderelement is ge vormd door een paar thyristors, die anti-parallel zijn verbonden, en een aandrijfketen met geforceerde cammutatie. 2Q. Conversie-inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies 1U - 19 gekenmerkt door middelen voor het beveiligen van het bestuurbare 10 halfgeleiderelement tegen hoogspanningstransiënten, die kunnen ontstaan wanneer dit element een schakelverking uitvoert.

21. Keteninrichting, waarvan deel uitmaken een conversie-inrichting volgens een yan de voorafgaande conclusies die vanaf een poly-faze voe-dingsnet is verbonden met een inductiemotor, een met de as van deze motor 15 gekoppelde tachometer, en een besturingsstelsel, dat is aangesloten voor het vergelijken van de motorsnelheid met ofwel een referentiesnel-heid ofwel een signaal, corresponderende met de uitgangsfrequentie · van de conversie-inrichting, en ingericht cm de conversie-inrichting-' zodanig te besturen, dat de motor ofwel bij een constante snelheid werk-20 zaam is, ofwel een constant koppel uitoefent.

22. Keteninrichting, waarvan deel uitmaken een conversie-inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies 1-20, die vanaf een poly-faze voedingsstelsel is verbonden met een synchrone of inductie poly-faze generator, een met de as van de generator gekoppelde tachometer 25 voor het teweeg brengen van een spanning, representatief voor de snelheid van die as, en een voor de conversie-inrichting dienend bestu-ringsstelsel-, dat in responsie op het uitgangssignaal van de tacho-generator bewerkstelligt, dat de conversie-inrichting aan de voedings-geleiders voedingsenergie met een constante frequentie toevoert, ondanks 30 variaties in de snelheid van de as van de generator. 23. ' Keteninrichting volgens conclusie 22 met het kenmerk, dat van het besturingsstelsel deel uitnaakt een ingang vanaf het voedingssysteem, een en ander zodanig, dat het uitgangssignaal vanaf de conversie-inrichting wordt gesynchroniseerd met een wisselspanningssysteem, dat 35 in combinatie met het voedingssysteem aanwezig is. i 80 0 1 3 6«