DE2534090A1

DE2534090A1 - Spannungs- und frequenzregelschaltung

Info

Publication number: DE2534090A1
Application number: DE19752534090
Authority: DE
Inventors: Franz Stummer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-07-30
Filing date: 1975-07-30
Publication date: 1977-02-03
Also published as: JPS5256342A; CA1053754A; FR2320001B3; BR7604857A; DK253776A; US4038592A; NL7608374A; FR2320001A1

Description

fif ΐ

PATENTANWÄLTE Λ. GRÜNECKER

DlPl -ING.

H. KINKELDEY

W. STOCKMAlR

OR-INa- AaE (CALTECHI

... K. SCHUMANN

Z Ο 0 4 O 9 O DR BER NA.T· OPL-PHYS

P. H. JAKOB

DlPL-INa

G. BEZOLD

DR PfR NAT- DlPL-CHEM.

MÜNCHEN * E. K. WEIL

DRBERO6C.IN&

LINDAU

MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

P 9428 - 50/Hö.

Herr Alberto Kling
81$6 Percha
Am Hügel 14

Spanimngs- und FrequenzreRelschaltuns

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungs- und Frequenzregelschaltung zum Umformen einer Eingangswechselspannung mit nicht konstanter Frequenz und Amplitude in eine Wechselspannung mit konstanter Amplitude und einer konstanten Sollfrequenz, die niedriger ist,als die niedrigste auftretende Frequenz der Eingangswechsel spannung.

609885/0215

TELEFON (O8Ö) 22 2862 TELEX OS-3938O TELEGRAMME MONAPAT

Bei der Verwendung von in ihrer Drehzahl nicht geregelten Generatoren ist die erzeugte Wechselspannung sowohl in ihrer Amplitude als auch in ihrer Frequenz nicht konstant. Bei einem Generator mit relativ niedriger Ausgangsleistung, beispielsweise "bei einem von einem Windrad angetriebenen Generator, ist es unwirtschaftlich und unzweckmäßig, Regelvorrichtungen zum Konstanthalten von Frequenz und Amplitude vorzusehen, wie sie bei Generatoren bekannt sind, die in größeren Kraftwerken benutzt werden. Häufig hat die erzeugte Wechselspannung auch eine wesentlich höhere Frequenz als die üblicherweise verwendete Netzfrequenz von 50 oder 60 Hertz. Beispielsweise treten bei der Auswertung der Windenergie in Windrädern in dazu geeigneten Generatoren Wechselspannungen mit Frequenzen von ca. 300 bis 8000 Hertz auf, die in ihrer Frequenz je nach der momentanen Drehzahl um bis zu 4-0% von einer mittleren Frequenz abweichen. In diesem Größenordnungsbereich liegen auch die Abweichungen der Amplitude von einem mittleren Amplitudenwert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Spannungs- und Frequenzregelschaltung anzugeben, mit der eine sowohl in ihrer Frequenz als auch in ihrer Amplitude nicht konstante Wechselspannung in eine solche mit konstanter vorgegebener Frequenz und Amplitude umgewandelt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die umzuformende Eingangs wechsel spannung einer Reihenschaltung von Schaltungseinheiten zugeführt wird, die eine Amplitudenregelschaltung, eine gesteuerte Gleichrichterschaltung und eine FiIt er schaltung aufweist, daß die Amplitudenregelschaltung derart ausgebildet ist, daß sie eine eingangsseitige Wechselspannung mit nicht konstanter Amplitude in eine ausgangsseitige Wechsel-

609885/021S

-3- 253409Q

spannung konstanter Amplitude umformt, daß die gesteuerte Gleichrichterschaltung von einer Wechselspannungsquelle, die eine Steuerwechselspannung mit Sollfrequenz abgibt, derart gesteuert ist, daß in den Halbperioden, in denen die Steuerwechselspannung positive Polarität aufweist, Halbwellen der Eingangswechselspannung mit einer ersten Polarität und in den Halbperioden, in denen die Steuerwechselspannung negative Polarität aufweist', Halbwellen mit der zweiten Polarität erzeugt werden, und daß die PiIt er schaltung nach der G-leichricht erschal tung vorgesehen und derart ausgebildet ist, daß eine wenigstens annähernde Glättung und Sinus-Wellenformung erfolgt.

In der verwendeten Gleichrichterschaltung wird die in ihrer Frequenz über der Frequenz der gewünschten Ausgangswechselspannung (50 oder 60 Hertz) liegende Eingangswechselspannung derart gleichgerichtet, daß während positiver bzw. negativer Halbwellen einer mit der gewünschten Ausgangswechselspannung frequenz gleichen Steuerwechsel spannung die Halbwellen der Eingangswechselspannung mit einer ersten bzw. zweiten Polarität erzeugt werden. Geht man vor-, einer Steuerwechselspannung von 50 Hertz (Periodendauer 20 msec) aus, so entstehen durch diese Gleichrichtung während aufeinanderfolgender Zeitintervalle von jeweils 10 msec Halbwellen der gleichgerichteten Eingangswechselspannung mit positiver bzw. negativer Amplitude. In einer zweiten Schaltungseinheit wird entweder bereits die Eingangswechselspannung oder auch die bereits gleichgerichtete Wechselspannung in eine Ausgangswechselspannung mit konstanter Amplitude umgeformt. Weiterhin ist eine Filterschaltung vorgesehen, mit der die gleichgerichtete Wechselspannung in eine annähernd sinusförmige Wechselspannung mit der gewünschten Frequenz, beispielsweise 50 Hertz, erzeugt wird. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Amplitudenregelschaltung

609885/021S

erst unmittelbar vor dem Ausgang der Gesamtregelschaltung vorzusehen, also die Eingangswechselspannung zuerst gleichzurichten, anschließend durch ein Filter laufen zu lassen und die dadurch gewonnene Ausgangsspannung in ihrer Amplitude zu stabilisieren. Da eine Drehzahlerhöhung des Generators gleichzeitig zu einer Frequenzerhöhung und einer Spannungserhöhung bzw. Leistungserhöhung seiner abgegebenen Wechselspannung führt, ergibt sich der Vorteil, da'ß der verwendete Transformator stets optimal dimensioniert ist, da bei höherer Frequenz auch höhere Leistungen übertragbar sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelschaltung;

Fig. 2 die einzelnen Spannungsverläufe an den wesentlichen Punkten der Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus der in Fig. 1 dargestellten Gleichrichterschaltung;

Fig. 4 eine schematisch dargestellte Ausführung einer Regelschaltung gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 1;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 verwendeten Steuerschaltung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Regelschaltung;

6098 85/0215

253A090

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Regelschaltung mit dreiphasigem Ausgang und einphasigem Eingang und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Regelschaltung mit mehrphasigem Eingang und einphasigem Ausgang.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Regelschaltung. Dieser besteht aus der Kettenschaltung bzw. Reihenschaltung eines Generators 1, einer Amplitudenregelschaltung 2, einer Gleichrichterschaltung 3 und einer Filterschaltung 4. An die Gleichrichterschaltung 3 ist eine Steuerwechselspannungsquelle 5 angeschlossen, die mit einer Steuerwechselspannung von 50 oder 60 Hertz arbeitet.

Im folgenden wird anhand der Fig. 1 und 2 die grundsätzliche Funktions weise dieser Regelschaltung beschrieben. Der Generator 1 erzeugt eine weder in der Frequenz noch in der Amplitude konstante Wechselspannung, die in Fig. 2 mit a bezeichnet ist. Die Frequenz und Amplitudenschwankungen sind hier gegenüber praktischen Fällen stark übertrieben dargestellt. Dieses Ausgangssignal des Generators wird der Amplitudenregelschaltung 2 zugeführt und dort zu einem Ausgangssignal mit konstanter Amplitude umgeformt. Diese zwar in ihrer Amplitude, in ihrer Frequenz aber noch nicht konstante Wechselspannung ist in Fig. 2 mit b bezeichnet. Sie wird der Gleichrichterschaltung 3 zugeführt, die von der Steuerwechselspannung aus der Steuerwechselspannungsquelle 5 wie folgt gesteuert wird. Die Steuerwechselspannung ist in Fig. 2 mit c bezeichnet. Diese Steuerwechselspannung hat eine Frequenz wie sie das Ausgangssignal am Ausgang der Filterschaltung 4- erhalten soll. Diese Frequenz beträgt beispielsweise 50 oder 60 Hertz. Die Gleich-

809885/0215

253A09Q

rieht er schaltung 3 ist beispielsweise als Vo Hv; eggl ei ehr icht erschal tung ausgebildet, wobei sich in Abhängigkeit von der Steuerung der Steuerwechselspannungsquelle 5 positive und negative Halbwellen bzw. Halbwellenzüge erzeugen lassen. Dies ist auf einfache Weise mit einer Schaltungsanordnung möglich, wie sie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Der dort gezeigte Gleichrichterblock 6 stellt eine übliche Vollweggleichrichterbrücke dar, mit der ,aus einer eingangs zugeführten Wechselspannung Ausgangswechselspan mangen einer Polarität erzeugt werden. An den Gleichrichterblock 6 ist ein zweipoliger steuerbarer Umschalter 7 angeschlossen, der die vom Gleichrichterblock 6 gelieferte Spannung in Abhängigkeit von seiner Schaltstellung auf den Ausgang der Gleichrichterschaltung 3 polt. Die Steuerung erfolgt dabei durch die Steuerwechselspannungsquelle 5 in weiter unten noch zu beschreibender Weise. Durch Umschalten des steuerbaren Umschalters 5 entstehen auf den Ausgangsleitungen der Gleichrichterschaltung 3 wahlweise HaIbwellenzüge mit positiver und negativer Polarität. Die Umschaltung des Umschalters 7 wird immer dann vorgenommen, wenn die Steuerwechselspannung durch Null geht. Dadurch entsteht am Ausgang der Gleichrichterschaltung 3 eine Wechselspannung, wie sie in Fig. 2d dargestellt ist. Während der ersten Halbperiode der dargestellten Steuerwechselspannung c entstehen am Ausgang der Gleichrichterschaltung Halbwellen mit positiver Polarität. Beim nächsten ITuIldurchgang der Steuerwechselspannung c wird der Schalter umgeschaltet, so daß am Ausgang der Gleichrichterschaltung 3 Halbwellen mit negativer Polarität erzeugt werden. Dieser Zustand des Umschalters 7 wird beibehalten, bis die Steuerwechselspannung wieder durch Null geht. Beim Nulldurchgang wird der Umschalter 7 in seinen ursprünglichen Zustand wieder zurückgeschaltet und es werden wieder Halbwellen mit positiver Polarität erzeugt. In der sich an die Gleichrichter schal tung 3 anschließenden Filterschaltung 4-

609885/0215

wird eine Glättung der Wechselspannung d durchgeführt, so daß am Ausgang der FiIterschaltung 4 eine möglichst sinusförmige Wechselspannung abgenommen werden kann. Dieses Aus gangs signal ist in Fig. 2 mit e bezeichnet.

Die in Fig. 1 dargestellte Reihenfolge von Amplitudenregelschaltung 2, Gleichrichterschaltung 3 und Filterschaltung 4 kann nahezu· "beliebig geändert werden. Beispielsweise läßt sich die Amplitudenregelschaltung 2 auch nach der Gleichrichterschaltung 3 vorsehen. In diesem Fall ist die durch die Gleichrichterschaltung 3 zunächst gleichgerichtete Wechselspannung in ihrer Amplitude noch nicht konstant und wird anschließend durch die Amplitudenregelschaltung 2 konstant gemacht. Die Amplitudenregelschaltung 2 kann aber auch erst nach der Filterschaltung 4 vorgesehen sein. In diesem Fall verarbeitet die FiIterschaltung 4 eine in ihrer Amplitude noch nicht konstante Wechselspannung und mit der Amplitudenregelschaltung 2 ist eine Wechselspannung der Ausgangsfrequenz in ihrer Amplitude zu regeln. Wichtig ist lediglich, daß die zu verarbeitende Wechselspannung vom Generator 1 alle drei Schaltungsteile, nämlich Amplitudenregelschaltung 2, Gleichrichter schaltung 3 und Filterschaltung 4 durchläuft.

In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Regelschaltung dargestellt, wie sie in der Reihenfolge ihrer einzelnen Schaltungsteile der Fig. 1 entspricht. An den Generator 1 ist eine als Regeltransformator 8 ausgebildete Amplitudenregelschaltung angeschlossen. Der Abgriff 9 des Regeltransformators 8 wird an der Sekundärwicklung dieses Transformators in eine solche Stellung gebracht, daß das gewünschte Ausgangssignal auf der Sekundärseite des Regeltransformators 8 entsteht. Diese Regelung kann auf im Stand der Technik bekannte Weise beispielweise durch einen Spannungsmesser 10 vorgenommen werden, der mit einem Stellantrieb 11 für

609885/021$ - 8 -

den Abgriff 9 versehen ist. Statt eines Spannungsmessers 10 können auch eine Konstant spannungs quelle und ein Differenzverstärker zum Antrieb des Stellantriebs 11 vorgesehen sein. Die Gleichrichterschaltung 3 enthält in diesem Ausführungsbeispiel zwei Gleichrichterbrückenschaltungen, deren einzelne Brückenelemente als Thyristoren ausgebildet sind. Die zu der ersten Brückenschaltung gehörenden Thyristoren sind mit 12 bezeichnet, während die zu der zweiten Brückenschaltung gehörenden Thyristoren mit 13 bezeichnet sind. Die beiden Brückenschaltungen sind sowohl auf ihrer Wechselspannungsseite als auch auf ihrer Gleichspannungsseite einander parallel geschaltet. Lediglich die Polungen der einzelnen Thyristoren 12 bzw. 13 sind in den beiden Brückenschaltungen unterschiedlich gewählt. An diese Thyristoren 12 und 13 ist eine Steuerschaltung 14 angeschlossen, mit der entweder die Thyristoren 12 oder die Thyristoren 13 in ihren leitenden Zustand geschaltet werden können. Sind die Thyristoren 12 leitend, so entstehen auf der in der Zeichnung oberen Ausgangsleitung dieser Gleichrichterschaltung 3 negative Halbwellen, während dort positive Halbwellen erzeugt werden, wenn die Thyristoren 13 leitend sind. An die Steuerschaltung 14 ist die Steuerwechselspannungsquelle 5 angeschlossen, die die Steuerschaltung 14 dazu veranlaßt, jeweils bei den Nulldurchgängen der Steuerwechsel spannung eine Umschaltung von einer Gleichrichterbrücke auf die andere vorzunehmen. Mit einer derartigen Thyristorschaltung wird in Abweichung von dem Prinzipbild der Pig. 2 nicht immer exakt zu den Zeiten geschaltet, in denen die Steuerwechselspannung 2c durch Null geht, weil ein einmal geöffneter Thyristor solange in seinem geöffneten Zustand bleibt, bis' der Haltestrom unterschritten wird. In der Praxis bedeutet das, daß eine Umpolung immer nur im Nulldurchgang der Generatorwechselspannung vorgenommen wird, also zu Zeitpunkten, die unter Umständen etwas früher oder später liegen als die Zeitpunkte, in denen die Steuerwechsel-

609885/021 S

spannung durch Null geht. Bei einer gleichzurichtenden Wechselspannung, deren Frequenz wesentlich über der der Sollfrequenz liegt, spielt diese Abweichung keine Rolle und kann durch die Filterschaltung ohne weiteres ausgeglichen werden. Diese Modifikation hat aber den wesentlichen Vorteil, daß keine Induktionsspitzen im Filter oder Transformator entstehen. Die Filterschaltung 4· besteht in diesem Ausfiihrungsb ei spiel lediglich aus einer Reiheninduktivität 15 und einer Parallelkapazität 16 am Ausgang der Regelschaltung. Die Induktivität 15 inid die Kapazität 16 sind durch die Formel 2^f = 1//LC dimensioniert, wobei f die Frequenz der Ausgangswechselspannung, L der Wert der Induktivität und C der Wert der Kapazität bedeuten. Diese FiIterschaltung stellt ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel dar, mit dem aber bereits ein recht gut angenäherter Sinusverlauf der Ausgangswechselspannung erreicht wird. Will man darin enthaltende Oberwellen noch stärker dämpfen, empfiehlt es sich, mehrere solche LC-Glieder zur Bildung einer Siebkette hintereinander zu schalten. Es können aber auch beliebige andere Filterschaltungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, zur Glättung verwendet werden.

In Fig. 5 ist ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel für die Steuerschaltung 14 gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 4- dargestellt. Diese Steuerschaltung 14 enthält zwei ITullspannungsdetektoren 17 und 18, an die eingangsseitig die Steuerwechselspannungsquelle 5 bzw. der Generator 1 angeschaltet sind. An den Hullspannungsdetektor 18 braucht nicht notwendigerweise der Generator 1 selbst angeschaltet zu sein; es genügt, wenn diesem Hullspannungsdetektor 18 eine mit der Ausgangswechselspannung des Generators 1 phasengleiche Wechselspannung zugeführt wird. Diese ITullspannungsdetektoren geben jeweils dann einen Impuls an ihren

- 10 -

609885/0215

Ausgang ab, wenn die Eingangswechselspannung durch Null geht. Derartige NullSpannungsdetektoren sind aus dem Stand der Technik bekannt und brauchen hier nicht näher beschrieben zu werden. An den Ausgang des Null Spannungsdetektors 18 ist ein Pulsformer 19 angeschlossen, dessen Ausgangssignal einem ersten Eingang einer Pulsweiche 20 zugeführt wird. Die Pulsweiche 20 hat zwei Steuerausgänge, deren Jeder an einen Impulsübertrager 22 bzw. 23 angeschlossen ist. Die Impulsübertrager 22,23 haben je vier Ausgangsleitungen 12a bis 12d bzw. 13a bis 13d, die an die Steuereingänge der Thyristoren 12 bzw. 13 der Gleichrichterschaltung nach Fig. 4 angeschlossen werden können. Der Ausgang des Nullspannungsdetektors 17 ist mit dem ersten Eingang eines Synchronisiergatters 21 verbunden, an dessen zweiten Eingang das Ausgangssignal des Pulsformers 19 geführt wird. Der Ausgang des Synchronisiergatters 21 ist mit dem zweiten Eingang der Pulsweiche 20 verbunden.

Die Arbeitsweise der Steuerschaltung nach Fig. 5 ist wie folgt. Die Pulsweiche 20 schaltet die eingangsseitig vom Pulsformer 19 zugeführten Impulse abwechselnd auf einen ihrer beiden Ausgänge durch. Die Umschaltung von einem Ausgang auf den anderen wird in Abhängigkeit vom Auftreten eines Signals aus dem Synchronisiergatter 21 vorgenommen. Das Synchronisiergatter 21 gibt immer dann ein Ausgangssignal ab, wenn ihr eingangsseitig ein Impuls aus dem Nullspannungsdetektor 17 zugeführt wird, nicht aber gleichzeitig ein Impuls aus dem Pulsformer 19. Für den Fall, daß die Nulldurchgänge der Steuerspannung und der Generatorspannung zeitlich zusammenfallen oder sehr dicht beieinanderliegen, muß dafür gesorgt werden, daß die Pulsweiche 20 ordnungsgemäß umschaltet. Dies wird auf einfache Weise dadurch erreicht, daß die Impulse aus dem Pulsformer 19 zeitlich kürzer gemacht sind als die aus dem Nullspannungsdetektor 17. Auch bei einem zeitlichen Zusammentreffen der Impulse aus dem Nullspannungsdetektor 17 und dem Pulsformer 19

11 -

609885/021 5

gibt das Synchronisiergatter 21 einen Impuls ab, da der Impuls aus dem Nullspannungsdetektor 17, den Impuls aus dem Pulsformer zeitlich überlappt. Je nach dem, ob der Impuls aus dem Pulsformer 19 in der ersten oder zweiten Hälfte des Impulses aus dem EuIlspannungsdetektor 17 liegt, wird dieser Impuls aus dem Pulsformer 19 noch auf den bisher durchgeschalteten Ausgang der Pulsweiche oder bereits auf den anderen Ausgang geschaltet. Mit anderen Worten ausgedrückt, das Synchronisier gatter 21 sorgt dafür, daß die Pulsweiche 20 nur in den Intervallen zwischen den Impulsen aus dem Pulsformer 19 schaltet, so daß dafür Sorge getragen ist, daß nicht die eine Hälfte des Impulses aus dem Pulsformer 19 auf die eine Ausgangsleitung und dessen andere Hälfte auf die andere Ausgangsleitung geschaltet wird, wodurch beide Brückenschaltungen 12,13 gleichzeitig leitend geschaltet werden wurden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 zeigt gegenüber dem Blockschaltbild nach Pig. 1 geänderten Aufbau der Regelschaltung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Wechselspannung aus dem Generator 1 unmittelbar der Gleichrichterschaltung 3 zugeführt. Die am Ausgang der Gleichrichterschaltung 3 erhaltene gleichgerichtete Wechselspannung ist in ihrer Amplitude noch nicht konstant. Diese Wechselspannung wird nunmehr der PiIt er schaltung 4 zugeführt und anschließend der Amplitudenregel schaltung 2. Die Amplitudenregelschaltung 2 ist wie im vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel durch einen Regeltransformator 8 realisiert, der durch einen Spannungsmesser 10 und einen Stellantrieb 11 betätigt wird. Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, daß als Filterschaltung lediglich ein zusätzlicher Kondensator 24 vorgesehen ist, der zusammen mit der Induktivität der Primärspule des Regeltransformators 8 eine Glättung der Ausgangswechselspannung der Gleichrichterschaltung 3 vornimmt. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 4 ist jedoch bei diesem Ausführungs-

609885/0215

253A090

beispiel nach Fig. 6 ein etwas aufwändigerer Regeltransformator vorzusehen, da die in ihrer Amplitude zu regelnde Ausgangsspannung eine niedrigere Frequenz hat als die Eingangsspannung.

Das in Fig. 7 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel zeigt eine Regelschaltung, mit der aus einer einphasigen Eingangswechselspannung eine mehrphasige Ausgangswechselspannung auf einfache Weise erzeugt werden kann. Die Erzeugung einer Mehrphasenspannung am Ausgang aus einer Einphasenspannung am Generator hat den Vorteil, daß ein Generator mit einer minimalen Anzahl von Schleifringen verwendet werden kann. Die Wechselspannung des Generators 1 wird einem Transformator 8 mit drei jeweils mit einem Regelabgriff versehenen Sekundärwicklungen 8a bis 8c zugeführt. Die Regelabgriffe werden von jeweiligen Differenzverstärkern 24a, 24b und 24c über Stellantriebe 11a, 11b und 11c gesteuert. Die Differenzverstärker 24a bis 24c sind an die Ausgangsspannung der Sekundärwicklungen 8a bis 8c und an eine gemeinsame Bezugsspannungsquelle 25 angeschlossen. Am Ausgang der drei Sekundärwicklungen 8a bis 8c entstehen demnach in ihrer Phase und Amplitude gleiche Ausgangsspannungen, die einzelnen Gleichrichterschaltungen 3a, 3b und 3c zugeführt werden. An diese drei Gleichrichterschaltungen 3a bis 3c sind jeweils einzeln Steuerschaltungen 14a bis 14c angeschlossen. Sowohl die Gleichrichterschaltungen 3a bis 3c als auch die Steuerschaltungen 14a bis 14c entsprechen der Gleichrichterschaltung 3 und eier Steuerschaltung 14 gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 4. Die Steuerschaltung 14a ist unmittelbar an eine Steuerwechselspannungsquelle 5 angeschlossen, während die beiden anderen Steuerschaltungen 14b und 14c über jeweils ein Zeitverzögerungsglied 26 bzw. 27 mit dieser Steuerwechselspannungsquelle 5 in Verbindung stehen. Statt die Zeitverzögerungsglieder 26,27 zu verwenden, kann man den Gleichrichterschaltungen 3a bis 3c auch

609885/0215

unmittelbar Steuerspannungen mit Phasenverschiebung, beispielsweise aus dem Drehstromnetz, zuführen. Diese beiden Zeitverzögerungsglieder 26 und 27 führen zu einer Verzögerung der Wechselspannung aus der Steuerwechselspannungsquelle 5 um einen Phasenwinkel von 120 bzw. 240°. Das hat zur Folge, daß die Steuerschaltungen 14-a bis 14c nicht gleichzeitig wirksam werden, sondern in ihrem Arbeitsablauf um Zeitintervalle verschoben arbeiten, 'die einem Drittel der Periode der Steuerwechsel spannung entsprechen. An den Ausgängen der Gleichrichter schaltungen 3a bis 3c erscheinen deshalb die gleichgerichteten Wechselspannungen in ihrer Phase um jeweils 120 verschoben. An die Gleichrichterschaltungen 3a bis 3c sind außerdem Filterschaltungen 4a, 4b bzw. 4c angeschlossen, mit denen in bereits vorher beschriebenerWeise eine Annäherung an die Sinusform erreicht wird. Damit wird eine dreiphasige Ausgangswechselspannung zur Verfügung gestellt.

In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 der Generator zwei in ihrer Phase um 90 gegeneinander verschobene Spannungen abgibt und eine einphasige Ausgangswechselspannung erzeugt werden soll. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß gegenüber der einfachen Gleichrichtung die Welligkeit der gleichgerichteten Wechselspannung ganz beträchtlich verkleinert wird und dadurch der Filteraufwand verringert werden kann. Die beiden in ihrer Phase um 90° gegeneinander verschobenen Wechselspannungen des Generators 1 werden jeweils einem Regeltransformator 8a' bzw. 8b' zugeführt, die so wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 durch je einen Differenzverstärker 24a bzw. 24b und eine beiden Differenzverstärkern 24a, 24b gemeinsame Konstantspannungsquelle 25 gesteuert sind. An diese beiden Regeltransformatoren 8a' und8b' ist jeweils eine Gleichrichterschaltung 3a und 3b angeschlossen, die von jeweils einer Steuerschaltung 14a bzw. 14b gesteuert

609885/0215

werden. Die Gleichrichter schaltungen Ja und Jb sowie die Steuerschaltungen 14a und 14b entsprechen der Gleichrichterschaltung und der Steuerschaltung 14 in Fig. 4. Die beiden Steuerschaltungen 14a und 14b werden von einer ihnen gemeinsamen Steuerwechselspannungsquelle 5 gesteuert. Die Ausgänge der Gleichrichterschaltungen Ja und 3b sind einander parallel geschaltet. Diese einander parallel geschalteten Ausgänge sind an ein Filter 4 , angeschlossen, mit dem die Glättung der gleichgerichteten Wechselspannung erfolgt.

Die dargestellten Ausführungsformen sind nur beispielsweise angegeben, sollen aber den Anmeldungsgegenstand in keiner Weise beschränken. Es sind zahlreiche Abwandlungen der schaltungstechnischen Einzelheiten möglich, ohne daß dabei die eigentliche Erfindung verlassen würde. Insbesondere die in Fig. 4 angegebene Gleichrichterschaltung läßt sich auch beliebig anders aufbauen. Beispielsweise ist es nicht nötig, eine Yollwegbrückengleichrichterschaltung zu verwenden. Es kann auch mit einer Halbweggleichrichtung gearbeitet werden. Statt der angegebenen Thyristoren lassen sich auch einfache Dioden verwenden, wenn ein dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 entsprechender Schalter an die Gleichrichter anordnung angeschlossen wird. Es lassen sich auch Triacs mit entsprechend modifizierter Steuerelektronik verwenden. Insbesondere kann auch die Filterschaltung und die Steuerschaltung für die Gleichrichterschaltung beliebig anders aufgebaut sein. Der angegebene Transformator kann auch als Spartransformator (Autotransformator) ausgebildet sein. Als andere bevorzugte Ausführungsform für eine hier verwendbare Gleichrichterschaltung bietet sich eine YoIlwellenmittelpunktgleichrichterschaltung an, v/eil diese eine geringere Anzahl von Gleichrichterelementen als eine Brückenschaltung benötigt. Es muß lediglich dafür Sorge getragen werden, daß irgendwo innerhalb der Gesamtregelschaltung eine Amplituden-

609885/0215

stabilisierung erfolgt, die vom Generator gelieferte Wechselspannung in der angegebenen Weise gleichgerichtet und eine Glättung der gleichgerichteten Spannung vorgenommen wird. Es liegen auch beliebige Kombinationen der dargestellten Ausführungsbeispiele bezüglich der verwendeten bzw. erzeugten Spannungen unterschiedlicher Phase im Rahmen der Erfindung. Beispielsweise kann das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 derart abgewandelt bzw. er-, gänzt werden, daß man drei um je 120 verschobene Generatorspannungen benutzt, um ein 9-Phasensystem zu erhalten. Einzelne Phasen des Ausgangssystems können auch, wie es im Ausführungsbeispiel nach ]?ig. 8 gezeigt ist, wieder zusammengefaßt werden, um die Welligkeit zu verbessern.

- Patentansprüche -

- 16 -

609885/0215

Claims

Pat entansprüche

Spannungs- und Frequenzregelschaltung zum Umformen einer Eingangswechsel spannung mit nicht konstanter Frequenz un'd Amplitude in eine Wechselspannung mit konstanter Amplitude und einer konstanten Sollfrequenz, die niedriger ist als die niedrigste auftretende Frequenz der Eingangswechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die umzuformende Eingangswechselspannung einer Reihenschaltung von Schalteinheiten zugeführt wird, die eine Amplitudenregelschaltung (2), eine gesteuerte Gleichrichterschaltung (3) und eine Filterschaltung (4) auf v/eist, daß die Amplitudenregelschaltung (2) derart ausgebildet ist, daß sie eine eingangsseitige Wechselspannung mit nicht konstanter Amplitude in eine ausgangsseitige Wechselspannung konstanter Amplitude umformt, daß die gesteuerte Gleichrichterschaltung (3) von einer Wechselspannungsquelle (5)» die eine Steuerwechselspannung mit Sollfrequenz abgibt, derart gesteuert ist, daß in den Halbperioden, in denen die Steuerwechselspannung positive Polarität aufweist, Halbwellen der Eingangswechselspannung mit einer ersten Polarität und in den Halbperioden, in denen die Steuerwechsel spannung negative Polarität aufweist, Halbvollen mit der zweiten Polarität erzeugt werden, und daß die Filterschaltung (4) nach der Gleichrichterschaltung C$) vorgesehen und derart ausgebildet ist, daß eine wenigstens annäherende Glättung und Sinus-Wellenformung erfolgt.

.- 17 -

809885/0215

253409Q
2. Ee gel schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltungseinheiten vom Eingang der Regelschaltung zum Ausgang wie folgt in Reihe geschaltet sind: Amplitudenregelschaltung (2), Gleichrichterschaltung (3) > Filterschaltung (4-).
3. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinheiten vom Eingang der Regelschaltung zum Ausgang wie folgt in Reihe geschaltet sind: Gleichrichterschaltung (3)» Amplitudenregelschaltung (2), Filterschaltung
4. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltungseinheiten vom Eingang der Regelschaltung zum Ausgang wie folgt in Reihe geschaltet sind: Gleichrichterschaltung (3)» Filterschaltung (4) , Amplitudenregelschaltung. (2) .
5. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 1 "bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenregelschaltung (2) als Regeltransformator (8) ausgebildet ist.
6. Regelschaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung (3) eine von der Steuerwechselspannung (5) gesteuerte Umschaltvorrichtung (7;12,13) aufweist, mit der im Takt der Nulldurchgänge der Steuerwechselspannung abwechselnd eine positive und eine negative gleichgerichtete Spannung an ihrem Ausgang erzeugbar ist.

- 18 -

609885/0215
7. Regelschal tung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Gleichrichterschaltung (3) zwei einander auf der Vechselspannungs- und auf der Gleichspannungsseite parallelgeschaltete steuerbare Brückenschaltungen (12,13) aufweist, deren einzelne Gleichrichterelemente Thyristoren (12,13) sind, die in den beiden Brückenschaltungen einander entgegengesetzt polarisiert sind, · so daß auf der Gleichspannungsseite, in Abhängigkeit davon, welche der beiden Brückenschaltungen wirksam ist, eine negative oder eine positive Gleichspannung erzeugt wird, und daß die beiden Brückenschaltungen jeweils bei jedem Rulldurchgang der Steuerwechselspannung abwechselnd in ihren stromleitenden Zustand geschaltet werden.
8. Regelschaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (M-) aus einem Siebglied mit Reiheninduktivität (15) und Parallelkapazität (16) besteht, dessen Schaltelement gegenseitig auf die Sollfrequenz abgestimmt sind.
9. Regelschaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Gleichrichterschaltung (3) eine Steuerschaltung (14) vorgesehen ist, der die Steuerwechselspannung und die Eingangswechselspannung zugeführt wird und die für diese beiden Wechselspannungen jeweils einen Nullspannungsdetektor (17,18) enthält, die jeweils dann einen Impuls abgeben, wenn die ihnen zugeordneten Vechselspannungen durch Null gehen, daß die Impulse des der Eingangs-

- 19 -

609885/0215

~'⁹~ 253409Q

wechselSpannung zugeordneten NullSpannungsdetektoren zur Steuerung der Thyristoren der Brückenschaltungen (12,13) "benutzt werden, und daß die Impulse des der Steuerwechselspannung zugeordneten Nullspannungsdetektoren (17) zum Umschalten der Gleichrichterschaltung (12,13) verwendet werden.
10. Regelschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Impulse des Nullspannungsdetektors (18) , der der Eingangswechsel spannung zugeordnet ist, einem ersten Eingang einer Pulsweiche (20) zugeführt werden, daß ein Synchroni si er gatter (21) vorgesehen ist, dem die Impulse aus den "beiden Nullspannungsdetektoren (17*18) eingangsseitig zugeführt werden und das derart ausgebildet ist, daß es ausgangsseitig immer dann einen Impuls abgibt, wenn eingangsseitig ein Impuls aus dem Nullspannungsdetektor (17)j der der Steuerwechselspannung zugeordnet ist, auftritt, um das einen Ausgangsimpuls nur in den Pulsintervallen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen aus dem Nullspannungsdetektor (18) abgibt, daß der Ausgang des Synchronisiergatters einem zweiten Eingang der Pulsweiche (20) zugeführt wird, die derart ausgebildet ist, daß sie die Impulse aus dem NullSpannungsdetektor (18), der der Eingangswechsel spannung zugeordnet ist, abwechselnd in Abhängigkeit vom Auftreten eines Impulses an ihrem zweiten Eingang auf jeweils einen ihrer beiden Ausgänge schaltet.
11. Regelschaltung mit gleichzeitig mehreren in der Phase gegeneinander verschobenen Eingangswechselspannungen eines Mehrphasensystems, nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Phase eine Regelschaltung zugeordnet ist, deren Steuer-

- 20 -

609885/021 B

253A0-9Q

wechselspannungen in der Phase gegeneinander verschoben sind, so daß deren Ausgangswechselspannungen ebenfalls ein Mehrphasensystem bilden.
12. Regelschaltung mit gleichzeitig mehreren in der Phase gegeneinander verschobenen Eingangswechselspannungen eines Mehrphasensystems, nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Phase eine Regelschaltung zugeordnet ist, und daß die Ausgangsleitungen der Gleichrichterschaltungen (5a,7b) zueinander parallel geschaltet sind, um nur eine Phase einer Ausgangswechselspannung zu erzeugen.
13. Regelschaltung mit einer einzigen von einem Generator gelieferten Wechselspannung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Wechselspannung mehreren Gleichrichterschaltungen (3a,3b,3c) gleichzeitig zugeführt wird, daß diese Gleichrichterschaltungen von Steuerwechselspannungen (5*26,27) gesteuert sind, deren Phasen gegeneinander verschoben sind, um ein Mehrphasen-Ausgangssystem zu erhalten.

609 88 5/0215