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Einrichtung zum phasenrichtigen Glätten von Vektorkomponentenspannungen
Bei der Signalverarbeitung periodischer Signale in der MeB- und Regelungstechnik
ist es oft erforderlich, diesen überlagerte höherfrequente Schwingungsanteile, sogenannte
Oberwellen zu unterdrücken. Führt man eine Glättung mittels üblicher Verzögerungsglieder
durch, welche von den periodischen Signalen unmittelbar beaufschlagt werden, so
muß man dabei in Kauf nehmen, daß diese Glieder grundsätzlich auch die Phasenlage
und die Amplitude der Grundwelle verfälschend beeinflussen-. Für eine Vektormessung
bzw.
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eine Vektorregelung beispielsweise,bei welcher ein Vektor mittels
zweier ihn-beschreibender Komponentenspannungen, welchen noch unerwünschte Oberwellen
überlagert sind, möglichst genau erfaßt werden soll, verbietet sich somit dieses
Verfahren.
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Die Erfindung betrifft daher eine Einrichtung zum phasenrichtigen
Glätten von Vektorkomponentenspannungen, insbesondere eines Drehvektors, und ist
gekennzeichnet durch einen Zweiphasengenerator, dessen Frequenz vom Ausgang eines
PI-Reglers bestimmt ist, der eingangsseitig mit einer von der Differenz zwischen
dem Phasenwinkel des Vektors und dem Phasenwinkel des von dem Zweiphasengenerator
gebildeten Vektors abhängigen Größe beaufschlagt ist.
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Grundgedanke der Erfindung ist es also, den Phasenwinkel eines oberwellenfreien
Vektorkomponentenspannungen liefernden Zweiphasengenerators so zu beeinflussen,
daß dessen Unterschied zum Phasenwinkel des oberwellenbehafteten Vektors im Mittel
verschwindet, wodurch die von den überlagerten Oberwellen verursachten
Schwankungen
von zeitlichen Veränderungen der Grundwelle selbst separiert und für sich geglättet
werden können.
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Der Zweiphasengenerator kann unter -Vermeidung rotierender Teile gemäß
einer Weiterbildung der Erfindung aus zwei hintereinander geschalteten Integratoren
bestehen, denen jeweils ein Multiplikator vorgeordnet ist.
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Die Bildung einer von dem zuvorgenannten Differenzwinkel abhängigen
Größe könnte an sich mit bekannten analog oder digital arbeitenden Bausteinen wie
Funktionsdrehmelder oder Phasenwinkelmeßgeräten erfolgen. Eine besonders einfache
Möglichkeit zur Bildung der von dem Differenzwinkel abhängigen Größe eröffnet sich
nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit vier Multiplikatoren, die von
den Vektorkomponentenspannungen und von den Ausgangsspannungen des Zwelphasengenerators
beaufschlagt sind und deren Ausgangsspannungen zwei Addierverstärkern so zugeführt
sind, daß an deren Eingängen dem Sinus und dem Kosinus des Differenzwinkels proportionale
Größen entstehen, welche zur Bildung einer dem Tangens des Differenzwinkels proportionalen
Größe einem Quotientenbildner zugeführt ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, welche im folgenden anhand
der Figuren näher veranschaulicht wird, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Fig. 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Glättungseinrichtung
bei der feldorientierten Regelung bzw.
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Steuerung einer Asynchronmaschine, wie sie bereits an anderer Stelle
vorgeschlagen worden ist. Das Wesen einer derartigen feld orientierten Regelung
besteht darin9 daß der Ständerstrom der Asynehronmaschine vorgegeben wird mittels
einer jeweils in Richtung und einer senl:recht zur Riolltung der momentanen Läuferdrehfeldachse
liegenden
Komponente. Hierzu ist es erforderlich, die momentane Lage des Läuferdrehfeldes
in irgend einer Weise meßtechnisch zu erfassen und vorteilhaft,die in den Meßgrößen
enthaltenen Obersellenschwingungen zu unterdrücken ohne dabei die Grundwelle bezüglich
ihrer Phasenlage zu verfälschen.
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Gemäß Fig. 1 wird eine Asynchronmaschine an ihren Ständerphasenklemmen
R, S und T über ein geeignetes Stellglied, welches die Phasenströme IR' 15 und I
einzustellen gestattet, aus einem Drehstromnetz gespeist. Als derartiges Drehstromstellglied
kommt beispielsweise ein lrehtransformator, ein Magnetverstärker oder ein Umrichter
infrage. Von zwei um 900 elektrisch gegeneinander am Ankerumfang der Asynchronmaschine
1 versetzten Hallsonden wird das Luftspaltfeld von zwei um 90° phasenverschobenen
Spannungen, welche den in die beiden senkrecht aufeinanderstehenden Achsen r und
j fallenden Komponenten des Drehfeldvektors proportional sind, abgebildet und mittels
Korrekturglieder 4 daraus die entsprechenden Komponentenspannungen des mit dem Läufer
verketteten Drehfeldvektors gew3nnen. Die am Ausgang der Korrekturglieder 4 auftretenden,
noch mit hauptsächlich durch die Läufernutung verursachten Oberwellen behafteten,
Vektorkomponentenspannungen werden den Eingangsklemmen 8 und 9 des bezüglich seines
Innenaufbaues später noch ausführlich beschriebenen erfindungsgemäßen Glättungsgliedes
G zugeführt, welche diese phasenrichtig in zwei oberwellenfreie, ständerbezogene
Vektorkomponentenspannungen umformt, die einen stets in Richtung der momentanen
Drehfeldaahse zeigenden Einheitsvektor # = ej# beschreiben. Die mit cos S und sin
S bezeichneten Ausgangsspannungen des Glättungsgliedes G sind einem mit 6 bezeichneten
Komponentenwandler (KW) zugeführt, der mit zwei auf die Läuferdrehfeldachse bezogenen
Eingangsgrößen b und w zwei entsprechende
ständerbezogene Vektorkomponenten
für den Ständerstrom bildet.
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Der Ko-;½ronentenwandler 6 besteht aus vier Multiplikatoren undzwei
Addien-erstärkern und liefert an seiner Ausgangsklemme 12 eine Spannung der Größe
b cos# 9 - w sin y und an seiner Ausgangsklemme 13 eine Spannung der Größe b sin#
+ w w cos#, welche über ein Zwischenglied 7, beispielsweise zur Umwandlung von zweiachsigen
in dreiachsigen Komponenten auf die Stelleingänge des Stellgliedes 2 wirken. Durch
diese feldorientierte Vektorkomponentensteuerung mit den feldachsenbezogenen Größen
b und w werden die parallel und die senkrecht zur momentanen Läuferdrehfeldachse
liegende Komponente des Ständerstromvektors, d.h. Wirkstrom und Feldbetrag unabhängig
und entkoppelt voneinander beeinflußt,wobei es wesentlich ist, daß die Oberwellen
der Aus gangssignale der Hallsonden 3 ohne Phasenverfälschung der Grundwelle eliminiert
werden.
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Zur Erläuterung der prinzipiellen Wirkungsweise der Erfindung sei
zunächst auf das Vektorschaubild gemäß Pig. 2 Bezug genommen, das einen vorgegebenen
ebenen Vektor E, beispielsweise einen Drehvektor, mit dem Phasenwinkel # in einem
rechtwinkeligen, feststehenden Koordinatensystem mit den Achsen r und j zeigt, dessen
in Richtung der Koordinatenachsen fallenden Vektorkomponenten mit El und E2 bezeichnet
sind. Die Vektorkomponenten sollen nun neben einer Grundschwingung noch eine Oberschwingung
enthalten, was vektoriell so dargestellt werden kann, daß sich der vorgegebene Drehvektor
E zusammensetzt aus einem mit Eg bezeichneten Grundwellenvektor und einem jeweils
um dessen Spitze kreisenden Oberwellenvektor E0. Wird mit #g der Phasenwinkel des
Grundvektors Eg bezeidhnet, dann wird der Differenzwinkel zwischen dem Phasenwinkel
# des Vektors E und dem Phasenwinkel #g des Vektors Eg sich periodisch zwischen
den Werten + d und- d bewegen, so daß dessen zeitlicher Mittelwert Nuli ist.
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Umgekehrt läßt sich sagen, daß jeder Vektor A mit dem Phasenwinkel
α, dessen Phasenwinkeldifferenz #-α zu dem Phasenwinkel # des vorgegebenen
Vektors E im Mittel verschwindet, stets in Richtung des Grundwellenvektors Eg zeigen
muß, wobei diese Aussage unabhängig von Betrag und Winkelgeschwindigkeit des vorgegebenen
Vektors E alsauch von Betrag und Winkelgeschwindigkeit des Vektors E0, d.h. der
Ordnungszahl der betreffenden Oberwelle gilt und auch bei gleichzeitigem Auftreten
mehrerer Oberwellen zutrifft.
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Fig. 3 zeigte in blockschaltbildlicber Darstellung die auf dieser
Erkenntnis aufbauende erfindungsgemäße Glättungseinrichtung. Sie enthält enden oberwellenfreie
, mit sin s und cos α bezeichnete Ausgangsspannungen liefernden Zweiphasengenerator
14 von an sich bekannter Bauart. Der Phasenwinkel oc, der von dem Zweiphasengenerator
ausgegebenen Vektorgröße ist dabei proportional dem Zeitintegral der seiner Eingangsklemme
-28 zugeführten Eingangsgrößer , weiche ihrerseits das Ausgangssignal eines PI-Reglers
15 darstellt. Das Ausgangssignal des Pl-Reglers 15 bestimmt somit die Winkelgeschwindigkeit
des von dem Zweiphasengenerator ausgegeben Vektorgröße bzw. die Frequenz seiner
diese darstellenden Ausgangsspannungen. Die an den Klemmen 10 und 11 auftretenden
sinus- bzw. kosinusförmigen Spannungen beschreiben einen Einheitsvektor (Betrag
1) mit dem Phasenwinkel cc . Einem vektoriellen Multiplizierglied 16, welche in
seinem Aufbau dem zuvor erwähnten Komponentenwandler 6 gleicht, werden die Komponentenspannungen
dieses Einheitsvektors sowie die Komponentenspannungen E1 und E2 des zu glättenden
Vektors E = |E|ej# so zugeführt, daß an den Ausgangsklemmen 17 bzw. 18 des Multipliziergliedes
16 zwei dem Betrag #E# des Eingangsvektors E und
dem Sinus bzw.
dem Kosinus des Differnzwinkels #-α proportionale Spannungen entstehen. Wird
die Ausgangsklemme 18 mit dem Divisoreingang und die Ausgangsklemme 17 mit dem Dividendeneingang
eines Quotientenbildners 19 verbunden, so entsteht an dessen Ausgang eine nur noch
dem Tangens des Differenzwinkels #- α proportionale Spannung9 wobei die zwischen
der Klemme 18 und dem Divisoreingang geschaltete Diode 20 für einen eindeutigen
Zusammenhang zwischen der Eingangs- und der Ausgangs spannung des Quotientenbildners
19 in einem Bereich des Differenzwinkels #-α zwischen -# und +# sorgt, indem
die Ausgangsgröße des Quotientenbildners 19 bei positiven Werten der an der Klemme
19 auftretenden Spannung eine dem Tangens des Differenzwinkels #-α proportionale
Spannung9 L übrigen jedoch einen durch die gerätetechnische Ausbildung des Quotientenbildners
19 bestimmten maximalen Ausgangswert aufweist, dessen Vorzeichen übereinstimmt mit
dem der Sinusfunktion des Differenzwinkels #-α .
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Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen Einrichtung ist folgende:
Der PI-Regler 15 wird in üblicher Weise durch Veränderung seiner Ausgangsgröße α
und damit des Phasenwinkels des Zweiphasengenerators 14 auf die Herbeiführung eines
stationären Zustandes hinarbeiten, der dann erreicht ist, wenn die Eingangsgröße
des PI-Reglers im Mittel verschwindet. Die Eingangsgröße des PI-Reglers 15 wird
dann periodisch um den Wert Null zwischen den Werten # tg # max schwanken; für die
Ausgangsgröße des PI-Reglers 15 ergibt sich eine entsprechende Schwankung, die jedoch
praktisch beliebig stark abgedämpft werden kann, wenn dessen Proportionalverstärkung
genügend klein und dessen Nachstellzeit genügend groß gewählt wird. Die Dämpfüng
dieser, von
den Oberwellen hervorgerufenen, Schwankungen ist dadurch
gegeben, daß Zwischen der Eingangsgröße des Zweiphasengenerators 14 und dem von
den beiden Ausgangsspannungen des Zweiphasengenerators 14 repräsentierten Phasenwinkelwert
Oc ein integraler Zusammenhang besteht. Auf diese Weise wird der durch die Ausgangaspannungen
an den Klemmen 10 und ii beschriebene Vektor bezüglich seiner Phasenlage nur mehr
ganz geringfügig um die Lage des Grundwellenvektors Eg pendeln, so daß der durch
die Spannungen an den Klemmen 10 und 11 beschriebene Einheitsvektor praktisch in
Richtung des Grundwellenvektors Eg zeigen wird. Bei diesem abgeglichenen Zustand
repräsentiert aber die an der Klemme 18 auftretende Spannung IEI cos oL).stets die
Projektion des Eingangsvektors E auf den Grundwellenvektor Eg, deren Größe periodisch
um den Betrag des Grundwellenvektors Eg schwankt. Mit einem Verzögerungsglied zweiter
Ordnung, bestehend aus einem Integrator 22, dessen Ausgangssignal auf den Eingang
eines ihm vorgeordneten PI-Verstärkers 21 gegengekoppelt ist, kann die im abgeglichenen
Zustand des PI-Reglers 15 um den Betrag des Grundwellenvektors schwankende Spannung
an der Klemme 18 genügend stark geglättet werden, so daß am Ausgang 23 des Integrators
22 eine Spannung zur Verfügung steht, welche genau dem Betrag des Grundwellenvektors
Eg entspricht. Es ist zweckmäßig, wenn die Kennwerte des PI-Verstärkers 21 und des
Integrators 22 mit den Kennwerten der entsprechenden Elemente 15 und 14 übereinstimmen,
so daß die entsprechenden Signalflußabschnitte gleiches über gangsverhalten aufweisen.
Wird die Klemme 23 mit den Eingängen zweier Multiplikatoren 24 und 25 verbunden,
an deren anderen Eingänge die5Ausgangsklemmen 10 und 11 des Zweiphasengenerators
14 angeschlossen sind, so erscheinen an den Ausgangsklemmen 26 und 27 des Glättungsgliedes
zwei Spannungen A1 und A2, welche den rechtwinkeligen Komponenten des Grundwellenvektors
Eg entsprechen,
der damit phasen- und auch amplitudenrichtig dargestellt
ir5t In Fig. 4 ist eine gerätetechnische Realisierung der Glättungseinrichtung gemäß
Fig. 3 dargestellt, wobei für gleichwirkende Elemente deren Bezugszeichen übernommen
sind. An die Klemmen 8 und 9 sind die Komponentenspannungen E1 IEJ cos g und E2
= ZWEI sine angeschlossen und beaufschlagen die einen Eingänge der Multiplikatoren
30 und 32 sind mit der Ausgangsklemme 10 des Zweiphasengenerators 14 verbunden,
während die beiden anderen Eingänge der Multiplikatoren 31 und 33 mit der Klemme
11 in Verbindung sehen. Die Ausgänge der Multiplikatoren 30 und 33 sind additiv
uber je einen Widerstand der Größe R einem Addierverstärker 34 zugeführt, während
die Ausgänge der Multiplikatoren 32 und 31 subtraktiv einem weiteren Addierverstärker
35 zugeführt sind. Die beiden Addierverstärker 34 und 35 sind jeweils mit einem
Widerstand der Größe R gegengekoppelt und die Summe der mit ihren mit - und + bezeichneten
Eingängen verbundenen Leitwerte ist jeweils gleich. Der Quotientenbildner 19 ist
als ein über einen Multiplikator 36 gegengekoppelter Verstärker ausgebildet, der
in seinem unbeschalteten Zustand eine sehr große Leerlaufverstärkung aufweist und
eingangsseitig mit der Klemme 17 verbunden ist. Sein mit - bezeichneter Eingang
stellt daher den Dividendeneingang dar, während der andere, mit der Kathode der
Diode 20 verbundene Eingang des Multiplikators 36 den Divisoreingang darstellt.
Das Ausgangssignal des Quotientenbildners 19 beaufschlagt den in Form eines mit
einem RC-Glied gegengekoppelten Verstärkers ausgebildeten Pl-Regler 15, dessen Ausgangssignal
auf den Frequenztelleingang 28 des Zweiphasengenerators 14 geführt ist.
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Die Diode 20 dient - wie schon zuvor ausgeführt - dazu, jeweils nur
die positiven Werte, der an der Klemme 18 auftretenden Spannung auf den Multiplikator
36 wirksam werden zu lassen, welche über den Pl-Verstärker 21 und einen Integrator
22, dessen Ausgang über einen Umkehrverstärker 97 auf den Eingang des Pl-Verstärkers
21 gegengekoppelt ist, geführt wird. Der Integrator 22 und der PI-Verstärker 21
sind hier ebenfalls als kapazitiv bzw. ohmisch-kapazitiv gegengekoppelte Verstärker
ausgebildet. Das an der Klemme 23 erscheinende Ausgangssignal des Integrators 22
beaufschlagt die einen Eingänge zweier weiterer Multiplikatoren 24 und 25, deren
anderen Eingänge mit den Klemmen 10 und 11 des Zweiphasengenerators 14 verbunden
sind. Zur Einsparung von Verstärkerelementen kann die aus dem Addierverstärker 35
bestehende Mischstelle mit dem Quotientenbildner 19 in der Weise zusammengefaßt
werden,daß die Ausgangsspannungen der Multiplikatoren 31 und 32 anstatt - wie dargestellt
in einem besonderen Verstärker - im Eingangskreis des Verstärkers des Quotientenbildners
voneinander subtrahiert werden. Man wird diese Abwandlung in den Pällen bevorzugen,
wo kein besonderer Wert auf eine leichte Zugänglichkeit zu der JE1 sin ( - oe) gelegt
wird.
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Bei der Abwandlung der Schaltung gemäß Fig. 4, die sich ergibt, wenn
die mit 38 und 39 bezeichneten Schalt brücken in die gestrichelt gezeichnete senkrechte
Stellung gebracht werden, ist dem über den Pl-Regler 15 führenden Signalflußpfad
ein weiterer Signalweg für das Ausgangssignal des Quotientenbildners 19 parallel
geschaltet, welcher über zwei entgegengesetzt in Reihe angeordnete Zenerdioden 40
führt. Die Durchbruchsspannungen dieser Zenerdioden sind dabei so bemessen, daß
sie bei einer Ausgangsspannung des Quotientenbildners, welche einer Winkeldifferenz
£ - ot von etwa 7 entspricht, durchlässig werden und
dann durch
eine entsprechende Vergrößerung der Ausgangsgröße eines Addierverstärkers 41 und
deamit der dem Zweiphasengenerator zugeführten Stellgröße die Phasenwinkelnachführung
des Zweiphasengenerators auf die mittlere Lage des Eingangsvektors E mit weit größerer
Geschwindigkeit erlauben, als wenn nur der PI-Regler 15 allein wirksam wäre. Diese
bei größeren Winkeldifferenzen progressive Beaufschlagung des Frequenzstelleinganges
des Zweiphasengenerators 14 gewährleistet, daß der Vektor des Zweiphasengenerators
auch bei groberen erforderlichen Frequenzveränderungen nicht die Fühlung mit dem
Eingangsvektor E verliert und ein Kippen dadurch verhindert wird. Die beschriebene
Variante empfiehlt sich dabei fur das Anwendungsbeispiel nach Fig. 1, wo betriebsmäßig
nennenswerte Frequenzänderungen auftreten können.
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Steht eine der Winkelgeschwindigkeit des Eingangsvektors, bzw.
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der Prequenz seiner Komponentenspannungen zumindest annähernd entsprechende
Größe zur Verfügung - beim Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 1 wäre dies etwa die Rotordrehzahl
der Asynchronmaschine 1 - dann kann durch eine Storgr-ößenaufschaltung eine weitere
Bescheunigung der Phasenwinkelnachführung errecht werden indem diese Größe an der
Klemme 42 zugeführt wird und so den Frequenzstelleingang 28 des Zweiphasengeneraors
zusätzlich beaufschlagt.
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Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen mit statischen Mitteln
arbeitenden Zweiphasengenerator. Er besteht aus zwei fintereinandergeschalteten
Integratoren 43 und 44, denen jeweils ein Multiplikator 45 bzw. 46 vorgeordnet ist.
Das Ausgangssignal des Multiplikators 44 ist auf den dem Integrator 43 vorgeordneten
Multiplikator 45 rückgekoppelt. Wird an ir die anderen
beiden Eingänge
der Multiplikatoren 44 und 45 beaufschlagenden Eingangsklemme 28 ein Signal der
Größe = ## angelegt, so erscheint am Ausgang des Integrators 43 einedb, Spannung,
welche proportional sinçt ist und am Ausgang des Integrators 44 eine Größe, welche
proportional cos α $ ist. Die an den Ausgangskemmen 10 und 11 auftretenden
Spannungen sind also jeweils proportional dem Kosinus des Zeitintegrals der an der
Eingangsklemme 28 angelegten Spannung. Damit die Amplituden des an den Klemmen 10
und 11 erscheinenden Sinus-Kosinus-Paares stets konstant sind, ist der Integrator
44 mit einer entdämpfenden Rückkopplung in Form des Rückkopplungswiderstandes 47
versehen, welche das aus den beiden hintereinander im Kreis geschalteten Integratoren
43 und 44 bestehende schwingungsfähige Gebilde zu aufklingenden Schwingungen anregt.
Sobald diese jedoch die Schwellwerte zweier mit entgegengesetzter Polarität vorgespannter
Dioden 48 und 49 erreichen, welche an zwei Potentiometerabgriffen eines symmetrisch
gespeisten Potentiometers 50 angeschlossen sind, dessen Mitte mit dem Ausgang des
Integrators 44 verbunden ist, wird eine die Spannungsamplitude auf die Vorspannung
dieser Dioden begrenzende Gegenkopplung wirksam, so daß damit eine Amplitudenstabilisierung
der Ausgangsspannungen an den Klemmen AO und 11 erreicht ist.
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Vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung bestehen nicht
nur bei der zuvor erwähnten Vektorkomponentensteuerung von Drehfeldmaschinen. Sie
kann vielmehr allgemein überall dort eingesetzt werden, wo die Aufgabe besteht,
bei einem beliebig oberweiEnbehafteten Mehrphasenspannungs system dessen Grundwelle
phasen- und/oder amplitudenrichtig zu gewinnen. Jedes Mehrphasensystem beschreibt
nämlich einen Vektor und kann deshalb auch durch die Komponenten eines Zweiphasensystems
dargestellt
werden, womit dann die Eingangsgrößen für das erfindungsgemäße
Grundwellenfilter zur Vergügung stehen. Von besonderer Bedeutung ist dabei, daß
dieses Grundwellenfilter bei jeder Grundwellenfrequenz, die Frequenz Null eingeschlossen,
bestimmungsgemäß zu arbeiten vermag.
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So kann die erfindungsgemäße Glättungseinrichtung auch bei der Synchronisierung
von Netzen eingesetzt werden, um ein oberwellenfreies phasentreues Abbild des Istwertes
der Netzspannung bzw. des Netzspannungspannungsvektors zu erhalten. Mit dem gleichen
Vorteil kann die Erfindung auch verwendet werden zur Glättung der Synchronisierspannung
von Steuersätzen für phasenanschnittgesteuerten Stromrichter . Da diese Synchronisierspannung
üblicherweise aus der Netzspannung abgeleitet wird, ist auch hier eine phasenreine
Unterdrückung der Oberwellen wichtig, um denselben Zündzeitpunkt während jeder Halbwelle
zu gewährleisten.
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10 Patentansprüche 5 Figuren