CH648935A5 - Schaltungsanordnung zur messung der frequenzabweichung in einem spannungsregler fuer eine synchronmaschine. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH sert die Zeitkonstante des Messkanals, was mit Rücksicht auf

Schaltungsanordnung zur Messung der Frequenzabwei- die reine Verzögerungszeit im Messkanal die Regelgüte der chung von einem Referenzwert in einem Spannungsregler für Erregerspannung der Synchronmaschine verschlechtert.

eine Synchronmaschine, mit einem Spannungswandler (1), - Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine dessen Ausgang mit dem Eingang eines Frequenzmesskanals 5 Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art zu

(2) verbunden ist, welcher einen Rechtecksignalformer (7), ei- schaffen, welche gegenüber dem erwähnten Stand der Tech-

nen Speicherkondensator (16) sowie zwei Transitorschalter nik wesentlich einfacher und wirksamer ausgeführt ist.

(9,18) aufweist und welcher mit seinem Ausgang über einen Die gestellte Aufgabe wird mit einer Schaltungsanord-

Verstärker (4) mit einem Spannungskomparator (5) verbun- nung gelöst, welche die Merkmale im kennzeichnenden Teil den ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler i0 des Patentanspruches aufweist.

(1) einen zweiten Ausgang aufweist, mit welchem ein zweiter, Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der mit dem erstgenannten Frequenzmesskanal (2) identischer Erfindung näher erläutert.

Frequenzmesskanal (3) verbunden ist und beide Frequenz- Fig. 1 zeigt eine Prinzipschaltung einer Schaltungsanord-

messkanäle (2,3) zusätzlich je eine Differenzierkette (22,23) nung und die einen Ladewiderstand (11,12), eine Entkopplungsdiode (20, 15 Fig. 2a und 2b zeigen Spannungsverläufe in charakteristi-

21) sowie eine Trenndiode (14,15) aufweisen, dass in jedem sehen Punkten der Schaltung.

Frequenzmesskanal (2,3) der Ausgang des ersten Transistor- Die Schaltungsanordnung einer Synchronmaschine ent-

schalters (9,10) über den Ladewiderstand (11,12)mit einer hält einen Spannungswandler 1 (Fig. 1) mit zwei Ausgängen speisenden Spannungsquelle (13) sowie über die Trenndiode und dient zur Umwandlung einer sinusförmigen Eingangs-

(14,15) mit dem Ausgang des zweiten Transistorschalters (18, 20 Spannung in eine gleichfalls sinusförmige Ausgangsspan-

19) und mit dem Speicherkondensator (16,17) verbunden ist, nung, welche bezüglich der Eingangsspannung um 180° pha-

welcher über die Entkopplungsdiode (20,21) mit dem Ein- senverschoben ist und die gleiche Frequenz besitzt.

gang des Verstärkers (4) verbunden ist, dass jeweils der Ein- Die Ausgänge des Wandlers 1 sind jeweils mit den Eingang des zweiten Transistorschalters (18,19) über die Diffe- gängen von Frequenzmesskanälen 2 und 3 verbunden, welche renzierkette (22,23) desselben Frequenzmesskanals (2,3) mit 25 zur Umformung einer sinusförmigen Eingangsspannung in dem Ausgang des Rechtecksignalformers (8,7) des jeweils an- eine linear ansteigende Spannung dienen. In den Frequenz-deren Frequenzmesskanals (3,2) verbunden ist und dass die messkanälen 2 und 3 wird in jeder Halbperiode der sinusför-Spannungsquelle (13) mit einem Regelwiderstand (24) ver- migen Eingangsspannung die linear ansteigende Spannung bunden ist, dessen beweglicher Kontakt mit den Ausgängen gemessen und gespeichert. Die Ausgänge der beiden Freder zweiten Transistorschalter (18,19) beider Frequenzmess- 30 quenzmesskanäle 2 und 3 sind an den Eingang eines Spankanäle (2,3) verbunden ist. nungsfolgers 4 angeschlossen, der einen grossen Eingangswi-

derstand aufweist und die von den Ausgängen der Frequenz- messkanäle 2 und 3 kommenden Signale addiert. Der Ausgang des Spannungsfolgers 4 ist mit dem Eingang eines Span-Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur 35 nungsaddierers 5 gekoppelt, der die am Ausgang des Span-Messung der Frequenzabweichung von einem Referenzwert nungsfolgers 4 vorhandene Spannung und die Spannung am in einem Spannungsregler für eine Synchronmaschine, mit ei- beweglichen Kontakt eines Regelwiderstandes 6 addiert, wel-nem Spannungswandler, dessen Ausgang mit dem Eingang che eine Spannungseinstellung für den Frequenzgeber sichert, eines Frequenzmesskanals verbunden ist. Dieser weist einen Die Frequenzmesskanäle 2 und 3 sind in gleicher Weise Rechtecksignalformer, einen Speicherkondensator sowie zwei 40 geschaltet und schliessen jeweilige Nullorgane 7 und 8 ein, die Transistorschalter auf, gemäss Oberbegriff im Patent- die sinusförmigen Eingangsspannungen in bipolare Rechtanspruch. ecksignale umwandeln. Diese fallen nach der Frequenz und

Es ist bereits eine Einrichtung zur Messung der Frequenz- dem Impuls-Pause-Verhältnis mit der Eingangsspannung zu-

abweichung bekannt geworden, die einen Frequenzmesskanal sammen. Der Ausgang jedes der Nullorgane 7 und 8 ist mit aufweist, welcher zwei Resonanzschwingkreise einschliesst, 45 dem Eingang eines entsprechenden Transistorschalters 9 und deren Resonanzfrequenzen 45 Hz und 55 Hz betragen. 10 verbunden. Die Ausgänge der Transistorschalter 9 und 10

Die Ausgangsspannung hängt bei dieser Einrichtung sind über entsprechende Ladewiderstände 11 und 12 an eine nicht nur von der Frequenz, sondern auch von der Eingangs- Speisequelle 13 angeschlossen und stehen über Trenndioden

Spannung ab. Das Vorhandensein eines eine grosse Zeitkon- 14und 15 mit Speicherkondensatoren 16und 17 sowie mit stante aufweisenden Filters am Ausgang der Einrichtung ver- so den Ausgängen von Transistorschaltern 18,19 in Verbin-

schlechtert die Regelgüte der Erregerspannung. dung. Diese Transistorschalter 18 und 19 sind über Entkop-

Es ist ferner ein Frequenzgeber bekannt geworden, wel- pelungsdioden 20,21 an den Eingang des Spannungsfolgers 4

eher im Artikel «Automatische Regelung und Steuerung in angeschlossen. Der Eingang des Transistorschalters 18 des Energieversorgungssystemen» (Werke des Elektrotechnischen Kanals 2 ist über eine Differenzierkette 22 mit dem Ausgang

Allunions-Lenin-Institut, Heft 83, Verlag «Energija», 1977, ss des Nullorgans 8 des anderen Frequenzmesskanals 3 gekop-

Moskau) beschrieben ist. pelt, in dem der Eingang des Transistorschalters 19 über eine

Der beschriebene Geber misst die Frequenzabweichung Differenzierkette 23 mit dem Ausgang des Nullorgans 7 des der Eingangsspannung vom Vorgabewert und hebt die Ab- Frequenzmesskanals 2 gekoppelt ist.

hängigkeit der Ausgangsspannung des Gebers vom Wert der Die Differenzierketten 22 und 23 erzeugen Kurzzeitimpul-Eingangsspannung auf. 60 se und sichern die schnelle Entladung der Speicherkondensa-Die Messung der"Frequenzabweichung der Eingangs- toren 16 und 17 beim Durchschalten der Nullorgane 7 und 8. Spannung erfolgt aber einmal für eine Periode dieser Span- Die Transistorschalter 9,10,18 und 19 sorgen für Lade- bzw. nung. Infolgedessen tritt am Ausgang des Gebers ein Signal Entladestromkreise der Speicherkondensatoren 16 und 17. auf, dessen Amplitude zur Frequenzabweichung der Ein- Die Speisequelle 13 ist an einen zweiten Regelwiderstand 24 gangsspannung proportional ist. Dieses Signal erscheint mit 6S angeschlossen, dessen beweglicher Kontakt an die Ausgänge einer Verzögerung, wobei die reine Verzögerungszeit gleich der Transistorschalter 18 und 19 geschaltet ist. Der Regelwider Periode der Eingangsspannung ist. Das Vorhandensein derstand 24 ist zur Kompensation eines durch Leckströme eines Glättungsfilters am Ausgang der Einrichtung vergrös- verursachten Spannungsabfalls über den Speicherkondensa-

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toren 16 und 17 geschaltet. Der Spannungsfolger 4 von be- Widerstand 6 am Ausgang des Addierers 5 eine Spannung kannter Ausführung umfasst einen Operationsverstärker 25, gleich Null eingestellt. Bei einer Abweichung der Eingangsweicher über einen Widerstand 26' und einen diesem vorge- Spannung von der vorgegebenen Frequenz von 50 Hz erschalteten Widerstand 26 mit seinem einen Eingang an den scheint am Ausgang des Addierers 5 eine Spannung, deren Null-Leiter angeschlossen ist. Die Ausgänge der Frequenz- 5 Wert um so mehr von Null abweicht, je mehr die Frequenz messkanäle 2 und 3 sind über einen Widerstand 27 an den an- der Eingangsspannung von 50 Hz abweicht.

deren Eingang des Operationsverstärkers 25 angeschlossen. Nachfolgend wird näher auf die Arbeit eines der Frein dieser Weise wird ein grosser Eingangswiderstand des quenzmesskanäle 2 oder 3, beispielsweise des Kanals 3, einge-Spannungsfolgers 4 gewährleistet. Der erwähnte zweite Ein- gangen, wobei auf die Zeitdiagramme nach den Fig. 2a bis 2b gang des Operationsverstärkers 25 ist über einen Widerstand io Bezug genommen wird, in denen Spannungen, die bei einer 27' mit einem Null-Leiter verbunden. Der Ausgang des Span- Gleichheit der Frequenz mit dem Vorgabewert auftreten, nungsfolgers 4 ist über einen Widerstand 28 an den Eingang durch eine ausgezogene Linie dargestellt sind.

eines weiteren Operationsverstärkers 29 des Spannungsaddie- Unter Wirkung der Spannung, die vom Ausgang des rers 5 angeschlossen. Über einen Widerstand 30 erfolgt eine Wandlers I (Fig. 2a) dem Eingang des Nullorgans 7 zugeführt negative Rückkopplung im Operationsverstärker 29, dessen 15 wird, entsteht am Ausgang des letzteren ein bipolares Recht-

Eingang über einen Widerstand 31 an einen beweglichen ecksignal (Fig. 2c), das nach der Frequenz und dem Tastver-

Kontakt des Regelwiderstandes 6 angeschlossen ist. hältnis mit der Eingangsspannung (Fig. 2a) zusammenfallt.

Die Transistorschalter 9,18 und 10,19 der Frequenzmess- Im Laufe der negativen Halbwelle der Rechteckspannung kanäle 2 bzw. 3 sind in bekannter Weise ausgeführt. Hierbei (Fig. 2c) ist der Transistorschalter 9 (Fig. 1) gesperrt ( Fig.

sind die Transistorschalter 9 und 10 mit n-p-n-Transistoren 20 2d), und der Speicherkondensator 16 (Fig. 1) wird von der

32,33 aufgebaut, bei denen die Basen an Widerstände 34 bzw. stabilisierten Speisequelle 13 über den Ladewiderstand 11

35 angeschlossen und mit den Emittern über Dioden 36 und (Fig. 2e) aufgeladen. Diese Aufladung (Fig. 2e) des Speicher-

37 gekoppelt sind. Auch die Transistorschalter 18 und 19 wei- kondensators 16 (Fig. 1) hört im Augenblick einer Signalum-

sen n-p-n-Transistoren 38,39 auf,deren Basen an die Diffe- kehr (Fig. 2e) am Ausgang des Nullorgans 7 (Fig. 1) auf und renzierketten 22 und 23 angeschlossen und mit ihren Emittern 25 bleibt praktisch im Laufe der gesamten positiven Halbwelle gekoppelt sind. Die Verbindungsstellen der Basen der Transi- der Eingangsspannung (Fig. 2a) unverändert erhalten, dank stören 38 und 39 und der entsprechenden Emitter stehen mit dem grossen Eingangswiderstand des Spannungsfolgers 4

Diodenanschlüssen 40 bzw. 41 und Widerständen 42 bzw. 43 (Fig. 1). Im anderen Frequenzmesskanal 3 werden in den cha-

in Verbindung. Die anderen Anschlüsse der Dioden 40,41 rakteristischen Punkten analoge Spannungen wie beschrieben und der Widerstände 42,43 sind an den Null-Leiter 0 ange- 30 erzeugt, mit dem Unterschied, dass sie bezüglich der Span-

schlossen. Am Ausgang der Transistorschalter 18,19 liegen nungen in den gleichen Punkten des Kanals 2 um 180° pha-

Widerstände 44,45, deren einer Anschluss an den Kollektor senverschoben sind. Bei einem Spannungswechsel am Aus-

des jeweiligen Transistors 38,39 und deren anderer Anschluss gang des Nullorgans 8 des Kanals 3 von Minus auf Plus wird an den beweglichen Kontakt des Regelwiderstandes 24 gelegt am Ausgang der Differenzierkette 22 des Kanals 2 ein positi-

ist. Jeder der Ladewiderstände 11 und 12 schliesst eine Rei- 35 ver Impuls (Fig. 2f) erzeugt. Unter Einwirkung dieses Impul-

henschaltung aus einem Regelwiderstand 46,47 und einem ses wird der Transistorschalter 18 (Fig. 1) durchgesteuert und

Widerstand 48,49 ein, während die Differenzierketten 22 und der Speicherkondensator 16 (Fig. 2e) entladen. Im Diagramm

23 einen Reihenkreis aus einem Kondensator 50 bzw. 51 und (Fig. 2g) ist die Form einer dem Speicherkondensator 17 (Fig.

einem Widerstand 52 bzw. 53 beinhalten. 1) des Kanals 3 entnommenen, gegen eine am Speicherkon-

Die zeitlichen Spannungsverläufe (Fig. 2a, b, c, d, e, f, g, 40 densator 16 (Fig. 2e) abgenommene Spannung um 180° pha-

h) veranschaulichen durch charakteristische Punkte die Ar- senverschoben dargestellt. Infolge der Summierung dieser beitsweise der Schaltung. Die Abszissenachse zeigt die Zeit t Spannung (Fig. 2e und 2g) im Folger 4 (Fig. 1) tritt an dessen und die Ordinatenachse den Wert der Spannung v. Ausgang eine Spannung mit praktisch konstantem Wert (Fig.

Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: 2h) auf, die im Addierer 5 (Fig. 1) mit einer am Widerstand 6

Eine Sinusspannung wird von den Ausgangsklemmen einer 45 entnommenen Gleichspannung verglichen wird.

(in der Fig. 1 nicht gezeigten) Synchronmaschine dem Ein- Es wird nun ein Fall betrachtet, wo die Frequenz der Eingang des Spannungswandlers 1 zugeführt, an dessen Ausgän- gangsspannung (beispielsweise bei einer Frequenzabnahme) gen um 180° phasenverschobene Sinusspannungen (Fig. 2a, vom Vorgabewert abweicht. Dieser Fall wird in Fig. 2 durch 2b) auftreten. punktiert gezeichnete Zeitdiagramme dargestellt. Am Aus-

Von den Ausgängen des Wandlers 1 gelangen die Span- . so gang des Nullorgans 7 (Fig. 1) nimmt die Dauer des nungen auf die Eingänge der Frequenzmesskanäle 2 bzw. 3, Ausgangsimpulses (Fig. 2c) zu. Hierbei nimmt am Speicherin denen für jede Halbperiode der sinusförmigen Eingangs- kondensator 16 (Fig. 1) die Spannungsamplitude (Fig. 2e) Spannung deren Umwandlung in eine linear ansteigende gleichfalls zu, und folglich wachsen auch die Werte der Spannung mit einer zur Frequenz der Eingangsspannung Gleichspannungen an, die an den Ausgängen der Kanäle 2 proportionalen Amplitude erfolgt, wobei diese Spannung im ss und 3 (Fig. 1) erscheinen (Fig. 2e, 2g). Im Ergebnis nimmt der Laufe der nachfolgenden Halbperiode gespeichert wird. Wert der Gleichspannung am Ausgang des Folgers 4 propor-Es wird jetzt als Beispiel die Umwandlung der sinusförmi- tional zur Frequenzänderung der Eingangsspannung zu, und gen Eingangsspannung im Frequenzmesskanal 2 beschrieben. am Ausgang des Addierers 5 erscheint ein Gleichspannungssi-Am Ausgang des Nullorgans 7 tritt eine Rechteckspannung gnal, dessen Wert proportional zur Frequenzabweichung (Fig. 2c) auf. Da die Spannungen an den Ausgängen der Fre- 60 vom Vorgabewert ist.

quenzmesskanäle 2 und 3 gegeneinander um 180° phasenver- Im vorliegenden Geber erfolgt also die Frequenzmessung schoben sind, liegt am Eingang des Spannungsfolgers 4 prak- der Eingangsspannung zweimal für eine Periode, was die tisch eine Gleichspannung mit einer zur Frequenz der Ein- Messgenauigkeit erhöht und es gestattet, die reine Verzögegangsspannung proportionalen Amplitude. Vom Ausgang rungszeit in den Kanälen 2 und 3 um die Hälfte zu kürzen, des Spannungsfolgers 4 gelangt die Spannung auf den Ein- 65 Die Schaltung benötigt keine Anordnung von Glättungsfil-gang des Spannungsaddierers 5, wo sie mit einer am Wider- tern, weshalb deren Trägheit wegfällt.

stand 6 abgenommenen Spannung verglichen wird. Bei einer Bei Verwendung des Gebers in automatischen Feldreglern

Frequenz der Eingangsspannung von 50 Hz wird durch den von Synchronmaschinen verbessert sich die Regelgüte, was

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für Synchronmotoren, insbesondere für solche, die mit einer stark veränderlichen Belastung arbeiten, eine wirksamere Schwankungsdämpfung des Läufers bedeutet. Folglich wird auch die Blindleistung, Frequenz und Spannung eines Lastkreises verbessert. Für Synchrongeneratoren bedeutet dies eine Erhöhung der statischen und dynamischen Stabilität von Elektroenergieübertragungen und eine wirksamere Schwankungsdämpfung von Spannungen im Energieversorgungssystem.

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1 Blatt Zeichnungen