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Elektronische Schaltungsanordnung zum Parallelschalten von Wechselstromnetzen
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltungsanordnung zum Parallelschalten
von Wechselstromnetzen bzw.
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Zuschalten von Generatoren an in Betrieb befindliche Stromnetze, bei
der die Spannungen der parallelzuschaltenden Wechselstromnetze hinsichtlich ihrer
Phasenlage in einer rhasenvergleicheinrichtung verglichen werden, die eine sich
mit der Periode der Frequenzdifferenz der beiden Spannungen ändernde Dreieckspannung
und zu einer vor dem Zeitpunkt der Phasenübereinstiinm'g liegenden Zeitpunkt einen
Schaltbefehl erzeugt.
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Bei einer bekannten elektronischen Schaltungsanordnung dieser Art
(DT-PS 1 538 087) ist dafür gesorgt, daß unter Berücksichtigung der jeweiligen Frequenzdifferenz
und der jeweiligen Schaltereinschaltzeit ein Parallelschaltkommando genau dann gegeben
wird, wenn die Spannungen der beiden parallelzuschaltenden Netze den momentanen
Phasenwinkel Null aufweisen. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Frequenzdifferenz
wElrend der Schaltereinschaltzeit konstant bleibt. übliche Schalter besitzen Einschaltzeiten
bis zu etwa 600 ms. für eine bei Gasturbinen zulässige Frequenzdifferenz von z.B.
1 Hz bedeutet dies, das
ein Parallelschaltbefehl bereits bei einem
Vorschaltwinkel von >180° vor dem Phasengleichheitspunkt von dieser Schaltungsanordnung
abgegeben wird. Infolge Streuung der Schaltereinschaltzeit und/oder Änderung der
Frequenzdifferenz wahrend der Schaltereinschaltzeit kann die Parallelschaltung zu
einem vom Synchronpunkt erheblich abweichenden Zeitpunkt erfolgen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese elektronische Schaltungsanordnung
insofern zu verbessern, daß ein Parallelschaltkommando nur in einem bestimmten Vorschaltwinkelbereich
abgegeben wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektronischen Schalteranordnung
der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß mit der Dreieckspannung ein zusätzlich
zur Phasenvergleicheinrichtung vorhandenes Differenzierglied beaufschlagt, das an
seinem Ausgang eine dem Differentialquotienten der Dreieckspannung proportionale
Spannung erzeugt, daß dem Differenzierglied eine Summiereinrichtung nachgeordnet
ist, die auch mit der Dreieckspannung beaufschlagt ist, daß an den Ausgang der Summiereinrichtung
eine Grenzwertstufe angeschlossen ist, die bei einer einen vorgegebenen Mindestwert
überschreitenden Ausgangsspannung der Summiereinrichtung ein Preigabesignal erzeugt,
und daß der Phasenvergleicheinrichtung und der Grenzwertstufe eine Verknüpfungsschaltung
nachgeordnet ist, die nur dann den Schaltbefehl weiterleitet, wenn er bei anstehendem
Freigabesignal entsteht.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin,
daß durch die Festlegung eines Mindestwertes der Ausgangsspannung der Summiereinrichtung
ein Winkelbereich festgelegt wird, innerhalb dessen die Schaltungsanordnung ein
Freigabesignal erzeugt; von der elektronischen Schaltungsanordnung wird daher für
einen bestimmten vorgegebenen Winkel vor dem Zeitpunkt der Phasengleichheit der
Spannungen der beiden parallelzuschaltenden Netze gerechnet ein Bereich freigegeben,
innerhalb dessen ein Parallelschaltkommando erzeugt
werden kann.
Dabei wird in vorteilhafter Weise dafür gesorgt, daß bei langen Schaltereinsciialtzeiten
nur bei einer verhältnismäßig kleinen Frequenzdifferenz ein Parallelschaltkommando
und nur bei Verwendung von Schaltern mit verhältnismäßig kurzer Einschaltzeit bei
einer verhältnismäßig hohen Frequenzdifferenz ein Parallelschaltkommando erzeugt
werden kann. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß unabhælgig von einer Streuung
der Einschaltzeiten bei Schaltern ein und desselben Typs bzw. Srequenzdifferenzänderungen
wahrend der Schaltereinschaltzeit ein Parallelschalten zumindest in unmittelbarer
Nähe des Zeitpunktes der Phasenübereinstimmung erfolgen kann.
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
dann, wenn mit der lreieckspannung ein weiteres Differenzglied beaufschlagt ist,
das an seinem Ausgang eine dem Differentialquotienten der Dreieckspannung proportionale
weitere Spannung erzeugt, und wenn dem weiteren Differenzierglied eine weitere Grenzwertstufe
nachgeordnet ist, die bei einer einen vorgegebenen Höchstwert überschreitenden Ausgangsspannung
des weiteren Differenziergliedes ein Sperrsignal erzeugt. Mittels einer derartigen
Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist mit verhältnismäßig geringem
Schaltungsaufwand sichergestellt, daß oberhalb einer maximal zugelassnen Brequenzdifferenz
ein Parallelschaltkommando überhaupt nicht erzeugt werden kann, weil in diesem Falle
ein Dauer-Sperrsignal erzeugt wird. Nur wenn die Ausgangsspannung des weiteren Differenziergliedes
einen vorgegebenen Höchstwert nicht überschreitet, also die Frequenzdifferenz zwischen
den beiden Spannungen der parallelzuschaltenden Netze kleiner als ein vorgegebener
Wert ist, wird die Abgabe eines Parallelschaltkommandos bei Erfüllung aller übrigen
Forderungen zugelassen.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 bis 4 Diagramm
dargestellt, wahrend in Figur 4 ein Schaltungsbeispiel für die Ausführung einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wiedergegeben ist.
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In der Figur 1 ist in einem Diagramm über der Frequenzdifferenz 4f
in Hz der Winkel a in Winkelgraden aufgetragen, wobei mit dem Winkel a der Phasenwinkel
zwischen den beiden Spannungen der parallelzuschaltenden Netze gemeint ist. Das
Diagramm nach Figur 1 läßt erkennen, daß für a f = O ein zulässiger Winkel zwischen
den beiden Spannungen von 100 zugelassen wird. Bei df = 1 wird ein Winkel von maximal
900 gerechnet vom Zeitpunkt der Phasengleichheit zugelassen. Dies bedeutet, daß
bei J f = 1 gerade noch ein Freigabesignal herausgegeben und dabei ein Bereich freigegeben
wird, der sich durch den Winkel 900 vom Zeitpunkt der rhasengleichheit beschreiben
läßt.
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Die in Figur 1 dargestellte Abhängigkeit des Winkels a von der Frequenzdifferenz
f läßt sich durch die Gleichung (1) ausdrücken: a/10 = 10 + 80. Jf/Ez. (1) Berücksichtigt
man ferner, daß sich anhand des Diagramms nach Figur 2, in dem eine beispielsweise
mit einer Schaltung nach DT-PS 1 538 087 erzeugte Dreieckspannung dargestellt ist,
die folgende Gleichung (2) aufstellen läßt: αE = 360 # #f # TE , (2) in der
DB die Schaltereinschaltzeit und CLE der entsprechende Vorhaltwinkel ist, dann ergibt
sich mit Gleichung (1), daß a - 800 sein muß. Unter Berücksichtigung dieser Verhältnisse
erhält man dann, daß die Einschaltzeit durch folgende Ungleichung (3) beschreibbar
ist: TE < 80 # 1 = 0,22 # 1 # (3) 360 #f #f Die durch diese Ungleichung dargestellten
Verhältnisse sind in dem Diagramm nach Figur 3 wiedergegeben, wobei sich der von
#f = 1,0 bis #f = 0,37 erstreckende Bereich aus dieser Ungleichung ergibt, wahrend
die maximale Einschaltzeit von 600 ms als die größte vorkommende Schalteinschaltzeit
als obere Grenze gewählt ist. Der Inhalt der von dieser Kurve
beschriebenen
Fläche gibt dann den Freigab ebere ich der Schaltereinschaltzeiten in Abhängigkeit
von den Frequenzdifferenzen wieder.
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Diese Verhältnisse sollen anhand der Figur 4 in einer anderen Darstellung
nochmals erläutert werden: In der Figur 4 ist die Dreieckspannung in Form eines
Kurvenzuges 1 dargestellt, der sich bei einer maximal zulässigen Frequenzdifferenz
df = t ergibt. Die Periode der Dreieckspannung ist dann T = 1. Da sich bes X f =
1 ein Bereich von a = 900 gerechnet vom Punkt 2 der Kurve 1 mit a = 0 ergeben soll,
muß sich aus der dargestellten Dreieckkurve 1 dieser Bereich als liaximalbereich
ableiten lassen. In der Figur 4 ist strichliert eine Gerade 3 eingetragen, die für
X f = 0 einen Bereich a = 100 beschreibt. Bei CL = -90°, das ist der Punkt 4 der
Dreieckspannung 1, soll der Beginn des Freigabebereichs beide = 1 liegen.
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Dies bedeutet, daß im Punkt 4 ein Spannungswert vorhanden sein muß,
der bis zur Geraden 3 reicht. Aus der Strecke 5 läßt sich dann der Betrag ermitteln,
um den die Rurve 1 auf ihrem ansteigenden Ast anzuheben ist, um die äußerste Grenze
des Freigabebereichs zu beschreiben. Da ein von der Frequenzdifferenz abhängiger
Freigabebereich α + Tdα erreicht werden soll, läßt dt sich aus der Strecke
5 der Figur 4 die konstante Größe T ermitteln. Daraus folgt dann, daß sich bei allen
kleineren Frequenzdifferenzen unter Berücksichtigung dieser Größe T jeweils immer
kleinere Freigabebereiche ergeben, wie dies auch angestrebt wird. Zur Veranschaulichung
ist in die Figur 4 noch die Kurve 6 für Sf = 0,5 Hz strichpunktiert eingezeichnet,
wobei sich dann als Schnittpunkt mit der Geraden 3 ein Freigabebereich von a = 500
ergibt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 liegt an einer Eingangsklemme
10 eine Dreieckspannung 11 an, die beispielsweise so erzeugt sein kann, wie es in
DT-PS 1 538 087 beschrieben ist. Mit der Eingangsklemme 10 ist ein Differenzierglied
12
verbunden, an dessen Ausgang 13 eine Rechteckspannung 14 entsteht,
deren Wert der Frequenzdifferenz ß f der Spannungen der parallelzuschaltenden Wechselstromnetze
proportional ist. Die Ausgangsspannung 14 des Differenziergliedes 12 wird zusammen
mit der über einen weiteren Operationsverstärker 15 zugeführten Dreieckspannung
in einer Summiereinrichtung 16 zu der Rechteckspannung 14 addiert, so daß am Ausgang
17 der Summiereinrichtung 16 eine Spannung entsteht, die beispielsweise in ihrem
Verlauf der Kurve 6 nach Figur 4 entsprechen kann. Die Spannung 17 liegt an einer
Grenzwertstufe 18, mit der der Wert 3 nach Figur 4 eingestellt wird. überschreitet
die Ausgangsspannung 17 der Summiereinrichtung 16 diesen vorgegebenen Wert, dann
tritt am Ausgang 19 der Grenzstufe ein Signal auf, das ein Freigabesignal für ein
Parallelschaltkommando darstellt.
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Steht also am Ausgang 19 dieses Signal an und wird von einer Schaltungsanordnung
zur Bestimmung des genauen Schaltzeitpunktes der Phasenübereinstimmung zur selben
Zeit ein Parallelschaltkommando gegeben, dann wird dieses Parallelschaltkommando
weitergegeben. Voraussetzung dafür ist, daß die Frequenzdifferenz ßf einen vorgegebenen
Höchstwert nicht überschreitet (vgl. Figur 1).
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Um die Frequenzdifferenz df auf einen zulässigen Höchstwert zu überwachen,
ist mit der Eingangsklemme 10 ein weiteres Differenzierglied 20 verbunden, das an
seinem Ausgang 21 eine weitere Rechteckspannung 22 erzeugt. Die Höhe der Rechteckimpulse
dieser Spannung 22 ist der Frequenzdifferenz glf proportional. Diese Rechteckspannung
22 wird über Operationsverstärker 23 und 24 einer weiteren Grenzwertstufe 25 zugeführt,
die einen Operationsverstärker 26 und einen einstellbaren Widerstand 27 enthält.
Mit dieser Grenzwertstufe 25 wird ein derartiger Grenzwert eingestellt, daß bei
einer Brequenzdifferenz S f At Hz am Ausgang 28 ein Sperrsignal auftritt.
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Bei df = 1 oder geringen Werten der Frequenzdifferenz tritt ein derartiges
Sperrsignal nicht auf, so daß dann das am Ausgang 19 erzeugte Freigabesignal zusammen
mit einem Signal über den Einschaltzeitpunkt ungehindert zur Auslösung eines Parallelschaltkommandos
verarbeitet werden kann.
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5 Figuren 2 Patentansprüche