DE2529944C3

DE2529944C3 - Elektronische Schaltungsanordnung zum Parallelschalten von Wechselstromnetzen

Info

Publication number: DE2529944C3
Application number: DE19752529944
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl Phys 1000 Berlin Leibold Helmut 8520 Erlangen Cerny Josef Dr Ing Tvrdik Karl Wien Born
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1975-07-02
Publication date: 1977-12-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltungsanordnung zum Parallelschalten von Wechselstromnetzen bzw. zum Zuschalten von Generatoren an in Betrieb befindliche Wechselstromnetze, bei der die Spannungen der parallelzuschaltenden Wechselstromnetze hinsichtlich ihrer Phasenlage in einer Phasenvergleicheinrichtung verglichen werden, die eine Logikschaltung zur Erzeugung einer Impulsfolge mit Impulsen einer dem Phasenwinkel zwischen den Spannungen proportionalen Breite, ein dieser nachgeordnetes Filter zur Gewinnung einer sich mit der Periode der Frequenzdifferenz der beiden Spannungen ändernden fto Dreieckspannung, ein an das Filter angeschlossenes Differenzierglied und eine mit dem Differenzierglied und dem Filter verbundene Grenzwertstufe zur Bestimmung des Schaltzeitpunktes eines der elektronischen Schaltun^sanordnun** nsch^eordneten Schalters (>^ς. enthält. Dabei kann die Schaltungsanordnung mit Steuereinrichtungen für den zuzuschaltenden Generator unter Bildung einer Synchronisiereinrichtung verse

hen oder auch als Parallelschaltgerät eingesetzt sein.

Eine elektronische Schaltungsanordnung dieser Art ist aus der DT-PS 15 38 087 bekannt. Die Schaltungsanordnung ist voll elektronisch ausgeführt und läßt daher im Hinblick auf die erzielbare Meßgenauigkeit nichts zu wünschen übrig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte elektronische Schaltungsanordnung zur Erzielung einer sehr hohen Betriebszuverlässigkeit noch weiter zu verbessern, um die diesbezüglich ständig ansteigenden Anforderungen zu erfüllen.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält die Phasenvergleicheinrichtung der eingangs beschriebenen elektronischen Schaltungsanordnung erfindungsgemäß eine weitere Logikschaltung zur Erzeugung einer weiteren Impulsfolge mit Impulsen einer Breite, die einem um den Phasenwinkel zwischen den Spannungen verminderten Winkel von 180° proportional ist; der weiteren Logikschaltung ist ein weiteres Filter nachgeordnet, von dem eine sich mit der Periode der Frequenzdifferenz der beiden Spannungen ändernde, gegenüber der einen Dreieckspannung um 180° phasen verschobene, weitere Dreieckspannung erzeugt wird, und an das weitere Filter ist einerseits unmittelbar und andererseits über ein weiteres Differenzierglied eine weitere Grenzwertstufe zur Bestimmung des Schaltzeitpunktes angeschlossen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht zunächst darin, daß die Betriebszuverlässigkeit im Vergleich zu der bekannten elektronischen Schaltungsanordnung zum Parallelschalten von Wechselstromnetzen insofern erheblich erhöht ist, als nunmehr bei der Bestimmung des Schaltzeitpunktes durch Störbeeinfiussung nicht ein Fehlkommando erzeugt wird. Dies ist auf die unterschiedliche Aufbereitung und Verarbeitung der Meßspannungen in den beiden Kanälen der Phasenvergleicheinrichtung zurückzuführen. Beide Kanäle müssen gleichzeitig ein Signal abgeben, um ein Parallelschaltkommando erzeugen zu können. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß sie auch bei einem Bauteileausfall ein Fehlkommando verhindert. Fällt nämlich in einem Kanal der Phasenvergleicheinrichtung ein Bauteil aus und arbeitet demzufolge dieser Kanal nicht ordnungsgemäß, dann wird kein Parallelschaltkommando erzeugt, weil immer von beiden Kanälen gleichzeitig ein entsprechendes Signa! erzeugt werden muß.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung muß sichergestellt sein, daß nur bei zulässigen Frequenzdifferenz- und Phasenwinkelbedingungen ein Parallelschaltkommando erzeugt wird. Dies wiederum setzt voraus, daß von beiden Grenzwertstufen der Phasenvergleichereinrichtung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur gleichen Zeit Signale abgegeben werden. Diese Forderung ließe sich mit hinreichender Genauigkeit bei kleinen Frequenzdifferenzen nur mit sehr hohem Aufwand erreichen. Zur Vermeidung eines solchen Aufwandes ist es vorteilhaft, der weiteren Grenzwertstufe des einen Kanals einen Spannungsteiler nachzuordnen, von dem beim Ansprechen der Grenzwertstufe über einen Hilfsverstärker mittels einer kleinen Zusatzspannung die Ansprechschwelle der einen Grenzwertstufe des anderen Kanals geringfügig beeinflußt wird. Dadurch erreicht die weitere eine Grenzwertstufe bei ungestörtem Betrieb praktisch gleichzeitig mit der weiteren Grenzwertstufe ihren Ansprechwert, so daß dann innerhalb eines vorgegebe-

nen kleinen Toleranzbereiches von beiden Grenzwertstufen Signale erzeugt werden, die zu einem Parallelschaltkommando führen können, wenn weitere zum Parallelschalten einzuhaltende Bedingungen erfüllt sind.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in den F i g. 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungsanordnung wiedergegeben; in den F i g. 3 bis 5 sind Diagramme zur Veranschauiichung der Wirkungsweise der dargestellten Schaltungsanordnung gezeigt.

Der in der Fig. 1 dargestellte Teil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung enthält eine Eingangsklemme 1, an der eine Spannung U₁ beispielsweise eines in Betrieb befindlichen Wechselspannungsnetzes liegt. An einer weiteren Eingangsklemme 2 ist eine Spannung U₂ angeschlossen, welche beispielsweise die Spannung eines parallelzuschaltenden Generators darstellt. Mit den Eingangsklemmen 1 bzw. 1 ist jeweils eine Begrenzerstufe 3 bzw. 4 verbunden. Dei Ausgang 5 der f 3 i ii dik

entsteht, die im Diagramm Vl der F i g. 3 gezeigt ist. Die Impulsfolgen c und d werden in dem Addierer 23 addiert, so daß am Ausgang dieses Addierers eine Impulsfolge e entsteht, die im Diagramm VlI der F i g. 3 wiedergegeben ist. Die Breite der einzelnen Impulse der Impulsfolge e entspricht daher einem Winkel von 180—φ, wenn mit φ der Phasenwinkel zwischen den beiden Wechselspannungen u\ und U₂ bezeichnet wird. Aus dieser Impulsfolge e wird durch das weitere Filter 28 die weitere Dreieckspannung Uoi erzeugt, wie sie in dem Diagramm B der F i g. 4 wiedergegeben ist.

Durch Auswertung der Impulsfolge a und der invertierten Impulsfolge T> mittels des UND-Gliedes 7 ergibt sich die im Diagramm VIII der Fi g. 3 dargestellte Impulsfolge /und unter Berücksichtigung der invertierten Impulsfolge ä und der Impulsfolge b in dem UND-Glied 16 erhält man die Impulsfolge g, die im Diagramm IX der F i g. 3 wiedergegeben ist. Mittels des nachgeschalteten Addierers 24 gewinnt man dann die

) bi d di

Begrenzerstufe 3 ist einerseits direkt mit einem Eingang ₂o Impulsfolge h (vgl. Diagramm X°der F i g. 3), bei der die

6 eines UND-Gliedes 7 einer Logikschaltung 8 und ' " ' einem Eingang 9 eines UND-Gliedes 10 einer weiteren

Logikschaltung 11 und andererseits mittelbar über einen Inverter 12 mit einem Eingang 13 eines weiteren UND-Gliedes 14 der weiteren Logikschaltung 11 und einem Eingang 15 eines weiteren UND-Gliedes 16 der Logikschaltung 8 verbunden.

Der Ausgang 17 der Begrenzerstufe 4 ist einerseits unmittelbar mit einem Eingang 18 des UND-Gliedes 10 und einem Eingang 19 des UND-Gliedes 16 verbunden und steht andererseits über einen weiteren Inverter 20 mit einem Eingang 21 des UND-Gliedes 14 und einem Eingang 22 des UND-Gliedes 7 in Verbindung.

Den UND-Gliedern 10 und 14 der weiteren Logikschaltung 11 ist ein Addierer 23 nachgeordnet, während den UND-Gliedern 7 und 16 ein weiterer Addierer 24 nachgeschaltet ist. Am Eingang 25 eines nachgeordneten als Tiefpaßfilter ausgebildeten Filters

26 entsteht somit eine Impulsfolge, dessen Impulse sich aus der Summe der Ausgangsimpulse der UND-Glieder

7 und 16 zusammensetzen, während an einem Eingang

27 eines dem weiteren Addierer 23 nachgeordneten weiteren als Tiefpaßfilter ausgebildeten Filters 28 eine Impulsfolge entsteht, die sich aus der Summation der Ausgangsiinpulse der UND-Glieder 10 und 14 ergibt. An der Ausgangsklemme 29 des Filters 26 entsteht daher eine Dreieckspannung Ud\, wie sie in dem Diagramm A der Fig.4 dargestellt ist. An der Ausgangsklemme 30 des weiteren Filters 28 ergibt sich eine um 180° phasenverschobene Dreieckspannung Ud₂ wie sie im Diagramm B der F i g. 4 gezeigt ist.

Anhand der F i g. 3 soll zunächst erläutert werden, wie es zu den Dreieckspannungen nach F i g. 4 kommt.

Im Diagramm I der Fig.3 ist die Spannung U\ in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Aus dieser Spannung ui entsteht mittels der Begrenzerstufe 3 (vgl. Fig. 1) eine Impulsfolge, die mit a bezeichnet und im Diagramm II wiedergegeben ist. In gleicher Weise wird aus der Spannung u₂, die im Diagramm III in Abhängigkiet von der Zeit t aufgezeichnet ist, mittels der Begrenzerstufe 4 eine Impulsfolge b gebildet (siehe Diagramm IV der F i g. 3). Die Impulsfolgen a und b werden in dem UND-Glied 10 verarbeitet, so daß am Ausgang dieses UND-Gliedes eine Impulsfolge c entsteht, die im Diagramm V der Fig.3 dargestellt ist. In dem UND-Glied 14 werden die invertierten Impulsfolgen a und T> zusammengefaßt, so daß am Ausgang dieses UND-Gliedes die Impulsfolge d

Breite eines jeden Impulses den Phasenwinkel φ zwischen den beiden Wechselspannungen U\ und U₂ entspricht. Aus dieser Impulsfolge h wird mittels des Filters 26 die Dreieckspannung Ud\ gewonnen wie sie im Diagramm A der F i g. 4 dargestellt ist, wenn sich der Phasenwinkel φ zwischen den Spannungen u\ und u₂ von dem angenommenen Winkel ςο = 60° ausgehend, periodisch aufgrund einer Frequenzdifferenz von U\ und U₂ ändert. Diese Dreieckspannung Ud₂ ist gegenüber der weiteren Dreieckspannung Uj₂ um 180° in der Phase verschoben.

Die eine Dreieckspannung Ud\ (vgl. Diagramm A der Fig.4) wird einer Eingangsklemme 31 zugeführt, die unmittelbar mit der Ausgangsklemme 29 des Filters 26 nach Fig. 1 verbunden ist. Die Dreieckspannung Uj\ wird einem Differenzierglied 32 (F i g. 2) zugeführt, das einen entsprechend beschalteten Operationsverstärker 33 enthält. Am Ausgang 34 des Differenziergliedes 32 entsteht somit eine Rechteckspannung, deren Höhe von der Steigung der Dreieckspannung Ud\ bestimmt ist. Die Rechteckspannung wird einem Multiplizierglied 35 zugeführt, der einen Operationsverstärker 36 enthält. Der einen Eingang 37 des Operationsverstärkers 36 ist mit einem Ausgang 38 einer Einstellanordnung 39 verbunden, die eine der Einschaltzeit T_c des jeweils verwendeten Schalters in ihrer Höhe entsprechende Hilfsspannung abgibt. Der weitere Eingang 40 des Operationsverstärkers 36 ist an den Ausgang des Differenziergliedes 32 angeschlossen. Am Ausgang des Mulüpliziergliedes 35 entsteht somit eine Spannung, die

Eihli T d d

dem Produkt aus der
Differentialquotienten

Einschaltzeit T_c und dem

dr

proportional ist. Da die Dreieckspannung Ud\ dem jeweiligen augenblicklichen Phasenwinkel φ zwischen den Spannungen ui und U2 proportional ist, entspricht das Produkt auch dem Ausdruck

T„

d;

Die Ausgangsspannung des Multipliziergliedes 35 wird zusammen mit der über eine Leitung 41 angeschlossenen Dreieckspannung Ud \ einem Eingang 42 einer Summiereinrichtung 43 zugeführt, die wiederum einen Operationsverstärker 44 enthält. Die Summiereinrichtung 43 gibt eine Spannung an ihren Ausgang 45 ab, die

der Summe aus der Dreieckspannung der Ausgangsspannung des Multipliziergliedes 35 entspricht. Die am Ausgang 45 anstehende Spannung wird über einen Analog-Verstärker 46 einer Grenzwertstufe 47 zugeführt, die bei Erreichen ihres Grenzwertes über ein nachgeordnetes Gatter 48 an den Ausgang 49 ein Freigabesignal gibt, das eine nicht dargestellte Verarbeitungseinrichtung im Sinne der Abgabe eines Parallelschaltkommandos beeinflußt. Dieses Freigabesignal erscheint jeweils um eine der Einschaltzeit T_edes jeweils verwendeten Schalters entsprechende Zeitspanne vor dem Punkt der Phasenübereinstimmung der beiden Spannungen u\ und 112 (siehe Diagramm IX der F ig. 3).

An einer weiteren Eingangsklemme 50, die mit der Ausgangsklemme 30 des weiteren Filters 28 unmittelbar verbunden ist, wird ein weiteres Differenzierglied 51 angeschlossen, das aus der weiteren um 180° gegenüber der ersten phasenverschobenen Dreieckspannung Ud2 eine Rechteckspannung formt. Die Rechteckspannung ist über einen Verstärker 52 einem weiteren Multiplizierglied 53 zugeführt, das einen Operationsverstärker 54 enthält. Ein nicht mit dem weiteren Differenzierglied 51 verbundener Eingang 55 des Operationsverstärkers 54 ist mit einer Ausgangsklemme 56 der Einstellanordnung 39 verbunden. Am Ausgang 56 des weiteren Multipliziergliedes 53 entsteht somit eine Spannung, die dem Produkt aus der Einschaltzeit T_c und dem Differentialquotienten

15

25

dr

bzw.

dl

proportional ist. Dieser Ausgangsspannung des weiteren Multipliziergliedes 53 wird die über die Leitung 57 geführte weitere Dreieckspannung Ud2 hinzugefügt. Diese Summenspannung gelangt an einen Eingang 58 einer weiteren Summiereinrichtung 59 mit einem Operationsverstärker 60, an dessen Ausgang 61 ein weiterer Analog-Verstärker 62 angeschlossen ist. Diesem Verstärker 62 ist eine weitere Grenzwertstufe

63 nachgeordnet, die bei einem vorgegebenen Wert der Summenspannung an ihrem Ausgang 64 ein Signal erzeugt, das über ein weiteres Gatter 65 an einem weiteren Ausgang 66 als ein weiteres Freigabesignal erscheint. Dieses weitere Freigabesijnal wird ebenfalls zu einem um die Einschaltzeit T_c des verwendeten Schalters vor dem Punkt der Phasenwinkelübereinstimmung erzeugt (vgl. Diagramm B der F i g. 4).

Um sicherzustellen, daß am Ausgang der einen Grenzwertstufe 47 bzw. am Ausgang 49 praktisch gleichzeitig mit dem Freigabesigna! der weiteren Grenzwertstufe 63 ein Signal erscheint, ist an dem Ausgang 64 der weiteren Grenzwertstufe 63 ein Spannungsteiler 67 angeschlossen, an dessen Widerstand 68 immer dann eine Spannung abfällt, wenn das normalerweise auf Null liegende Potential am Ausgang

64 infolge Ansprechens der weiteren Grenzwertstufe 63 verändert wird. Die an dem Widerstand 68 des Spannungsteilers 67 abfallende Spannung wird über einen zur Entkopplung dienenden Operationsverstärker 69 auf den Eingang 42 des Operationsverstärkers 44 der Summiereinrichtung 43 geführt. Über den Operationverstärker 69 wird also eine kleine Zusatzspannung an den Eingang 42 des Operationsverstärkers 44 abgegeben. Dadurch tritt am Ausgang 49 nahezu gleichzeitig ein Freigabesignal auf, wie am Ausgang 66, wenn die Schaltungsanordnung ordnungsgemäß arbeitel.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung im Hinblick auf die Vermeidung eines falschen Einschaltkommandos infolge Beeinflussung durch Störsignale dient die F i g. 5. In dieser F i g. 5 ist im Diagramm 1 die Spannung t/_s2 am Ausgang 61 der weiteren Summiereinrichtung 59 in Abhängigkiet von der Zeit f dargestellt Diese Spannung ergibt sich durch Addition der strichliert dargestellten weiteren Dreieckspannung Udi und der im Diagramm 2 der Fig.5 dargestellten Rechteckspannung ΙΛ2 am Ausgang des weiteren Differenziergliedes 51. Im Diagramm 3 der Fig.5 ist die Spannung U_s\ am Ausgang 45 der Summiereinrichtiing 43 dargestellt; die strichliert dargestellte Kurve gibt die Dreieckspannung Ud\ wieder, wie sie am Eingang 31 liegt. Die sich am Ausgang 45 der Summiereinrichtung 43 ergebende Summenspannung ist mit U_s\ bezeichnet Das Diagramm 4 der F i g. 5 zeigt die Rechteckspannung U_r\ am Ausgang 34 des Differenziergliedes 32. Im Diagramm 5 der F i g. 5 ist ein Störsignal dargestellt

Wie das Diagramm 1 der F i g. 5 erkennen läßt, wirkt das Störsignal auf die Spannung U_s2 derart, daß zur Zeit des Auftretens des Störsignals ein plötzliches Ansteigen des Wertes dieser Spannung eintritt Wenn mit U_a 1 der Ansprechwert der weiteren Grenzwertstufe 63 bezeichnet wird, wird von dieser Grenzwertstufe beim Auftreten des Störsignals zum Zeitpunkt Ti ein Freigabesignal an eine nicht dargestellte Verarbeitungseinrichtung abgegeben, die diese in Richtung auf die Abgabe eines Parallelschaltkommandos beeinflußt. Wie das Diagramm 3 der F i g. 5 erkennen läßt wird dort durch das im gleichen Sinne der Amplitude der Spannung U₁ \ beeinflussende Störsignal keine im Hinblick auf die Abgabe eines Signals erzielende Veränderung hervorgerufen. Der Schwellwert U„2 der Grenzwertstufe 47 ist nämlich mit der Nullachse identisch. Es wird von der Grenzwertstufe 47 zum Zeitpunkt T₁ des Auftretens des Störsignals kein Signal abgegeben, so daß auch kein Parallelschaltkommando erzeugt werden kann.

Erst wenn zum Zeitpunkt T₂ der Ansprechwert der einen Grenzwertstufe 47 und gleichzeitig auch der Ansprechwert der weiteren Grenzwertstufe 63 (Punkt S, im Diagramm 1 der F i g. 5) erreicht wird, führt dies zu einem Parallelschaltkommando, wenn die übrigen Bedingungen erfüllt sind.

Mit der Erfindung wird eine elektrische Schaltanordnung zum Parallelschalten von Wechselstromnetzen bzw. zum Zuschalten eines Generators an ein in Betrieb befindliches Wechselstromnetz vorgeschlagen, die sich durch eine hohe Betriebszuverlässigkeit auszeichnet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronische Schaltungsanordnung zum Parallelschalten von Wechselstromnetzen bzw. zum Zuschalten von Generatoren an in Betrieb befindliche Wechselstromnetze, bei der die Spannungen der parallelzuschaltenden Wechselstromnetze hinsichtlich ihrer Phasenlage in einer Phasenvergleicheinrichtung verglichen werden, die eine Logikschaltung zur Erzeugung einer Impulsfolge mit Impulsen einer dem Phasenwinkel zwischen den Spannungen proportionalen Breite, ein dieser nachgeordnetes Filter zur Gewinnung einer sich mit der Periode der Frequenzdifferenz der beiden Spannungen ändernden Dreieckspannung, ein ar. das Filter angeschlossenes Diiferenzierglied und eine mit dem Differenzierglied und dem Filter verbundene Grenzwertstufe zur Bestimmung des Schaltzeitpunktes eines der elektronischen Schaltungsanordnung nachgeordneten Schalters, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvergleicheinrichtung eine weitere Logikschaltung (11) zur Erzeugung einer weiteren Impulsfolge (e) mit Impulsen einer Breite enthält, die einem um den Phasenwinkel zwischen den Spannungen {ii\, 1/2) verminderten Winkel von 180° proportional ist, daß der weiteren Logikschaltung (11) ein weiteres Filter (28) nachgeordnet ist, in dem eine sich mit der Periode der Frequenzdifferenz der beiden Spannungen (u\, u₂) ändernde, gegenüber der einen Dreieckspannung (Ud\) um 180° phasenverschobene weitere Dreieckspannung (Udt) erzeugt wird, und daß an das weitere Filter (28) einerseits unmittelbar und andererseits über ein weiteres Differenzierglied (51) eine weitere Grenzwertstufe (63) zur Bestimmung des Schaltzeitpunktes angeschlossen is·..

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weiteren Grenzwertstufe (63) ein Spannungsteiler (67) nachgeordnet ist, von dem beim Ansprechen der weiteren Grenzwertstufe (63) über einen Operationsverstärker (69) eine kleine Zusatzspannung auf die eine Grenzwertstufe (47) übertragen wird.

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