DE2535642A1

DE2535642A1 - Schaltung zur ueberwachung eines wechselstromgenerators

Info

Publication number: DE2535642A1
Application number: DE19752535642
Authority: DE
Inventors: George H Anderson; Elwood J Meyers
Original assignee: Barber Colman Co
Current assignee: Barber Colman Co
Priority date: 1974-08-12
Filing date: 1975-08-09
Publication date: 1976-03-04
Also published as: FR2282184B1; US3902076A; JPS5144218A; CA1073971A; SE7508997L; GB1489513A; FR2282184A1; DE2535642C2; SE414851B

Description

-Ll

^ 8. August 1975 GzSg/Wa.

BARBER-COLMAN COMPANY, 1300 RockStreet, Rockford,111.61108,USA

Schaltung zur Überwachung eines Wechselstromgenerators

Die Erfindung betrifft Regler für Maschinengeneratoren und im besonderen eine Einrichtung zur Regelung der Leistung mehrerer Wechselstromgeneratoren, um eine vorgegebene Lastverteilung zu erreichen.

Wo es sich um mehrere Wechselstromgeneratoren handelt, hat es große Vorteile, für eine gleichförmige Latsverteilung bei ihnen zu sorgen. Wenn z.B. mehrere Generatoren die gleiche Last haben, so kann eine zusätzliche Belastung viel rascher aufgenommen werden, als wenn ein einzelner Generator diese zusätzliche Last aufnehmen müßte. Ein weiterer Vorteil ist es, daß der Generator und sein Motor im allgemeinen nahe der Vollast mit besserem Wirkungsgrad laufen. Die gleichförmige Lastverteilung sorgt dafür, daß kein Generator mit relativ geringer Last läuft und daher einen schlechten Wirkungsgrad hat.

Es ist bekannt, daß man die Lastverteilung durch Regelkreise ändern kann. So beschreiben z.B. die US-Patente 2 914 680 und 2 986 647 Schaltungen, mit denen sich Wechselstromgeneratoren regeln lassen. Bei diesen Einrichtungen wird im allgemeinen ein strommessendes Mittel für jede Phase des

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Drehstromgenerators verwendet und eine Brückenschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals für den Drehzahlregler. Alle diese Schaltungen erfordern jedoch im allgemeinen, daß die Drehzahlregler alle vom gleichen Typ sind und den gleichen Gleichspannungs-Bezugspegel haben. Sind die Drehzahlregler nicht vom gleichen Typ, so sind die Ergebnisse nicht zufriedenstellend. Weiter fühlten bei all diesen Schaltungen die Anwesenheit von hochfrequenten Störsignalen einschließlich gleichphasiger Signale (cross talk) ,wie sie häufig in Industriebetrieben vorhanden sind zu Störungen. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Überwachungskreis für einen Maschinengenerator zur Verfügung zu stellen, der ein Steuersignal erzeugt, mit dem der Maschinengenerator auf einem konstanten vorgewählten Lastpegel gehalten wird.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Strom zur Verfügung zu stellen, der an andere identische Kreise weitergeleitet wird, um Steuersignale zu erzeugen, mit denen sich bei einer Vielzahl von Maschinengeneratoren eine gleichmäßige Lastverteilung aufrechterhalten läßt.

Es ist weiter ein Ziel der Erfindung, eine Vielzahl von Überwachungsschaltung en zur Verfügung zu stellen, von denen jede von der anderen isoliert ist, so daß ein anderer Gleichspannungs-Bezugspegel für jeden Drehzahlregler verarbeitet werden kann.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Überwachungskreis zur Verfügung zu stellen, der einen niedrigen Ausgangsimpedanz und der eine hohe Unterdrückung gleichphasiger Signale hat.

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Außerdem ist es ein Ziel der Erfindung, die Überwachungsschaltung mit einem Tiefpaß zu versehen, um die Einwirkung von hochfrequenten Störungen weiter zu verringern.

Ein anderes Ziel ist es, einen Differenzverstärker zur Verfügung zu stellen, um die Unterdrückung gleichphasiger Signale zu erhöhen und die Einstellung verschiedener Gleichspannungs-Bezugspegel zu ermöglichen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Besehreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigen;

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Überwachungskreises der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 eine Schaltung, die mit der von Fig. 1 identisch ist und so mit der Schaltung von Fig. i verbunden werden kann, daß zwei Wechselstromgeneratoren gleichzeitig bezüglich ihrer Lastverteilung geregelt werden können.

Fig. 1 zeigt die Überwachungsschaltung; sie ist so ausgelegt, daß sie den in jeder Phase eines Drehstromgenerators fließenden Strom mißt. Zu diesem Zweck besitzt die Phase A den strommessenden Transformator 10. Ähnlich besitzen die Phasen B und C die Transformatoren 12 und lh.

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Die drei Phasen 16, 17 und 18 sind mit den Primärseiten der Transformatoren 20, 22 und 24 verbunden. Die Sekundärseiten dieser Transformatoren bilden zusammen mit den Widerständen 26 und 28 und den Dioden 30 einen Zweiweg-Gleichrichter. Der Gleichstrom fließt durch die Sekundärseite von 32 und wird verstärkt oder geschwächt in Abhängigkeit von der Spannung, die durch den in der Primärseite von 32 gemessenen Laststrom induziert wird.

Die Primärseiten der Transformatoren 32, 34 und 36 sind mit den spannungsmessenden Transformatoren 10, 12 und lßi verbunden. Die Sekundäiseiten der Transformatoren 32, 34 und 36 sind verbunden mit der Mitte der Transformatoren 20, 22 und 24 und der Mitte der Widerstände 26 und 28.

Soweit bisher beschrieben bewirkt die Schaltung die Messung des Stromes in jeder der drei Phasen eines Drehstromgenerators durch die ötrommessenden Transformatoren 10, 12 und 14. Der von ihnen gemessene Strom geht an die Transformatoren 32, 34 und 36 und die an der Sekundärseite der Transformatoren anstehende Spannung ist eine Funktion des von jedem der strommessenden Transformatoren gemessenen Stromes.

Der durch die Sekundärseite der Transformatoren 20, 22 und fließende Strom ist eine Funktion der Spannung jeder einzelnen Phase und der Größe der Widerstände 26 und 28. Für die vorliegende Erfindung sollen die Widerstände 26 und 28 vorzugsweise von gleicher Größe sein. Unter Normalbedingungen , wenn jede der drei Phasen gleichmäßig belastet ist, ist der von den Transformatoren gemessene Strom konstant. Eine Spannung, die gleich, aber entgegengesetzt ist,liegt an den Widerständen 26 und 28, wenn kein Laststrom fließt.

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Sobald sich der Strom in einer der Phasen, z.B. in der Phase A ändert, veranlaßt der Transformator 32 eine Änderung der an den Widerständen 26 und 28 anliegenden Spannung. Falls sich der Strom in der Phase A vergrößert, wird die am Widerstand 28 liegende Spannung größer, während die am Widerstand 26 liegende Spannung kleiner wird. Durch diese Anordnung wird die genaue Leistungsabgabe jeder Phase gemessen unter Berücksichtigung des Leistungsfaktors.

Die von einer Stromänderung in allen drei Phasen gelieferte Gesamtspannung liegt an dem Summierwiderstand 40. Dieser liegt als Eingang an der abgeglichenen Brücke 42. Zu ihr gehören die Widerstände 44, 46 in den oberen Zweigen und die Widerstände 48, 50 und 52 in den unteren Zweigen. Zwischen den Punkten 54 und 56 liegt ein Kondensator 60. Die an ihn anliegende Spannung stellt das Differenzsignal dar, welches die Brücke bildet. Der Ausg*ig der Brücke 42 wird über die Leitungen 62 und 64 zu den positiven und negativen Eingangspunkten eines Differenzverstärkers 66 geleitet.

Zwischen dem negativen Eingangspunkt und dein Ausgang 68 des Verstärkers liegt ein Tiefpaß, der aus dem Widerstari 70 und der Kapazität 72 besteht. Ähnlich ist der positive Eingangspunkt des Verstärkers 66 mit einem zweiten Tiefpaß versehen, der aus dem Widerstand 74 und dem Kondenstor 76 besteht. Diese Tiefpässe sind vorhanden, um Rauschen mit höheren Frequenzen, das bei Kraftwerken im allgemeinen auftritt, zu verringern. Sie werden auf ein entsprechendes Durchlaßband von 0 bis 10 Hz eingestellt. Alle darüber liegenden Frequenzen werden zunehmend gedämpft. An dem positiven Eingangspunkt von Verstärker 66 liegt der Widerstand 78, dessen anderes Ende über ein Potentiometer 81 mit einem

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Drehzahlregler 82 verbunden ist. Das Potentiometer 81 regelt die Bezugsspannung, die an dem Verstärker 66 liegt, damit man die Anfangsdrehzahl einstellen kann. Im allgemeinen verwenden solche Drehzahlregler eine Gleichspannungs-Bezugsspannung in der Größe von etwa h bis 10 Volt. Die verwendete Spannung hängt jedoch vom Typ und Hersteller ab. Wie im weiteren erklärt wird, wenn mehr als zwei Drehzahlregler parallel bei einer Lastverteilung laufen, ist es wünschenswert, daß man auch Drehzahlregler verwenden kann, die nicht die gleichen Gleichspannungs-Bezugspegel haben.

Der Ausgang von Differenzverstärker 66 geht über die Leitung 68 an den Drehzahlregler 82. Der Drehzahlregler regelt die Drehzahl eines Motors, z.B. eines Dieselmotors zur Regelung der Ausgangsleistung eines Generators,der geregelt wird. Im allgemeinen wird mittels des Drehzahlreglers ein Brennstoffventil bei dem Dieselmotor gesteuert.

In der Brücke 42 liegt eine Schaltvorrichtung am Widerstand Zu der Schaltvorrichtung gehört ein Mehrfachschalter 84, ein veränderlicher Widerstand 86 und der Widerstand 88. In der in Fig. i gezeigten Stellung ist die Schaltung so eingestellt, daß sie isochron arbeitet, d.h. eine konstante Drehzahl unabhängig von der Last. Wenn eine identische Schaltung an die Punkte 90 und 92 gelegt wird, z.B. die in Fig. 2 gezeigte Schaltung, so arbeitet die Schaltung so, daß jede einzelne ihren Drehzahlregler regelt, um eine gleichmäßige Last bei jedem der Generatoren sicherzustellen.

Befindet sich der Schalter 84 hingegen in seiner oberen Stellung, so arbeitet die Schaltung in der abfallenden Betriebsart, d.h. die Drehzahl des Dieselmotors, und damit die Leistung des

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Generators sinkt mit steigender Generatorlast. Diese Betriebsart ist notwendig, wenn einer oder mehrere der Generatoren, die zusammengeschaltet sind, örtlich nicht geregelt werden können. Zum Beispiel wo ein einzelner Generator parallel liegt mit der Energiequelle eines Versorgungswerkes kann es notwendig sein, die Drehzahl des örtlichen Generators absinken zu lassen, wenn die Last auf dem Generatorenpaar steigt, damit sich eine im wesentlichen gleiche oder gleichförmige Lastverteilung ergibt.

Vor der ausführlichen Beschreibung des Betriebs mit dieser Schaltung,wollen wir betrachten, was der Verstärker 66 Neues bewirkt. Falls die Brücke 42 ein Signal liefert, so wird dieses an den Eingang des Verstärkers 66 gelegt. Der Verstärker 66 summiert den Brückenausgang und die Bezugsspannung an dem Gleichspannungs-Bezugsspannungspegel des zugehörigen Drehzahlreglers 82. Weiter stellt er eine niedrige Ausgangsimpedanz dar, welche eine erhöhte Rauschunterdrückung und einen weaiger störanfälligen Betrieb bewirkt und vor allen Dingen die Unterdrückung von gleichphasigen Signalen erheblich vergrößert. So liefert die Kombination von Differenzverstärker und Tiefpaß die Möglichkeit einer außerordentlich wirksamen Rauschunterdrückung und erlaubt es auch, Drehzahlregler mit verschiedenen Bezugsspannungen zu verwenden.

Wir wollen nun den Betrieb der Schaltung betrachten, für den Fall, daß nur ein einziger Maschinengenerator geregelt wird. Die Ausgänge 90 und 92 sind in diesem Fall offen. Der Mehrfachschalter 84 ist in seiner oberen Stellung so, daß die Schaltung in der fallenden Betriebsart arbeitet. Wenn der Schalter 84 in seiner oberen Stellung dst, liegen die Widerstände 88 und 86 parallel mit dem Widerstand 46 der Brücke. Ein der Last propor-

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tionales Signal wird an dem Summierwiderstand 40 erzeugt und an die Brücke 42 gelegt.

Wenn die Belastung des Generators konstant bleibt, bleibt auch die Spannung an dem Kondensator 60 der Brücke konstant auf einem positiven Wert dessen Größe von der Last abhängt. Die3e Spannung wird nun ihrerseits an die Eingangspunkte des Differenzverstärkers 66 gelegt. Die Bezugsspannung, die über die Leitung 80 geliefert wird, pegelt den Verstärker 66 auf den Gleiehspannungs-Bezug3-pegetyein. Dadurch bleibt der Ausgang des Verstärkers 66 konstant, solange die Belastung des Generators konstant bleibt.

Ändert sich aber die Last auf dem Generator, so sollte die Drehzahl des Motors geändert werden, um dieses auszugleichen. Eine vergrößerte Last verursacht eine Vergrößerung der Spannung an dem Widerstand 40 und an der Brücke, wodurch die am Kondensator 60 liegende Spannung in dem Sinne vergrößert wird, der in Fig. i gezeigt ist. Diese Änderung ihrerseits verursacht einen Abfall des Ausgangs aus dem Differenzverstärker 60. Der Ausgang des Differendverstärkers ist daher der Gleichspannungs-Bezugspegel minus einer kleinen zusätzlichen Spannung, welche die Laständerung wiedergibt. Diese Spannung wird verwendet durch den Drehzahlregler 82, um die Drehzahl des Motors zu verringern, um den gewünschten Betriebszustand einzuhalten.

Der Betrieb in der isochronen Betriebsart mit zwei oder mehre-

ren gleichen Schaltungen wird erreicht, indem man diese Schaltungen an die Punkte 90 und 92 von Fig. i legt. Der Brtickenausgang 56 von Fig. i ist dann über den Mehrfachschalter 84 , den Ausgang 90 und den Mehrfachschalter 100 (siehe Fig. 2) mit einem Punkt 102 einer Brücke für einen zweiten Maschinengenerator verbunden. Ebenso ist die Mitte zwischen den Wider-

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ständen kk und 46 der Brücke über den Widerstand 88, den Schalter 84, den Punkt 92, den Schalter 100 und den Widerstand 104 mit der Mitte zwischen den Widerständen 106 und 108 verbunden.

Obwohl in den Figuren nur das Zusammenschalten von zwei Überwaehungskreisen gezeigt ist, ist es klar, daß eine größere Zahl von Überwachungsschaltungen in der gleichen Weise zusam-mengeschaltet werden kann an den Punkten 90 und 92 und daß der Betrieb sich dann, wie weiter beschrieben, abspielt.

Sind die beiden Schaltungen in der isochronen Betriebsart miteinander verbunden, so sind die beiden Brücken miteinader gekoppelt, so daß eine Vergrößerung des Ausgangs der einen Schaltung eine entsprechende Verringerung des Ausgangs der anderen Schaltung bewirkt. Wenn eine Lastvergrößerung bei dem einen Generator von seinem Überwachungskreis entdeckt wird, so wird ein Ausgangssignal von seinem Verstärker 66 geliefert, welches die Drehzahl seines Motors verringert.

Gleichzeitig erfolgt eine Änderung der an der Brücke des zweiten Maschinengenerators liegenden Spannung, welche die Drehzahl des zweiten Generators so ändert, daß er mehr Last übernimmt. Dadurch wird eine gleichzeitige Änderung der Drehzahlen beider Generatoren erreicht und eine gleichförmige Lastverteilung sichergestellt. Ist die gleichförmige Lastverteilung erreicht, dann sind die Ausgänge aller Verstärker gleich bezüglich ihrer Bezugsspannungen.

Das Zusammenwirken der Brücken wird noch klarer, wenn man die Ströme betrachtet, die in den Zeichnungen gezeigt sind. Wenn eine Änderung bei der durch den in Fig. 1 gezeigten Schaltung überwachten Generator entdeckt wird, so fließt ein Strom Il in

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die Brücke 42. Bei der isochronen Betriebsart fließt ein Teil des Stromes Ii durch den Widerstand 88, die Mehrfachschalter 84 und 100 und den Widerstand 104 zu der Brücke der Fig. 2. Dieser Strom ist mit 12 bezeichnet. Der größte Teil des Stromes Ii fließt durch den Widerstand 46 und ist mit 13 bezeichnet. Die beschriebene Stromverteilung ist gegeben durch die relativen Werte der Widerstände 46, 88 und 104. Der Widerstand 46 sollte mindestens 3 bis 6 mal so groß sein, wie die Widerstände 88 und 104, welche beide die gleiche Größe haben sollten.

Der zu der Brücke von Fig. 2 gehende Strom 12 fließt durch den Widerstand 106 zu dem Punkt 102. Von diesem Punkt existiert ein direkter Rückweg zu Punkt 56 der Brücke der Fig. i über den Punkt 90. Dadurch wird der Strom 12 von dem Widerstand abgeleitet, fließt aber dennoch durch den Widerstand 48 und erhöht dadurch die Spannung am Punkt 56 gegenüber dem Punkt 54, wodurch der Ausgang des Verstärkers 66 sich verringert und die Drehzahl des Motors herabgesetzt wird. Gleichzeitig erniedrigt der durch den Widerstand 106 fließende Strom 12 die Spannung am Punkt 102 der Fig. 2 und erhöht dadurch den Ausgang des dazugehörigen Verstärkers und damit auch die Drehzahl des dazugehörigen Motors. Der Stromverlauf, der auf diese Weise bei der isochronen Betriebsart hergestellt wird, bewirkt die vorerwähnte gleiche,aber entgegengesetzte Regelung in Richtung auf eine gleichmäßige Lastverteilung, sobald eine ungleiche Lastverteilung bei einem der beiden Generatoren entdeckt wird.

Befinden sich die beiden Mehrfachschalter 84 und 100 in der Stellung für die fallende Betriebsart, so wird die Drehzahl des regelnden Generators verringert, um sich der vergrößerten Last anzupassen. Die Wirkungsweise der Schaltung ist in diesem

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Falle ähnlich der, welche für die Regelung eines einzigen Generators beschrieben worden ist.

Es wird eine Schaltung zur Überwachung der Leistung eines Generators beschrieben. Die Schaltung verwendet einen strommessenden Transformator für jede der drei Phasen des Generators. Der Strom wird gemessen und nach Kompensierung des Phasenwinkels summiert und einer Messbrücke zugeführt. Ein Differenzverstärker, der mit der Messbrücke verbunden ist, erzeugt ein Differenzsignal, welches der Spannung an der Messbrücke entspricht. Das Differenzsignal wird einem Drehzahlregler zugeführt. Durch Zufügung weiterer Stromkreise kann eine Vielzahl von Generatoren reguliert werden, um jedem von ihnen eine gleiche Belastung zuzuordnen. Die Verwendung eines Differenzverstärkers ergibt auch die Möglichkeit, verschiedene Drehzahlregler mit verschiedenen Gleichspannungs-Bezugspegeln miteinander zu verbinden. Ein Tiefpaß unterdrückt hochfrequente Störgeräusche. ^l

Die vorstehende ausführliche Beschreibung und ihre Zeichnungen dienen nur zur Beschreibung anhand von Beispielen und stellen keine Einschränkung der Erfindung dar.

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Claims

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Patentansprüche

; l) Schaltung zur Überwachung eines'Wechselstromgenerators, welche ein Regelsignal für einen Drehzahlregler liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen strommessenden Transformator für jede Phase einschließt und eine abgeglichene Brücke, welche an den Transformatoren liegt und ein Ausgangssignal liefert, das dem Strom durch den Generator entspricht, daß die Schaltung ein Schaltmittel enthält, das vorher auf den Bezugsspannungspegel des Drehzahlreglers eingestellt wird, an den das Ausgangssignal von der Brücke geht, um das Regelsignal in im wesentlichen der Höhe des Bezugsspannungspegels zu erzeugen,

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel, an die das Ausgangssignal geht, einen Differenzverstärker enthalten.

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3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ein Schaltmittel enthält, das eine einstellbare Vorspannung an das voreingestellte Schaltmittel liefert, so daß dieses ein Regelsignal abgibt, indem es den Ausgang der Brücke und die Vorpsannung bei dem Bezugsspannungspegel addiert.

k. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Tiefpaßfilter zur Unterdrückung hochfrequenten Rauschens enthält, und ein Paar von RC-Gliedern enthält, wobei jeweils ein HC-GIied für jeden Eingang des Verstärkers vorgesehen ist.

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5. Regelung, welche im wesentlichen gleiche Lastverteilung bei einer Vielzahl von Generatoren bewirkt und einen getrennten Drehzahlregler für die Regelung jedes dieser Generatoren enthält, einen Überwachungskreis für jeden dieser Generatoren mit strommessenden Transformatoren und einer Brücke, welche an den Transformatoren liegt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das dem Strom jedes Generators entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) ein Schaltmittel vorher auf den Bezugsspannungspegel des Drehzahlreglers eingestellt wird, an den das Ausgangssignal von der Brücke geht, damit es dem Bezugsspannungspegel entspricht,

b) die Brücken so miteinander verbunden werden, daß eine Spannungsänderung an der ersten Brücke eine sie kompensierende Spannungsänderung an den übrigen Brücken erzeugt, so daß die Lastverteilung im wesentlichen gleichförmig bleibt.

6. Regelung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungspegel der Drehzahlregler verschieden sind.

7. Regelung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes, voreingestelltes Schaltmittel ein Differenzverstärker ist.

8. Regelung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltungen einen Tiefpaß enthalten, um hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken.

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