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Die gleichgerichtete und geglättete Spannung hat einen Gleichrichtwert,
der bei einem hochohmigen Abschluß praktisch der ideellen Leerlauf-Gleichspannung
der verwendeten Gleichrichterschaltung entspricht Der Gleichrichtwert der Istwertwechselspannung
wird beispielsweise mit einer hochkonstanten Sollwertgleichspannung verglichen oder
einem Grenzwertmelder mit einem vorgegebenen Ansprechschwellenwert zugeführt. Der
Gleichrichtwert der Istwertwechselspannung folgt der überwachten Wechselgröße nur
mit einer durch die große Glättungszeitkonstante bedingten Verzögerung, so daß beispielsweise
eine rasche Erfassung von Einbrüchen oder Spitzen in der
überwachten
Wechselgröße nicht möglich ist Es ist bereits die eingangs genannte Überwachung
von Wechselgrößen bekannt, bei der ein freilaufender Oszillator vorgesehen ist,
der eine sinusförmige Referenzwechselspannung mit einer fest vorgegebenen Frequenz
erzeugt (FR-OS 2202296). Die Referenzwechselspannung des freilaufenden Oszillators
wird auf die Nulldurchgänge der Istwertwechselspannung getriggert. Hierbei sind
Toleranzen im Phasengleichlauf unvermeidlich, die durch ein Verzögerungsglied unterdrückt
werden, um Fehlanzeigen zu vermeiden. Die bekannte Überwachungseinrichtung ist nur
bei einer fest vorgegebenen Frequenz funktionsfähig. Eine starre Phasenkopplung
zwischen der Istwertwechselspannung und der Referenzwechselspannung ist nicht gegeben.
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Eine derartige starre Phasenkopplung ist jedoch Voraussetzung dafür,
daß durch den Vergleich von Augenblickswerten der Istwertwechselspannung mit der
Referenzwechselspannung bereits in äußerst kurzer Zeit eine Abweichung der überwachten
Wechselgröße von ihrem vorgegebenen Verlauf feststellbar ist Die bekannte Überwachungseinrichtung
benötigt schließlich eine sehr große Anzahl von Bauelementen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Wechselgröße mit veränderlicher Frequenz
zu schaffen, womit bereits nach einer im Verhältnis zur Periodendauer der Wechselgröße
sehr kurzen Zeit unzulässige Abweichungen von einem vorgegebenen periodischen Verlauf
mit vorgegebener Amplitude festgestellt werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Referenzwechselspannung
aus der Istwertwechselspannung abgeleitet und mit der Istwertwechselspannung phasenstarr
verknüpft ist.
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Die bei der Erfindung vorgesehene Referenzwechselspannung, deren
Augenblickswerte mit den Augenblickswerten der Istwertwechselspannung verglichen
werden, wird aus der Istwertwechselspannung selbst abgeleitet Hierdurch wird eine
phasenstarre Kopplung zwischen der Istwertwechselspannung und der Referenzwechselspannung
ermöglicht, die es gestattet, die Augenblickswerte der beiden Wechselspannungen
unmittelbar miteinander zu vergleichen, ohne daß Verzögerungsglieder erforderlich
sind. Die Referenzwechselspannung folgt mit ihrer Frequenz stets der Istwertwechselspannung
Abweichungen der Istwertwechselspannung vom vorgegebenen Verlauf lassen sich in
sehr kurzer Zeit erfassen und zu Schutz- oder Alarmsignalen oder zu Steuereingriffen
verarbeiten.
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Bei einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist ein Phasenregelkreis vorgesehen, der einen Phasendetektor mit einem
nachgeschalteten Tiefpaßfilter, einen diesem nachgeschalteten Verstärker und einen
von der Ausgangsspannung des Verstärkers gesteuerten Oszillator enthält, dessen
mit der Eingangsspannung des Phasendetektors in Phase liegendes Ausgangssignal auf
den Referenzeingang des Phasendiskriminators rückgekoppelt ist, dessen Signaleingang
mit der Istwertwechselspannung bzw. einer hieraus abgeleiteten Spannung beaufschlagt
ist, wobei ein mit der Istwertwechselspannung in Phase liegendes, den vorgegebenen
periodischen Verlauf aufweisendes Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators
sowie die Istwertwechselspannung einem Vergleichsglied zugeführt sind.
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Geeignete Phasenregelkreise sind unter der Bezeichnung Phase locked
loop (PLL) bekannt und im Handel
erhältlich. In der Literatur sind derartige Phasenregelkreise
beispielsweise beschrieben im Aufsatz von J. A.
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Mattis »The Phase Locked Loop - A communication system building block«
(Broadcasting Engineering, Feb. 1972) oder im Aufsatz von Dr. Joachim Z i e m a
n n »Wirkungsweise und Anwendung von integrierten Phase-locked-loop-Schaltungen«
(Der Elektroniker, Nr.
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1/1973, EL 14-19). Aufbau und Anwendungsbeispiele sind aus der Firmendruckschrift
von SIGNETICS »Lineare Integrierte Schaltungen«, S. 195 - 304 bekannt.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird in neuartiger
Weise die Eigenschaft einer PLL-Schaltung ausgenutzt, daß im eingeschwungenen Zustand
die auf den Referenzeingang des Phasendetektors rückgekoppelte Ausgangsspannung
des spannungsgesteuerten Oszillators phasenstarr mit der Eingangsspannung der PLL-Schaltung
verknüpft ist Die Amplitude der Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators
einer PLL-Schaltung besitzt einen von der Amplitude der Eingangsspannung des Phasendiskriminators
unabhängigen Wert Die im eingeschwungenen Zustand mit der Eingangsspannung des Phasendiskriminators
in Phase liegende Ausgangsspannung des phasengesteuerten Oszillators wird bei der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung als Referenzwechselspannung ausgewertet und
mit der Istwertwechselspannung verglichen. Zum Amplituden-Abgleich kann eine Abgleicheinrichtung
für die Istwertwechselspannung und/oder für die Referenzwechselspannung vorgesehen
sein. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer PLL-Schaltung besteht darin, daß
die Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators auch bei Störspannungsspitzen
der Istwertwechselspannung einen ungestörten Verlauf aufweist, beispielsweise eine
ungestörte Sinusform.
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Zur Ermittlung unzulässiger Abweichungen einer sinusförmigen Wechselgröße
sieht eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung einen Phasenregelkreis
vor, dessen spannungsgesteuerter Oszillator ein rechteckförmiges, mit dem Eingangssignal
des Phasendiskriminators in Phase liegendes erstes Ausgangssignal und ein demgegenüber
um einen vorgegebenen Phasenwinkel verschobenes sinusförmiges zweites Ausgangssignal
erzeugt Die Istwertwechselspannung ist über ein Phasendrehglied mit einer dem vorgegebenen
Phasenwinkel entsprechenden Phasendrehung dem Signaleingang des Phasendiskriminators
zugeführt Das rechteckförmige erste Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators
ist auf den Referenzeingang des Phasendetektors rückgekoppelt.
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Das zweite sinusförmige Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators
und die Istwertwechselspannung sind dem Vergleichsglied zugeführt Bei dieser Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung läßt sich eine besonders gute phasenstarre
Kopplung der Referenzwechselspannung mit der Istwertwechselspannung erzielen, da
der Phasendetektor von einer rechteckförmigen Spannung am Referenzeingang gesteuert
wird.
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Der Erfindungsgedanke läßt sich besonders vorteilhaft zur Regelung
von Wechselgrößen einsetzen. Bei bekannten Regelanordnungen für Wechselgrößen, insbesondere
für Wechselspannungen, ist der Führungsgrößenkanal des Reglers an ein Potentiometer
angeschlossen, das an einer hochkonstanten Gleichspannung liegt Der Regelgrößenkanal
des Reglers ist mit einer Gleichrichterschaltung für die von der Wechselgröße über
einen Meßwandler abgegriffene Istwertwechselspannung
und ein der
Gleichrichterschaltung nachgeschaltetes Glättungsglied zur Glättung der gleichgerichteten
Istwertwechselspannung beschaltet Es wird eine möglichst gute Glättung der Istwertwechselspannung
angestrebt, da die verbleibende Restwelligkeit der dem Regler im Regelgrößenkanal
zugeführten Istwertspannung in der Reglerausgangsspannung verstärkt weitergegeben
wird. Die Zeitkonstante des Reglers wird so gewählt, daß die trotz der Istwertglättung
verbleibende Restwelligkeit des Gleichrichtwertes die Ausgangsspannung des Reglers
gerade noch nicht störend beeinflußt. Die Zeitkonstanten des Glättungsgliedes und
des Reglers bestimmen die mögliche dynamische Verstärkung des Regelkreises. Die
Bildung der Regelabweichung zur Aussteuerung des Reglers erfolgt durch einen Soll-lst-Vergleich
zwischen einer hochkonstanten Sollwertgleichspannung und dem Gleichrichtwert der
Istwertwechselspannung, mithin also durch einen Vergleich zweier Gleichspannungen.
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Bekannte Regelanordnungen für Wechselgrößen sind so ausgelegt, daß
zunächst das Zeitintegral über wenigstens eine Periodendauer der Wechselgröße gebildet
wird, wie es die allgemeine Definition von Wechselgrößen vorschreibt Es kann daher
erst nach Ablauf von wenigstens einer Periodendauer eine Aussage darüber gewonnen
werden, ob die betreffende Wechselgröße ihren vorgegebenen Sollwert einhält oder
davon abweicht Bekannte Regelungen wirken auf den Gleichrichtwert der Wechselgröße,
nicht aber auf deren Effektivwert, wie es für viele Anwendungsfälle erwünscht wäre.
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Aus den genannten Gründen werden bei bekannten Regelungen von Wechselgrößen
die Regelzeitkonstanten des Regelkreises insgesamt größer als eine Periodendauer
gewählt Die dynamische Verstärkung des Regelkreises wird dadurch entsprechend klein.
Die Regelung wird langsam. Rasche Stellmöglichkeiten durch moderne Stellglieder,
beispielsweise durch Pulswechselrichter, können nicht ausgenutzt werden.
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Nachteilig ist ferner, daß die Regelung auf den Gleichrichtwert der
Wechselgröße erfolgt, nicht aber auf ihren Effektivwert.
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Die Erfindung ermöglicht eine Regelung einer Einrichtung zur Erzeugung
von Wechselgrößen, insbesondere von Wechselspannungen, dadurch, daß die Ausgangsspannung
des Vergleichsgliedes als den Regler aussteuernde Regelabweichung verwendet ist,
dessen Ausgangssignal die Stellgröße des Regelkreises darstellt Der Soll-Ist-Vergleich
kann im invertierenden Eingang eines Regelverstärkers oder in einem vorgeschalteten
Differenzverstärker erfolgen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Regelanordnung wird die den Regler aussteuernde
Regeldifferenz nicht durch einen Vergleich zweier Gleichspannungen gewonnen, sondern
durch einen Vergleich der Augenblickswerte zweier phasenstarr gekoppelter Wechselspannungen.
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Eine Istwertglättung erfolgt nicht Die Regeldifferenz folgt in jedem
betrachteten Augenblick ohne Verzögerung der Differenz der Augenblickswerte der
Istwertwechselspannung und der Referenzwechselspannung Dadurch ist es möglich, eine
Wechselgröße mit einer Regelzeitkonstanten zu regeln, die kleiner ist als eine Halbperiode
der Wechselgröße. Die zu regelnde Wechselgröße kann bereits während einer Halbperiode
ihrem Sollverlauf nachgeführt werden. Damit wird auch eine bessere Einhaltung von
Augenblickswerten möglich und damit auch eine Regelung auf den Effektivwert der
Wechselgröße.
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Wenn für eine derartige Regelanordnung ein veränderbarer Amplitudensollwert
vorgesehen sein soll, so kann die Ausgangsspannung des phasengeregelten Oszillators
der PLL-Schaltung über ein Einstellpotentiometer geführt werden. Besonders vorteilhaft
ist für komplexe Regelungen eine Ausführungsform, bei der die Referenzwechselspannung
einem Multiplikator zugeführt ist, dessen zweiter Eingang mit einer Steuerspannung
eines übergeordneten Steuer oder Regelkreises beaufschlagt ist und dessen Ausgang
mit dem Vergleichsglied bzw. dem Vergleichspunkt des Reglers verbunden ist Um bei
einem Regler mit integralem Zeitverhalten dafür zu sorgen, daß bei einer im gleichen
Sinne anstehenden Regelabweichung sich das Vorzeichen der den Regler aussteuernden
Regeldifferenz nicht in jeder Halbwelle der Wechselgröße ändert, sondern gleich
bleibt, ist es vorteilhaft, wenn die Istwertwechselspannung über eine Gleichrichterschaltung
und die Referenzwechselspannung über eine weitere Gleichrichterschaltung geführt
sind. Es ist jedoch auch möglich, dem Vergleichsglied eine phasenrichtige Gleichrichterschaltung
nachzuschalten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen
näher gekennzeichneten Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und werden
im folgenden näher beschrieben. Es zeigt F i g. laein Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Wechselspannung, Fig. Ib wesentliche Signalverläufe
aus der Fig. 1a, F i g. 2a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung
zur Überwachung einer Wechselspannung, F i g. 2b wesentliche Signalverläufe aus
der F i g. 2a, Fig.3a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung
zur Überwachung einer Wechselspannung, F i g. 3b wesentliche Signalverläufe der
F i g. 3a, F i g. 4a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung
zur Überwachung einer Wechselspannung, F i g. 4b wesentliche Signalverläufe aus
der F i g. 4a, Fig. 5 eine Regelanordnung für einen Wechselrichter, F i g. 6 ein
Blockschaltbild der dem Regler in F i g. 5 vorgeschalteten Schaltung.
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In F i g. la ist an eine Wechselspannungsschiene 1 ein Spannungsmeßwandler
2 angeschlossen, an dessen Ausgang a eine Istwertwechselspannung Ua erscheint.
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Die Istwertwechselspannung Ua wird dem Signaleingang eines Phasendetektors
PD eines Phasenregelkreises PLL zugeführt Der Phasenregelkreis PLL enthält ein dem
Phasendetektor nachgeschaltetes Tiefpaßfilter LPF, einen diesem nachgeschalteten
Verstärker A und einen von der Ausgangsspannung des Verstärkers A gesteuerten Oszillator
VCO. Die Ausgangsspannung des Verstärkers A kann durch Betätigung eines Relais R
auf Bezugspotential geschaltet werden, um den spannungsgesteuerten Oszillator VCO
zu sperren, beispielsweise bei einem Spannungsausfall auf der Wechselspannungsschiene
1. Die Ausgangsspannung Ub des spannungsgesteuerten Oszillators VCO liegt im eingeschwungenen
Zustand mit der Eingangsspannung des Phasendiskriminators PD in Phase, weist jedoch
einen von der Amplitude der Eingangsspannung Ua unabhängige Amplitude auf. Die Ausgangsspannung
Ub des spannungsgesteuerten Oszillators VCO wird an der Klemme b als Referenzwechselspannung
Ub an der
Klemme b abgegriffen.
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Die Istwertwechselspannung Ua ist über eine Abgleicheinrichtung geführt,
die ein Potentiometer 3 und einen Grundwiderstand 4 umfaßt. Mit Hilfe dieser Abgleicheinrichtung
wird die Amplitude der am Abgriff des Potentiometers 3 erscheinenden Istwertwechselspannung
U'a im ungestörten Betrieb auf die Amplitude der Referenzwechselspannung Ub abgeglichen.
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U 10 Die abgeglichene Istwertwechselspannung Ua wird über einen ersten
Eingangswiderstand 5 und die Referenzwechselspannung Ub wird über einen zweiten
Eingangswiderstand 6 dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 9 zugeführt
Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 9 liegt über einen hochohmigen
Widerstand 8 am Bezugspotential. Die Rückführung des Operationsverstärkers 9 ist
mit einem ohmschen Widerstand 7 beschaltet Der Operationsverstärker 9 arbeitet in
dieser Beschaltung als Vergleichsglied, dem eingangsseitig die abgeglichene Wechselspannung
U'a und die Referenzwechselspannung Ub zugeführt sind. An seiner Ausgangsklemme
c erscheint die Differenzspannung Uc zwischen den beiden Eingangsspannungen. Die
Differenzspannung Uc beaufschlagt einen ersten Grenzwertmelder 10 mit einem vorgegebenen
positiven Ansprechschwellenwert U10, sowie einen zweiten Grenzwertmelder 11 mit
einem vorgegebenen negativen Ansprechschwellenwert U11. Die Ausgangssignale der
Grenzwertmelder 10 und 11 werden in einem ODER-Glied disjunktiv miteinander verknüpft.
Am Ausgang ddes ODER-Gliedes 12 erscheint ein Signal Ud.
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Die Wirkungsweise der in F i g. 1 a dargestellten Schaltung wird
an Hand von F i g. 1b näher erläutert.
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Die abgeglichene Istwertwechselspannung U'a zeigt zunächst ihren korrekten
sinusförmigen Verlauf. Zum Zeitpunkt t 1 bricht die überwachte Wechselspannung zusammen.
Die Ausgangsspannung Ub des spannungsgesteuerten Oszillators VCO der PLL-Schaltung
läuft jedoch zunächst noch unverändert weiter, da das Tiefpaßfilter LPF als Verzögerungsglied
wirkt. Der Spannungseinbruch der überwachten Wechselspannung, der sich in der abgeglichenen
Istwertwechselspannung U'a abbildet, wird in der Differenzspannung Uc des Vergleichsgliedes
5-9 sofort erkennbar. Bereits nach einer sehr kurzen Zeit wird die positive Ansprechschwelle
U10 des Grenzwertmelders 10 überschritten.
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Im Ausgangssignal Ud erscheint ein erster Signalwechsel, der zu einem
Alarmsignal oder einem Steuereingriff ausgenutzt werden kann. An die Ausgangsklemme
d kann beispielsweise ein Speicher angeschlossen sein, der von einer dynamischen
Signalflanke an der Klemme d gesetzt wird. Gleichzeitig kann auch das Relais R angesteuert
werden, um den spannungsgesteuerten Oszillator VCO zu sperren. Nach dem Wegfall
der Eingangsspannung ist der Phasenregelkreis PLL nicht mehr funktionsfähig.
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In Fig.2a ist an eine Wechselspannungsschiene 1 wiederum ein Spannungsmeßwandler
2 angeschlossen, dessen Ausgangsspannung Ua angeschlossen, dessen Ausgangsspannung
Ua einem Phasenregelkreis PLL zugeführt ist, der wie in F i g. laaufgebaut ist Die
mit der Istwertwechselspannung Ua in Phase liegende Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten
Oszillators VCO in der PLL-Schaltung ist über eine Abgleicheinrichtung geführt,
die aus einem Potentiometer 13 und einem Grundwiderstand 14 besteht Die Istwertwechselspannung
Ua ist dem als Differenzverstärker beschalteten Operationsverstärker 9 über einen
ersten
Eingangswiderstand 6 ebenfalls auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
9 geschaltet.
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An der Ausgangsklemme c des Operationsverstärkers 9 erscheint die
Differenzspannung Uo Die Differenzspannung Uc ist über eine Diode dl auf den Eingang
e eines Grenzwertmelders 19 mit einem Ansprechschwellenwert U19 geschaltet. Die
Differenzspannung Uc ist weiterhin über eine Umkehrstufe geführt, die einen Operationsverstärker
15 mit einem Rückkopplungswiderstand 18 umfaßt. Die Differenzspannung Uc ist dem
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 15 über einen Eingangswiderstand
17 zugeführt Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 15 liegt über
einen hochohmigen Widerstand 16 am Bezugspotential. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
15 ist über eine weitere Diode d2 ebenfalls auf den Eingang e des Grenzwertmelders
19 geschaltet Der Grenzwertmelder 19 wechselt sein Ausgangssignal an der Klemme
f. wenn der ihm eingangsseitig über die Dioden 13 und 14 zugeführte Absolutwert
der Differenzspannung seinen Ansprechschwellenwert U 19 übersteigt In den Signalverläufen
der Fig.2b wird deutlich, wie die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung die Anzeige
von unzulässigen Spannungsspitzen in der überwachten Wechselspannung auf der Wechselspannungsschiene
1 ermöglicht Die Istwertwechselspannung Ua habe den angegebenen Verlauf. Die abgeglichene
Referenzspannung U'b weist trotz der Spitzen in der Istwertwechselspannung einen
ungestörten sinusförmigen Verlauf auf, da die PLL-Schaltung von derartigen Spannungsspitzen
nicht gestört wird. Die Abweichungen der Istwertwechselspannung von der Referenzwechselspannung
werden in der Differenzspannung Uc und in der gleichgerichteten Differenzspannung
Ue sichtbar. Sobald die gleichgerichtete Differenzspannung Ue die Ansprechschwelle
U 19 des Grenzwertmelders 19 übersteigt, erscheinen in der Ausgangsspannung Uf des
Grenzwertmelders Impulse, die in geeigneter Weise ausgewertet werden können.
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Besonders hingewiesen wird auf die zweite Störung in der Istwertwechselspannung
Ua. Es wird angenommen, daß die Spannungszeitflächen der gegensinnigen Abweichungen
vom sinusförmigen Verlauf nahezu gleich groß sind. Die dargestellte zweite Störung
würde somit bei einer der eingangs geschilderten bekannten Überwachungseinrichtungen
überhaupt nicht bemerkt werden können. Da jedoch gerade derartige Spitzen in einer
überwachten Wechselgröße häufig eine erst später eintretende schwere Störung vorankündigen,
kann die Überwachung der Wechselgröße in bezug auf derartige Spitzen von großer
Bedeutung sein. Beispielsweise kann durch den Impuls der Ausgangsspannung Uf des
Grenzwertmelders 19 ein Alarm ausgelöst werden, der einen Bedienungsmann veranlaßt,
den Verlauf der überwachten Wechselgröße auf einem Oszillographen zu beobachten,
um näheren Aufschluß über die Ursache der Störung zu erhalten.
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Bei der in F i g. 3a dargestellten Schaltungsanordnung ist wiederum
an eine Wechselspannungsschiene 1 ein Spannungsmeßwandler 2 angeschlossen, dessen
an Klemme a erscheinende Ausgangsspannung Ua einem Phasenregelkreis PLL zugeführt
ist Der Phasenregelkreis PLL ist wie in F i g. 1 a aufgebaut. Die an seiner Ausgangsklemme
b erscheinende Ausgangsspannung Ub seines spannungsgesteuerten Oszillators wird
einer ersten Verstärkerschaltung und einer zweiten Verstärkerschaltung zugeführt,
deren Ausgangsspannungen
gegen die Istwertwechselspannung geschaltet
sind. Die erste Verstärkerschaltung enthält einen Operationsverstärker 20 mit einem
ohmschen Widerstand 22 in der Rückkopplung. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers
20 ist über einen Eingangswiderstand 21 mit der Referenzwechselspannung Ub und über
einen weiteren Eingangswiderstand 22 mit einer negativen Vorspannung N beaufschlagt.
Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 20 liegt über einen hochohmigen
Widerstand 24 am Bezugspotential. Die am Ausgang g des Operationsverstärkers 20
erscheinende Ausgangsspannung Ug ist somit um den Betrag der Voreinspeisung N gegenüber
der Referenzwechselspannung Ub ins Positive verschoben.
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Die weitere Verstärkerschaltung ist in gleicher Weise aufgebaut und
enthält einen Operationsverstärker 25, dessen Rückführung mit einem ohmschen Widerstand
28 beschaltet ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 25 ist über
einen Eingangswiderstand 26 mit der Referenzwechselspannung Ub und über einen weiteren
Eingangswiderstand 27 mit einer positiven Vorspannung P beaufschlagt. Der nichtinvertierende
Eingang des Operationsverstärkers 25 liegt über einen hochohmigen Widerstand 29
am Bezugspotential. Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 25 ist um
den Betrag der Voreinspeisung P gegenüber der Referenzwechselspannung Ub ins Negative
verschoben.
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Die Ausgangsspannung Ug des Operationsverstärkers 20 ist über einen
Widerstand 30 auf den Eingang m eines Triggers 34 geschaltet. Die Istwertwechselspannung
Ua ist über einen weiteren Eingangswiderstand 31 ebenfalls auf den Eingang m des
Triggers 34 geschaltet Die Spannung Um zwischen den beiden Widerständen 30 und 31
entspricht der Voreinspeisung N. Der Trigger 34 ändert sein Ausgangssignal, wenn
seine Eingangsspannung Um durch Null geht. Sobald in der überwachten Istwertwechselspannung
Ua eine Spannungsspitze auftritt und die Eingangsspannung Um des Triggers 34 ihre
Polarität ändert, ändert er sein Ausgangssignal U@.
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In analoger Weise ist die Ausgangsspannung am Ausgang des Operationsverstärkers
25 über einen Widerstand 33 gegen die über einen Widerstand 32 geführte Istwertwechselspannung
Ua geschaltet. Der Trigger 35 ändert sein Ausgangssignal, wenn seine Eingangsspannung
durch Null geht. Sobald in der Istwertwechselspannung Ua eine Spannungsspitze auftritt
und die Eingangsspannung des Triggers 35 ihre Polarität ändert, ändert der Trigger
35 sein Ausgangssignal. Das Ausgangssignal des Triggers 35 wird in einer Umkehrstufe
36 invertiert, um die gleiche Signaldarstellung wie beim Ausgangssignal des Triggers
34 zu erhalten. Das Ausgangssignal an der Ausgangsklemme der Umkehrstufe 36 und
das Ausgangssignal Ui des Triggers 34 können in einem ODER-Glied 37 zusammengefaßt
werden.
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F i g. 3b zeigt den Verlauf der Spannung - Ug der Klemme g sowie
den Verlauf der Istwertwechselspannung Ua mit einer Spannungsspitze und den Verlauf
der Spannung Um an der Klemme m. Sobald die von der Spitze in der Istwertwechselspannung
Ua hervorgerufene Spitze in der Spannung Um die Nullinie durchstößt, erscheint ein
Impuls in der Spannung Ui.
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F i g. 4a zeigt eine Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die eine Verbesserung der phasenstarren Kopplung zwischen der Ausgangsspannung des
spannungsgesteuerten Oszillators im Phasenregelkreis und der Eingangsspannung des
Phasendetek-
tors ermöglicht. An die Wechselspannungsschiene 1 ist wiederum ein Spannungsmeßwandler
2 angeschlossen, an dessen Ausgang a die Istwertwechselspannung Ua erscheint Die
Ausgangsspannung Ua wird einem Phasendrehglied 40 zugeführt, das als Differenzierer
oder als Integrierer ausgebildet sein kann. Das Phasendrehglied 40 weist beispielsweise
eine Phasendrehung von #/2 auf. Die Ausgangsspannung Un am Ausgang n des Phasendrehgliedes
40 wird dem Phasendiskriminator PD' eines Phasenregelkreises PLL' zugeführt. Der
Phasenregelkreis PLL' enthält wiederum einen Tiefpaßfilter LPFund einen Verstärker
A sowie einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO'.
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Der spannungsgesteuerte Oszillator VCO' weist drei Ausgänge k, p,
rauf, an denen Ausgangsspannungen Uk, Up, Ur anstehen. Die Ausgangsspannung Uk stellt
ein Rechtecksignal dar, welches in Phase liegt mit der Eingangsspannung Un des Phasendiskriminators
PD'.
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Die Ausgangsspannung Up stellt ein Dreiecksignal dar, das in diesem
Zusammenhang nicht weiter ausgewertet wird. Die Ausgangsspannung Ur stellt eine
sinusförmige Wechselspannung dar, die gegenüber dem Eingangssignal Un um den gleichen
Phasenwinkel verschoben ist, um den das Phasendrehglied 40 die Eingangsspannung
Ua verschiebt, also ebenfalls um #/2. Damit stimmt aber, wie F i g. 4b zeigt, die
Phasenlage der Istwertwechselspannung Ua mit der Phasenlage Ur am Ausgang r des
spannungsgesteuerten Oszillators VCO' überein. Die Spannung Ur wird daher als Referenzwechselspannung
ausgewertet. Ein geeigneter spannungsgesteuerter Oszillator ist von der Firma Intersil
unter der Bezeichnung ICL 8038 erhältlich. Ein geeigneter Phasenkomperator ist von
der Firma National Semiconductors unter der Bezeichnung LM 1496 erhältlich.
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Die Referenzwechselspannung Ur wird in einer Gleichrichterschaltung,
beispielsweise einer Graetz-Brücke, gleichgerichtet und über eine Abgleicheinrichtung
mit. einem Potentiometer 47 und einem Grundwiderstand 48 geführt. Der Abgriff des
Potentiometers 47 ist mit einem Vergleichsglied verbunden, das in der bereits zu
F i g. la beschriebenen Weise als Differenzverstärker beschaltet ist. Dem Vergleichsglied
ist ein Grenzwertmelder nachgeschaltet Die Istwertwechselspannung Ua wird dem Vergleichsglied
über eine Gleichrichterschaltung 41, beispielsweise ebenfalls eine Graetz-Brücke,
und ein Siebglied 43 zugeführt Das Siebglied 43 enthält die Widerstände 44 und 46
sowie einen Kondensator 45, der gegen Masse geschaltet ist.
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Die Zeitkonstante des Siebgliedes ist sehr klein gegen die Periodendauer
der zu überwachenden Wechselspannung gewählt. Die Zeitkonstante des Siebgliedes
kann bei einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz beispielsweise 0,5 msec betragen.
Die Zeitkonstante des Siebgliedes ist somit wesentlich geringer als die Glättungszeitkonstante
der eingangs erwähnten üblichen Istwertglättung, die bekanntlich bereits für die
doppelte Betriebsfrequenz eine hohe Dämpfung aufweisen. Die Zeitkonstante des Siebgliedes
ist so klein gewählt, daß lediglich Störspannungsspitzen unterdrückt werden, jedoch
die Kurvenform der Grundwelle in der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung
41 nicht beeinflußt wird. Durch das Siebglied 43 sollen lediglich solche Störspannungsspitzen
unterdrückt werden, deren Auswertung im betreffenden Anwendungsfall nicht interessiert
Gegebenenfalls kann bei einem derartigen Siebglied auf den Kondensator 45 verzichtet
werden. Ebenso können als Siebglieder auch komplexe Filter eingesetzt werden, beispielsweise
zur Unterdrükkung
von bestimmten Oberwellen der Istwertwechselspannung.
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F i g. 4b zeigt den Verlauf der Istwertwechselspannung Ua, der Ausgangsspannung
Un des Phasendrehgliedes 40, der rechteckförmigen Ausgangsspannung Uk, der dreiecksförmigen
Ausgangsspannung Up und der sinusförmigen Ausgangsspannung Ur des spannungsgesteuerten
Oszillators VCO'. Man erkennt, daß die sinusförmige Ausgangsspannung Ur des spannungsgesteuerten
Oszillators VCO'mit der Istwertwechselspannung Ua in Phase liegt. Durch das Phasendrehglied
40 wird die Phasenverschiebung kompensiert, die zwischen der auf den Referenzeingang
des Phasendiskriminators PD'rückgekoppelten rechteckförmigen Ausgangsspannung Uk
des spannungsgesteuerten Oszillators VCO' und seiner sinusförmigen Ausgangsspannung
Urbesteht Fig.5 zeigt die Anwendung des Erfindungsgedankens für die schnelle Regelung
einer Einrichtung zur Erzeugung einer Wechselgröße. Ein Wechselrichter 51 als Einrichtung
zur Erzeugung einer Wechselspannung ist über einen Transformator 52 mit einem Verbraucher
53 verbunden. Der Wechselrichter 51 ist eingangsseitig an eine Gleichspannungsquelle
54 angeschlossen, die mit dem Symbol einer Batterie dargestellt ist. Als Gleichspannungsquelle
kann jedoch auch eine Gleichspannungsschiene und insbesondere ein gesteuerter oder
ungesteuerter Gleichrichter vorgesehen sein, der ausgangsseitig über einen Zwischenkreis
mit dem Wechselrichter verbunden ist. Die Anordnung eines Gleichrichters, eines
Zwischenkreises und eines Wechselrichters stellt einen Umrichter dar. Dem Wechselrichter
51 ist ein Steuersatz 55 mit einem internen Frequenznormal zugeordnet, der die Zündimpulse
für die gesteuerten Ventile, insbesondere Thyristoren, des Wechselrichters 51 erzeugt,
vorzugsweise nach einem Pulsbreitenmodulationsverfahren. Der Steuerwinkel der Zündimpulse
und die hiervon abhängige Amplitude der Verbraucherspannung wird durch die dem Steuersatz
55 am Steuerspannungseingang 58 zugeführte Ausgangsspannung eines Spannungsreglers
56 bestimmt, dessen Führungsgrößenkanal 56a und dessen Regelgrößenkanal 56b mit
einer Schaltungsanordnung 57 verbunden sind. Die Schaltungsanordnung 57 ist eingangsseitig
mit einem Spannungsmeßwandler 2 zur Erfassung der Istwertwechselspannung verbunden,
welche die Verbraucherspannung abbildet F i g. 6 zeigt den Aufbau der Schaltungsanordnung
57 und ihr Zusammenwirken mit dem Spannungsregler 56.
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Die Istwertwechselspannung vom Spannungsmeßwandler 2 wird über eine
Gleichrichterschaltung 60 dem Regelgrößenkanal 56b des Spannungsreglers 56 zugeführt.
In diesem Kanal kann auch ein Siebglied 63 angeordnet sein, wie es bereits im Zusammenhang
mit F i g. 4a beschrieben wurde. Die Istwertwechselspannung wird weiterhin einem
Phasenregelkreis PLL zugeführt Die Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators
des Phasenregelkreises PLL wird über eine weitere Gleichrichterschaltung 59 und
einen Multiplikator 61 dem Führungsgrößenkanal 56a des Spannungsreglers 56 zugeführt
Der zweite Eingang des Multiplikators 61 ist mit einer Steuerspannung von einem
Block 62 beaufschlagt Der Block 62 kann im einfachsten Falle ein Einstellpotentiometer
enthalten, das an einer Gleichspannung liegt Der Block 62 kann jedoch insbesondere
auch eine übergeordnete Steuereinrichtung oder eine übergeordnete Regelung darstellen.
Die Amplitude der Referenzwechselspannung kann somit durch eine Steuerspannung elektronisch
verändert werden, die von einem übergeordneten Steuer-oder Regelkreis erzeugt wird.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Regelung
ergibt sich bei der Spannungsregelung von Pulswechselrichtern. Ein Pulswechselrichter
stellt ein sehr schnelles Spannungsstellglied dar, dessen Ausgangsspannung innerhalb
einer Halbwelle noch geändert werden kann. Diese schnelle Spannungsstellung kann
jedoch mit bisher üblichen Spannungsregelungen nicht voll ausgenutzt werden. Mit
einer nach dem Erfindungsgedanken aufgebauten Regelanordnung in der Steuereinrichtung
eines Pulswechselrichters ist es dagegen möglich, eine äußerst schnelle Spannungsstellung
zu realisieren.
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Die Erfindung wurde bisher nur in ihrer Anwendung auf sinusförmige
Wechselgrößen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt Vielmehr
können auch Wechselgrößen überwacht bzw. geregelt werden, die eine andere Kurvenform
aufweisen, beispielsweise rechteckförmige, dreieckförmige oder trapezförmige Wechselgrößen.
Erforderlich ist lediglich, daß der spannungsgesteuerte Oszillator des Phasenregelkreises
eine Spannung mit gleichartigem Verlauf erzeugt, die mit der Istwertwechselspannung
in Phase liegt bzw. daß aus der Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators
eine derartige Spannung abgeleitet werden kann.