DE3027354A1

DE3027354A1 - Automatische vorrichtung zum synchronisieren einer maschine mit einem elektrischen netz

Info

Publication number: DE3027354A1
Application number: DE19803027354
Authority: DE
Inventors: Stanislaw Henryk Bednarski; Ronald John Kleba
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-07-19
Filing date: 1980-07-18
Publication date: 1981-02-12
Also published as: NO802164L; US4249088A; GB2055262B; GB2055262A; FR2462044B1; FR2462044A1; JPS5635639A; NL8004066A; IT8023436A0; IT1131570B

Description

Automatische Vorrichtung zum Synchronisieren einer Maschine mit einem elektrischen Netz'

Die Erfindung bezieht sich auf Synchronisierschaltungen zum Synchronisieren eines elektrischen Generators mit einem elektrischen Stromnetz derart daß der Generator unter bestmöglicher Übereinstimmung der Phasen und Frequenzen des Generators und der Leitung an das Stromnetz anschließbar ist.

Es ist bekannt, daß sehr große Energieübertragungen zwischen einem elektrischen Leitungsnetz und einem Generator auftreten können, wenn die Phasen und die Frequenzen eines Generators und einer Kraftstromleitung beim Schließen eines Unterbrechers nicht gut übereinstimmen. Durch den entstehenden hohen Strom können Beschädigungen der Statorwicklungen des Generators auftreten. Darüber hinaus kann das auf die Generatorwelle einwirkende begleitende Übergangsdrehmoment Werte bis

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zum 20—fachen des Eemessungsdrehmoiiients erreichen, wodurch Beschädigungen oder ein Ausfall der Welle hervorgerufen werden können. Daher ist es notwendig, daß der Generator und die Leitung synchronisiert sind, bevor der Generator an die Leitung angeschlossen wird, und daß. die Synchronisiervorrichtung äußerst genau und schnell ist«

IQ Das vorstehend genannte Problem ist bekannt und zum Beispiel in der US-ES 3 SQT 796 beschrieben. Die in dieser· Patentschrift beschriebene Synchronisiervorrichtung erfaßt Unterschiede in der Frequenz und der Ehase einer Leitung und eines an. diese anzuschließen-

]5 den Starkstramgenerators und erzeugt Steuersignale zum. Verändern der Geschwindigkeit des Starkstromgeneratorsr bis die Frequenz und die Phase innerhalb bestimmter Taleranzgrenzerc liegen« Daraufhin wird ein Steuersignal erzeugt _r aufgrund, dessen die Verbindung des StarfcstronvgeneratQrs mit der betriebenen Starkstromleitung; erfolgt.. Diese Anordnung arbeitet sehr gut, stellt aber: nicht durchgängig sicher, daß der Ehasenunterschied zwischen der Leitungsspannung und der Generatorspannung im Homent des Schließens des Unterbrechers zum. Verbinden des Generators mit der Starkstromleitung⁷ sehr gering ist, vorzugsweise geringer als ungefähr- 1Ώ Grad (elektrisch) .=

Ein. weiteres Verfahren, zum Synchronisieren eines Generators mit einem. Starkstromnetz ist aus der US-ES 3 89Z 978 bekannte Diese Patentschrift offenbart ein© Steuervorrichtung/ zum Synchronisieren eines gasturbinengetriebenen- GeneratarH mit einer äuleren Netzleitungv bei dem zum Erzielen einer Synchronisier rungr die Brennstoffzuführung zum Generator ge»teuert

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wird. Die Vorrichtung bestimmt den Verlauf der Turbinengeschwindigkeit und der Winkellage, so daß eine für die Synchronisierung erforderliche gleiche Geschwindigkeit und eine zulässige Phasenwxnkeldifferenz gleichzeitig erzielbar sind. Die Vorrichtung gemäß der vorstehend genannten Patentschrift stellt jedoch nicht sicher, daß die Phasendifferenz zwischen der Leitungsspannung und der Generatorspannung im Moment des IQ Schließens des Unterbrechers sehr klein und vorzugsweise geringer als ungefähr 10 Grad (elektrisch) ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Synchronisieren einer Kraftmaschine mit einem Stromnetz zu schaffen, mit der im Moment des Schließens eines Unterbrechers sehr geringe Phasenunterschiede erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Steuervorrichtung geschaffen, bei der die Phasendifferenz zwischen der Leitungsspannung und der Generatorspannung außergewöhnlich klein und vorzugsweise geringer als ungefähr 10 Grad (elektrisch) ist. Im Moment des Schließens liegt die Generatorfrequenz nahe bei der Stromleitungsfrequenz und ist vorzugsweise geringfügig höher als diese. Hierbei wird die mechanische Trägheit des zum elektrischen Verbinden des Leistungsgenerators mit der Stromleitung verwendeten Stromkreisunterbrechers und die in der Größenordnung von 0,1 Sekunden liegende Verzögerung zwischen einem Schließbefehl und der tatsächlichen Verbindung des Generators mit der Stromleitung berücksichtigt. Die erfindungsgemäße Synchronisier-

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vorrichtung oder -schaltung bestimmt daher zuverlässig im voraus den zu einem in der Zukunft liegenden Zeitpunkt auftretenden Phasenunterschied und Schlupf zwisehen der Generator- und der Leitungsspannung, wobei der Zeitpunkt mit einer beim Schließen eines Schaltungsunterbrechers auftretenden Verzögerungszeit, zwischen dem Schließbefehl und dem tatsächlichen Schließen der Kontakte, d.h. des Verbundenseins des Generators mit der Leitung, auftretenden Verzögerungszeit im Zusammenhang steht. Dazu werden die Phase der Leistungsbzw. Starkstromgeneratorspannung und die Phase der Stromleitungsspannung sehr genau gemessen, so daß soviele Ableitungen wie möglich von diesen mit hoher Genauigkeit berechenbar sind. Die Synchronisiervorrichtung erzeugt dabei Signale in Abhängigkeit von der Phasendifferenz und der Veränderungsgeschwindigkeit der Phasendifferenz zwischen der Stromleitungsspannung und der Generatorspannung und das Verlaufsverhalten der Phase bzw. des Phasenunterschieds und des Schlupfes werden um das Zeitintervall, das der Unterbrecher zum Schließen benötigt, in die Zukunft extrapoliert. Ein Steuerbefehl zum Schließen des Unterbrechers wird dann gegeben, wenn die folgenden drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:

1) die momentane Phase und der momentane Schlupf liegen innerhalb zulässiger vorbestimmter

Grenzen;
30

2) die bzw. der zum Zeitpunkt des Schließens des Unterbrechers zu erwartende Phase bzw. Schlupf liegen innerhalb vorgegebener Grenzen;

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3) die Phase und der Schlupf zum Zeitpunkt des Schließens des Unterbrechers sind optimal für einen gegebenen Verlauf; d.h., wenn dem Phasen-

und dem Schlupfverlauf zu entnehmen ist, daß sie bei einem gegebenen übergang ihren bestmöglichen Werten am nächsten kommen.

Die Synchronisierschaltung gibt zum Erhöhen oder zum Absenken der Generatorgeschwindigkeit über Geschwindigkeitsanpassungsausgänge ein Signal ab, wenn festgestellt wird, daß der Schlupf unterhalb bzw. oberhalb einer vorgegebenen eingestellten unteren bzw. oberen Grenze liegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
20

Fig. 1 zeigt in Blockdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Synchronisierschaltung.

Fig. 2 zeigt eine gemessene Generatorspannung und eine gemessene Leitungsspannung nach der Umwandlung in Rechteckspannungen als Funktion der Zeit.

Fig. 3 zeigt als Auszeichnung einen zulässigen Schließbereich in einer durch einen Phasenunterschied und ^ou einen Schlupf aufgespannten Phasenebene, der zwei von der Phase und dem Schlupf abhängige besondere Verlaufskurven überlagert sind.

Fig. 4 zeigt einen Zeitverlauf eines Optimierungs-

indexes I in Verbindung mit der in Fig. 3 dargestellten

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Auszeichnung.

Fig. 5 zeigt schematisch Linienzüge des Optimierungsindexes bzw. einer Konstanten I für spezielle Synchronisieranforderungen.

Fig. 6 zeigt ein detailliertes Schaltbild einer Synchronisierschaltung.

Fig. 7 zeigt als Blockdarstellung ein Ausführungsbeispiel· einer Synchronisiervorrichtung.

Eine in Fig. 1 schematisch gezeigte Synchronisierschaltung enthält einen mit einer Netz Sammelleitung verbundenen Eingangsanschluß 10 und einen mit einer Generatorsammelleitung verbundenen Eingangsanschluß Eine an dem Eingangsanschluß 10 auftretende Spannung liegt an einer geeigneten Detektorschaltung

12 zum Ermitteln eines in positiver bzw. ansteigender Richtung verlaufenden Nulldurchgangs an, die ein in Fig. 2 als "Leitungsspannung V_r nach der Umwandlung in eine Rechteckspannung¹¹ gezeigtes rechteckiges Ausgangssignal erzeugt. In ähnlicher Weise ist der

Eingangsanschluß 11 mit einer Detektorschaltung 13 zum Ermitteln eines in positiver Richtung verlaufenden Nulldurchgangs verbunden, die ein in Fig. 2 als "Generatorspannung V nach der Umwandlung in eine

g
Rechteckspannung" gezeigtes rechteckiges Ausgangssignal erzeugt.

Die beiden Signale V und V_T enthalten jeweils In-

g ii

formationen bezüglich der Phase der Generatorspannung bzw. der Leitungsspannung und liegen an einem geeig-

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neten Mikrocomputer 14, zum Beispiel dem Mikrocomputer 8748 von Intel, an. Der Mikrocomputer 14 verarbeitet in angemessener Weise die Eingangssignale V₁. und V ,

L g

^ wie nachstehend beschrieben ist. Der Mikrocomputer 14 ist mit einer Zeitgeberschaltung 15, zum Beispiel dem Zeitgeber 8253 von Intel, verbunden. Die Schaltung gemäß Fig. 1 enthält weiterhin drei Eingangsanschlüsse 20, 21 und 22, über die in entsprechender Reihenfolge

IQ Signale in Abhängigkeit von einem Beginn/Ende-Zustand bwz.-Signal der Synchronisierschaltung, ein "Unterbrecher geschlossen" -Signal und ein eine Spannungsübereinstimmung anzeigendes Signal empfangen werden. Diese Eingangsanschlüsse sind mit einem geeigneten Eingangspuffer 23 verbunden, der wiederum zum Einspeisen von Daten bezüglich Beginn- oder Beendigungsbefehlen, einem "Unterbrecher geschlossen" -Signal und einem Spannungsübereinstimmungssignal in den Mikrocomputer 14 mit diesem verbunden ist.

Der Mikrocomputer 14 ist weiterhin mit einem Ausgangspuffer 30 verbunden, der drei Ausgangsanschlüsse 31, 32 und 33 aufweist. Der Äusgangsanschluß 31 ist mit einer (nicht gezeigten) Generatorgeschwindigkeit-Steuerschaltung verbunden und bewirkt eine Abnahme der Generatorgeschwindigkeit und damit der Generatorfrequenz. Am Ausgangsanschluß 32 entsteht dann ein Ausgangssignal, wenn es erforderlich ist, die Geschwindigkeit des Generators zu erhöhen, um damit seine Frequenz auf einen vorgegebenen Synchronisierpegel anzuheben, über den Ausgangsanschluß 33 wird zu dem Zeitpunkt ein Signal abgegeben, wenn aufgrund des Erreichens der erforderlichen Synchronisierbedingungen ein Schließen des Schaltungsunterbrechers eingeleitet werden soll. Der Ausgangspuffer 30 ist,

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wie gezeigt, weiterhin mit einem geeigneten äußeren Nachrichtenverbindungsglied 34 versehen.

Die Funktionsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 ist im folgenden beschrieben und mittels geeigneter Programmierung des Mikrocomputers erzielbar:

Die Synchronisierschaltung wird mit zwei periodischen Signalen gespeist, d.h. der Generatorspannung V (t) und der Leitungsspannung V_T (t). Die Detektorschaltungen 12 und 13 erzeugen Rechteckwellensignale, die für die Generatorspannung zu den Zeitpunkten t' , t ., t „,.·. t . und für die Leitungsspannung zu den Zeitpunkten t , t_T1, t_r„,...t . ansteigen. Zu diesen Zeitpunkten gehen die Generatorspannung V und die Leitungsspannung V_T jeweils durch Null und wechseln ihr Vorzeichen von minus auf plus. Zu diesen Zeitpunkten werden Unterbrechungssignale an den Mikrocomputer 14 angelegt und können ihn beispielsweise zum Ablesen des Zustands eines Impulszählers veranlassen, der von einem _t(nicht gezeigten) Kristalloszillator mit hoher Auflösung bzw. Frequenz angesteuert wird. Der Unterschied der Ableseergebnisse ist proportional der Zeit:

^ai - V - ^i ⁽¹⁾

Das Zeitintervall a. ist ein Maß für die Phasendifferenz

zwischen V₁. (t) und V (t) . Dabei ist festzuhalten, daß L g

das Maß der Veränderung von a. ein Maß für den Schlupf darstellt.

Der Wert von a. wird einmal je Periode berechnet, und zwar unmittelbar nach der Unterbrechung durch die Spannung, die nicht führend ist. Ein Spannungsübergang von V₁. wird dabei als führend bezeichnet, wenn die

Ij

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letzte Unterbrechung bzw. das letzte Unterbrechungssignal von V der Unterbrechung von V_T um mehr als g Ii

c eine halbe Periode eines 60 Hz-Signals vorangeht. Zum Beispiel ist in Fig. 2 zum Zeitpunkt t „ die Spannung

V_T führend, und zum Zeitpunkt t ,_ nicht führend. Damit Ij gu

hat zwischen den Zeitpunkten t _ und t_T _ die Führung eindeutig gewechselt. Die Berechnung der Synchronisier-IQ parameter erfolgt auf die Berechnung von a., womit sichergestellt ist, daß während der folgenden Halbwelle, d.h. also für mehr als 8 ms bei einem 60 Hz-System, keine Unterbrechungen auftreten.

•ic Wechselt die Führung, bzw. die führende Flanke, so wechselt das Vorzeichen des Wertes von "a", wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Damit das geschieht, müssen zwei aufeinanderfolgende Unterbrechungen bzw. Unterbrechungssinale von derselben Quelle kommen. Der Mikro-

2Q computer 14 ist in geeigneter Weise zum Ermitteln dieses Vorgangs programmiert, indem die Anzahl von Durchläufen über zu einer gegebenen Unterbrechung gehörenden Abzweigungen gezählt werden. Die Führung wechselt ebenfalls, wenn die Phasendifferenz "a." eine halbe Periode übersteigt. Der Mikrocomputer 14 führt den Vergleich durch und schaltet die Führung um, wenn dies angemessen ist.

Zum Bestimmen des jeweiligen Wertes der Phase A. wird der algebraische Mittelwert der letzten vier aufeinanderfolgenden Werte von "a" berechnet. Die algebraische Mittelwertsberechnung wird verwendet, da beim Ablesen von "a" auftretende Fehler die Tendenz haben, sich in aufeinanderfolgenden Zyklen bzw. Perioden zu kompensieren. Damit wird der Einfluß von Rauschen mit einer

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Frequenz von mehr als 30 Hz um mindestens 75 % reduziert.

Hat die Führung gewechselt, weil die Phasendifferenz über eine halbe Periode hinausgewachsen ist, so werden die bisherigen Werte von "a" gelöscht und es muß ein Satz von vier neuen Werten gespeichert bzw. angehäuft werden, bevor der neue Wert von A berechnet wird. Der Wert von A wird daher einmal in einer Periode auf den neuesten Stand gebracht, bis die Phase wiederum 180° durchläuft.

Der Schlupf (S.) wird als über vier aufeinanderfolgende Zyklen gemittelter Wechsel der durchschnittlichen Phase "A" berechnet:

S₁ = _ ₍₂₎

Aufgrund der arithmetischen Mittelwertsbildung sind alle hochfrequenten Fehler oder Störungen beseitigt oder erheblich reduziert.

Die Veränderungsgeschwindigkeit (D) des Schlupfes wird in analoger Weise als eine über vier aufeinanderfolgen de Zyklen gemittelte Veränderung des Schlupfes S berechnet :

on S . - S . .

D₁ = -i i=i (3)

Die Geschwindigkeitsanpassungsfunktion wird erzielt, indem der Schlupf S mit zwei vorgegebenen Grenzen, d.h.

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einer unteren Grenze D_T und einer oberen Grenze D, ,

L η

verglichen wird. Ist S kleiner als D , so wird über den in Fig. 1 dargestellten Ausgangsanschluß 32 ein c Steuerbefehl zum Anheben der Geschwindigkeit des Generators ausgegeben. In ähnlicher Weise wird über den in Fig. 1 dargestellten Ausgangsanschluß 31 ein Steuerbefehl zum Absenken der Generatorgeschwindigkeit ausgegeben, wenn S D, übersteigt. Liegt S zwischen D₁.

η Jj

IQ und D, , so wird über keinen der beiden Ausgangsanschlüsse 31 und 32 ein Steuerbefehl ausgegeben.

Beim Synchronisiervorgang ist es vorteilhafter, die Werte der Phase und des Schlupfes zum Zeitpunkt des Schließens des Unterbrechers, d.h. wenn die elektrische Verbindung hergestellt wird, anstelle ihrer Momentanwerte für den Steuervorgang zu verwenden. In Abhängigkeit von der mechanischen Trägheit eines Unterbrechers und anderer Faktoren verändert sich eine Schaltungsunterbrecher-SchließzeitT mit der Unterbrecherausführung. Die zum Zeitpunkt des Schließens des Unterbrechers zu erwartenden Werte der Phase und des Schlupfes A (T¹) und S (X) sind aus den Momentanwerten der Phase und des Schlupfes A und S mit Hilfe einer Taylor-Reihenentwicklung berechenbar:

S (T) = S + OZ (4)

A (T) = A + St+ D — (5)

Mit A* und S* sind die erstrebenswertesten, optimalen Werte von A (Z) und S (~) bezeichnet. Gewöhnlich besitzt S* einen kleinen positiven Wert in der Größenordnung von 0,002, womit sichergestellt ist, daß eine

Antriebs- oder Kraftmaschine nach dem Schließen des 35

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Unterbrechers Leistung in die Stromleitung abgibt, anstatt aus der Stromleitung gespeist zu werden. Der

Wert von A* beträgt normalerweise Null. Es ist ein 5

Maß für die "Güte" eines Synchronisiervorgangs, wie nahe die Parameter A und S bei ihren optimalen Werten A* und S* liegen. Ein Optimierungsindex I (A, S) ist definiert als:

ι (A,s) = Ia-A*! + κ |s-s* (6)

wobei mit der Konstanten "A" die relative Bedeutung bzw. der relative Einfluß von A und S gewichtet wird. Je kleiner der Wert I (T) zum Zeitpunkt des Schließens des Unterbrechers ist, desto besser ist die Synchronisation, zwischen dem Generator und der Leitung.

Während der Synchronisierung verändern sich die Werte von A und S mit der Zeit; sie können als Zustandsvariable betrachtet werden und einen Verlauf in einer Phasenebene aufweisen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Zwei Verlaufskurven T. (t) und T„ (t) sind in Fig. 3 dargestellt. Linien mit I= constant haben in der Phasenebene (A,S) ein diamantähnliches Aussehen.

Es soll angenommen werden, daß der Verlaufskurve T„ (t) gemäß Fig. 3 gefolgt wird und daß die Synchronisierschaltung über den Ausgangsanschluß 33 gemäß Fig. 1

2Q ein "Unterbrecher-Schließbefehl"-Signal abgibt, wenn

der Wert von I (t) unter einem gegebenen Wert I , d.h. in den schraffierten Bereich in Fig. 3, absinkt. Der Unterbrecher würde damit zu dem Zeitpunkt, an dem die Verlaufskurve den Punkt t_Q erreicht, einen Schließbe-

gr fehl erhalten und das tatsächliche Schließen würde

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nach den ZeitintervallTzum Zeitpunkt t. erfolgen, wobei t₁ = t₀ + T beträgt.

β Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß es besser gewesen wäre, wenn die Synchronisierschaltung den Steuerbefehl erst zum Zeitpunkt t„ abgegeben hätte, der um das Zeitintervall 2" vor dem Zeitpunkt t* liegt, an dem der Optimierungsindex I das Minimum der gesamten Verlaufskurve T_? (t) erreicht. Der Zeitpunkt t„ ist der beste Zeitpunkt zum Abgeben eines Schließbefehls an den Unterbrecher, da t* der beste Zeitpunkt zum Herstellen der elektrischen Verbindung ist.

Die Bestimmung des besten bzw. geeignetsten Zeitpunkts t₂ zum Einleiten bzw. Abgeben des Unterbrecherschließbefehls ist anhand von Fig. 4 verständlich. Der Computer ist zum Bestimmen des Zeitpunktes t„ so programmiert, daß er den Wert I (t+T) berechnet, der den zu erwartenden Wert des Optimierungsindexes I (t) zu einem um T Sekunden in der Zukunft liegenden Zeitpunkt entspricht. Solange I (t+T) beständig abnimmt (von t-. bis t* in Fig. 4), wird kein Befehl zum Schließen des Unterbrechers abgegeben. Sobals aber I (t+T) anzusteigen beginnt, wird an den Unterbrecher ein Schließbefehl abgegeben und das tatsächliche Schließen erfolgt T Sekunden später, vorzugsweise zum Zeitpunkt t*, wenn I (t) ein lokales Minimum erreicht. Für das Durchführen einer Synchronisation bzw. eines Zuschaltens ist es jedoch nicht ausreichend, daß die Funktion I (t+'f ) ein Minimum zum Zeitpunkt t=t„ erreicht. Es muß auch der Wert des Optimierungsindexes zum Zeitpunkt des Schließens I (t*) klein genug sein und unter einer gegebenen Konstante bzw. Schwelle B„ liegen.

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Da A (t*) und S (t*) gemäß den Gleichungen (4) und (5) über mehrere Differentiationsschritte berechnet werden, unterliegen sie Fehlereinflüssen. Zum Sicher- ^ stellen, daß der unterbrecher nicht aufgrund solcher Fehler außerhalb der Phase bzw. in einem ungünstigen Augenblick schließt, muß auch der Wert von I zum Zeitpunkt t„ klein genug und kleiner als eine vorgegebene Konstante bzw. Schwelle B₁ sein. Darüber hinaus ist es als Schutz gegen Fehler, die von einer Verformung bzw. Verzerrung einer einzigen Periode einer sinusförmigen Spannung herrühren, weiterhin erforderlich, daß der eine Periode vor t„ auftretende Wert von I kleiner als B₁ ist. Daher müssen, damit zum Zeitpunkt

t~ ein Schließbefehl an den Unterbrecher abgegeben wird, die folgenden vier Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein:

1) I (t₂) ^ B₁
2) I (t₂ -AtIiB₁

wobei zum Beispiel £> t -=i17ms eine Periode eines 60 Hz-Signals ist.

3) I (t₂ + Τ )^B₂

4) d2LJt_i£l| =0

^dt t=t

t t₂

Es ist nicht notwenig, daß der Optimierungsindex I gemäß Gleichung (6) formuliert wird. Bei einer her-3Q kömmlichen Darstellung bilden die Linien mit I= constant Rechtecke, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, und der Ausdruck für I ist:

I (A,S) = Max ( 35

S-S* ,KA-A*

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Bei einem gewöhnlichen Erfordernis für eine Synchronisierung liegt die Phase A zwischen (-15 ) und +15 und der Schlupf S zwischen (-0,1%) und +0,3%. Für solch einen Fall betragen:

S* = 0,001,
A* = 0 und
K = 2,88.

Die Linien mit I=constant sind in Fig. 5 dargestellt. Die fettgedruckte Linie umgibt den erlaubten Bereich.

Fig. 6 zeigt ein detailliertes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Synchronisier- und Geschwindigkeitsanpassungsschaltung. Eine Anordnung gemäß Fig. 6 wurde zum Synchronisieren eines gasturbinengetriebenen Starkstromgenerators mit einer mit 60 Hz betreibbaren

_ Starkstromleitung verwendet. Die Starkstromleitung ist in gezeigter Weise über zwei Anschlüsse 50 und 51 mit einem Signaltransformator 52 verbunden. In ähnlicher Weise ist der Generatorspannungsausgang über 2 Anschlüsse 53 und 54 mit einem Transformator 55 verbun-

„_ς den, wobei die Aufnahmeschaltungen für die Leitungsspannung und die Generatorspannung identisch sind.

Ein Anschluß der mittelangezapften Sekundärwicklung des Transformators 52 ist mit einem Eingangsanschluß eines

2Q Verstärkers 60, ein weiterer Anschluß der Sekundärwicklung mit einem Eingang eines Verstärkers 61 verbunden. Man beachte, daß die Verstärker 60 und 61 jeweils 1/4 einer integrierten Schaltung vom Typ LM339 darstellen können. Der jeweils andere Eingangsanschluß jedes Verstärkers 60 bzw. 61 ist mit Masse und ihre Ausgänge

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sind mit einem ODER-Glied 62 verbunden.

Mittels des vorstehenden Schaltkreises wird die in Fig. 2 gezeigte Leitungsspannung V_T nach der Umwandlung

in eine Rechteckspannung"erzeugt. Ein identischer Schalt-

u
kreis ist zum Erzeugen der Generatorspannung V nach der Umwandlung in eine Rechteckspannung vorgesehen und dieser ist mit der Sekundärwicklung des Transformators 55 verbunden. Dieser Schaltkreis enthält Verstärkerbereiche 70 und 71, die jeweils 1/4 des mit den Verstärkern 60 und 61 gemeinsamen integrierten Schaltkreises LM339 darstellen. Die Ausgänge der Verstärkerbereiche 70 und 71 sind mit einem ODER-Glied 72 verbunden.

Die ODER-Glieder 62 und 72 können jeweils 1/4 einer Schaltung eines integrierten Schaltkreises vom Typ 74LS32 darstellen bzw. belegen.

Die Ausgänge der ODER-Glieder 62 und 72 sind mit einem Mikrocomputer 80 verbunden, der vom Typ Mikrocomputer 8748, hergestellt von der Intel Corporation, sein kann.

Mit dem Mikrocomputer 80 sind weiterhin Anschlüsse 81 bis 84 verbunden, über die Signale bezüglich des Startens oder Beginnens des Betriebs der Synchronisierschaltung, ein Synchronisierlöschsignal, ein Spannungsübereinstimmungssignal und ein "Unterbrecher geschlossen"-Signal empfangbar sind. Alle diese Signale gelangen in entsprechender Reihenfolge über Invertierer 85 bis 88 an den Mikrocomputer 80. Darüber hinaus ist mit dem Mikrocomputer 80 ein Spannungsversorgungseingang P5 und ein Rücksetzeingang 90 verbunden. Ein 6 MHz-Kristallschwinger 91 ist mit dem Mikrocomputer 80 in gezeigter Weise verbunden.

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Ein Zeitgeber 92 für den Mikrocomputer 80 enthält einen IC-Zeitgeber des Typs 8253, hergestellt von Intel Corporation. Der Zeitgeber 92 ist mit dem Mikrocomputer 80 in gezeigter Weise verbunden.

Ein Taktxmpulsausgangsanschluß des Zeitgebers 92 ist mit einem Invertierer 100, dem Mikrocomputer 80 und einem Ausgangsanschluß 101 verbunden. Anschlüsse

P. , P₁₁ und P_1? des Mikrocomputers 80 sind in entsprechender Reihenfolge mit Invertierern 102, 103 und 104 und deren Ausgänge wiederum in entsprechender Reihenfolge mit Anschlüssen 105, 106 und 107 verbunden, die entsprechender Reihenfolge einem "Absenken der Generatorgeschwindigkeit", "Anheben der Generatorgeschwindigkeit" und einem "Synchronisierung" darstellenden Signal entsprechen. Ein Ausgang T_ des Mikrocomputers 80 ist mit dem Invertierer 100 verbunden.

Ein weiterer Ausgang des Zeitgebers 92 ist mit einem ODER-Glied 110 verbunden, das 1/4 der die ODER-Glieder 62 und 72 enthaltenden integrierten Schaltung belegen kann. Der Ausgang des ODER-Glieds 110 ist mit einem "Baud-Rate" -Ausgangsanschluß 111 verbunden. Es können auch weitere Chips,zum Beispiel Interface-Chips, Speicherchips und ähnliche in jeder gewünschten Weise mit dem Mikrocomputer 80 verbunden werden, wie es den Anforderungen der Programmierung und des Schaltungsentwurfs dienlich ist. Der Mikrocomputer 80 und der Zeit-

^ov geber 92 werden dann in geeigneter Weise programmiert, um die vorstehend beschriebenen Berechnungen durchführen zu können. Dabei können auch unterschiedliche Programme zum Durchführen der beschriebenen Berechnungen

verwendet werden.
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Vorstehend ist die Ausführung einer Synchronisiervorrichtung in Mikroprozessortechnik beschrieben. Jedoch können auch andere Meß- und Signalverarbeitungsschaltungen verwendet werden, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. In Fig. 7 ist eine Einphasen-Netzleitung 200, die von anderen, nicht gezeigten Kraftmaschinen gespeist wird, und ein Generatot 201 dargestellt, der mit der Netzleitung 200 verbunden ist. Man beachte, daß es sich dabei auch ohne weiteres um eine Mehrphasen-Schaltung handeln könnte. Der Generator 201 wird durch das Schließen eines herkömmlichen Schaltungs- bzw. Stromkreisunterbrechers 202 mit der Netzleitung 200 verbunden.

Der Stromkreisunterbrecher oder Trenner 202 ist über eine herkömmliche Betätigungsvorrichtung 203 steuerbar, die wiederum aufgrund eines Schaltsignals einer Schaltung 204 das Schließen des Unterbrechers 202 auslöst. Dabei verstreicht zwischen dem Zeitpunkt,, zu dem das Schaltsignal erzeugt wird, und dem Geschlossensein der Kontakte eine Verzögerungszeit IT .

Phasenmeßschaltungen 205 und 206 sind in entsprechender Reihenfolge mit dem Generator 201 und der Netzleitung 200 verbunden und geben Ausgangssignale an eine Schlupf-Meßeinrichtung, zum Beispiel eine Schaltung 207, ab. Die Schlupf-Meßschaltung 207 kann als analoge Schaltung ausgeführt sein und gibt Ausgangssignale an den Generator 201 zur Erhöhung oder Erniedrigung seiner Geschwindigkeit ab, bis der gemessene Schlupf innerhalb vorgegebener Grenzen liegt.

Die Schlupf-Meßschaltung 207 ist weiterhin mit einer Schaltung 208 verbunden, die ein von der Veränderungsgeschwindigkeit des momentanen Schlupfes abhängiges

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Signal entsprechend dem zum Zeitpunkt Τ'in der Zukunft auftretenden vorwegberechneten Schlupf erzeugt. Die Schaltung 207 ist auch mit einer Phasen- und Schlupfverlauf-Meßschaltung 209 verbunden, die deren Verlauf bestimmt und ein Ausgangssignal erzeugt, wenn deren Verlauf ein Optimum erreicht. Man beachte, daß die Schaltungen 207, 208 und 209 analog ausgeführt sein können, oder daß ihre Funktionen mittels eines Mikrocomputers durchführbar sind, wie in den Fig. 1 und 6 gezeigt.

Die Schaltungen 207, 208 und 209 steuern den Schaltsignal-Generator 207 in solch einer Weise, daß kein Schaltsignal an die Vorrichtung 203 abgebbar ist, wenn ihre Ausgänge bzw. Ausgangssignale nicht innerhalb vorgegebener Grenzen liegen.

Aus dem Vorstehenden ist zu entnehmen, daß eine Steuerschaltung zum Synchronisieren einer Kraftmaschine oder eines elektrischen Generators mit einem elektrischen Netz oder einer Leitung beschrieben wird, wobei die Verbindung zwischen der Kraftmaschine und dem Netz durchgeführt wird, wenn die nachstehend aufgeführten drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:

1) Die momentane Phase und der momentane Schlupf liegen innerhalb zulässiger vorbestimmter Grenzen,

2) die zum Zeitpunkt des Schließens eines ünter-

brechers zu erwartenden Phase und Schlupf liegen innerhalb vorgegebener Grenzen und

3) die Phase und der Schlupf zum Zeitpunkt des Schließens des Unterbrechers sind optimal für einen

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gegebenen Verlauf, d.h., daß dem Phasen- und dem Schlupfverlauf zu entnehmen ist, daß sie während des gegebenen Übergangs ihren erstrebenswertesten oder besten Werten am nächsten kommen.

Die Schaltung enthält einen Takt oder einen Taktgeber zum Messen der Phasendifferenz zwischen der Netzleitungsspannung und der Generatorspannung und eine Vorrichtung zum Berechnen der Veränderungsgeschwxndigkeit der Phasendifferenz, die ein Maß für die unter der Bezeichnung Schlupf bekannte Differenz der jeweiligen Frequenzen darstellt. Die Verläufe der Phase und des Schlupfes werden um das Zeitintervall, das zum Schließen des Unterbrechers benötigt wird, extrapoliert und es wird ein Steuerbefehl zum Schließen des Unterbrechers ausgegeben, wenn die vorstehend genannten drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind. Eine Geschwindigkeitsanpassung ist erzielbar, indem die Schaltung ein Signal zum Anheben der Generatorgeschwindigkeit abgibt, wenn der Schlupf unterhalb einer gegebenen unteren Grenze liegt, und/oder ein Signal zum Verringern der Generatorgeschwindxgkeit abgibt, wenn der Schlupf eine eingestellte obere Grenze überschreitet.

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■is-

L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

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Automatische Vorrichtung zum Sicherstellen einer Synchronisation zwischen einer Ausgangsspannung eines elektrischen Generators und einer Spannung einer Stromleitung, an die der Generator mit dem Schließen eines den elektrischen Generator mit der Leitung verbindenden Stromkreisunterbrechers anschließbar ist, wobei der Stromkreisunterbrecher eine das Schließen von Stromkreisunterbrecherkontakten nach Ablauf einer Verzögerungszeit hervorrufende erregbare Schiießschaltung aufweist, gekennzeichnet durch

eine erste Phasenmeßeinrichtung (13; 205) zum Ermitteln der momentanen Phase der Ausgangsspannung des Generators (201),

30

eine zweite Phasenmeßeinrichtung (12; 206) zum Ermitteln der momentanen Phase der Spannung der Leitung (200),

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eine mit der ersten und der zweiten Phasenmeßeinrichtung (13; 205 bzw. 12; 206) verbundene Schlupf-

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Ermittlungseinrichtung (14; 207) zum Abgeben von dem Schlupf zwischen den momentanen Phasen der Leitungs- und Generatorausgangsspannung entsprechenc den Signalen und

eine auf die erste und die zweite Phasenmeßeinrichtung (13; 205 bzw. 12; 206) und die Schlupf-Ermittlungseinrichtung (14; 207) ansprechende

IQ Signalabgabeeinrichtung (30; 203) zum Abgeben eines Signales an die erregbare Schließschaltung (203) des Stromkreisunterbrechers (202), durch das ein Schließen des Stromkreisunterbrechers (202) zu einem Zeitpunkt einleitbar ist, an dem sowohl die momentane Phase und der momentane Schlupf als auch die zum Zeitpunkt des Schließens des Unterbrechers zu erwartende Phase und der zum Zeitpunkt des Schließens zu erwartende Schlupf innerhalb vorgegebener Grenzen liegen.
2. Automatische Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Generatorgeschwindigkeits-Steuereinrichtung, die mit der Schlupf-Ermittlungseinrichtung (14; 207) so verbunden ist, daß durch entsprechendes Erhöhen oder Verringern der Generatorgeschwindigkeit der Schlupf veränderbar und in einen vorgegebenen Wertebereich steuerbar ist.
3. Automatische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Verlaufsbestimmungseinrichtung zum Bestimmen des Verlaufs des Schlupfes und der Phase, um den bzw. die zu in der Zukunft liegenden Zeitpunkten zu erwartenden Schlupf und Phase im voraus zu bestimmen, wobei die Verlaufsbestimmungseinrichtung mit der Signalabgabeeinrichtung (30; 203) zusammenwirkt und solange das Einleiten eines Schließvorgangs

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des Stromkreisunterbrechers (202) verhindert, bis die Phase und der Schlupf optimale Werte bei einem gegebenen Verlauf annehmen.
4. Automatische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Phasenmeßeinrichtung (13; 205 bzw. 12; 206) jeweils identische Detektorschaltungen zum Ermitteln IQ eines in ansteigender Richtung verlaufenden Nulldurchgangs aufweisen.
5. Automatische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Mikrocomputer-Einrichtung (14; 80) zum Bestimmen des Schlupfes zwischen den Phasen des Generators (201) und der Leitung (200) und zum Bestimmen des Verlaufs des Schlupfes und der Phase.
6 · Verfahren zum Verbinden eines Starkstromgenerators mit einer erregten elektrischen Leitung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Messen der momentanen Phase einer Ausgangsspannung des Generators (201),

Messen der momentanen Phase einer Spannung der elektrischen Leitung (200),

Bestimmen des Schlupfes zwischen dem Generator

(201) und der elektrischen Leitung (200),

Bestimmen des Verlaufs der momentanen Phase und des momentanen Schlupfes und 35

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Erzeugen eines Signals zum Einleiten eines Schließens eines Stromkreisunterbrechers (202), - um den Generator mit der elektrischen Leitung

zu verbinden, wenn

a) der momentane Schlupf und

b) der zum Zeitpunkt des Schließens von 10 Stromkreisunterbrecherkontaktenr das

nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit nach dem Auftreten des Signals zum Schließen des Stromkreisunterbrechers erfolgt, zu erwartende Schlupf innerhalb vor· 15 gegebener Grenzen liegen,

wobei der Generator (201) und die elektrische Leitung (200) mit einem Phasenunterschied von weniger als 10. (elektrisch) synchronisiert 20 sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal zum Einleiten des Schließens in Abhängigkeit von den Bedingungen a) und b) und darüber 25 hinaus in Abhängigkeit von der notwendigen Bedingung erzeugt wird, daß die Phase und der Schlupf während eines gegebenen Übergangs ihre optimalen Werte bei einem gegebenen Verlauf annehmen.

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