DE3809199A1 - Verfahren zur ermittlung des wiederkehrenden synchronisationszeitpunktes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des wiederkehrenden Synchronisationszeitpunktes von zwei verschieden frequenten, vorzugsweise sinusförmigen, Signalen mit gleicher Amplitude.

Bisher werden zwei Wechsel- bzw. Drehstromnetze mit dem Doppelspannungs- bzw. Differenzspannungsmesser, dem Doppelzungenfrequenzmesser und dem umlaufenden Lei­ stungsfaktormesser, welcher auch Synchronoskop genannt wird, synchronisiert. Der richtige und wiederkehrende Synchronisationszeitpunkt kann am Leistungsfaktormesser abgelesen werden. Die wichtigste Voraussetzung zum Zusammenschalten von zwei Wechselstromnetzen oder einem Generator mit dem Drehstromnetz ist, daß zum Zeitpunkt der Zusammenschaltung die Zeitwerte der Spannungen übereinstimmen müssen. Das bedeutet, daß die Effektiv­ werte der Leiterspannungen, die Frequenzen, die Phasen­ lage und die Phasenfolge der Spannungen gleich sein müssen.

Die Generatorspannung genau auf die gleiche Frequenz wie das Wechselstromnetz zu trimmen ist fast unmöglich. Daher tritt eine Schwebung auf. Bei jedem Nulldurchgang der Schwebung bei dem die Zeitwerte der Spannungen übereinstimmen und welcher der Synchronisationszeit­ punkt ist, können zwei Wechselstromnetze zusammenge­ schaltet bzw. ein Generator ans Wechselstromnetz ge­ schaltet werden.

Bei der händischen Synchronisation kommt es auf das Geschick und die Erfahrung des Bedienungspersonals an, wie nahe beim idealen Synchronisationszeitpunkt ein Generator an das Wechselstromnetz geschaltet wird. Wenn die Synchronisation vollautomatisch erfolgt, also durch dauerndes Messen der Differenzspannung, der Differenzfrequenz und der Phasenverschiebung zwischen den beiden Spannungen, kann der Synchronisationszeitpunkt schonziemlich exakt ermitte­ lt werden. Dadurch, daß die einzelnen Messungen analog erfolgen, kann nicht optimal beim nächsten Synchronisa­ tionszeitpunkt eine Schalthandlung durchgeführt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein neues Meßverfahren zur Bestimmung der Frequenz von zwei Wechselstromnetzen und der Phasenverschiebung zwischen ihnen zu schaffen und somit den Synchronisationszeit­ punkt bei gleichbleibender Frequenzdifferenz exakt zu bestimmen.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß jedem Signal ein phasen­ gleiches Rechtecksignal zugeordnet ist und daß ein flankenempfindlicher Zähler von den beiden Rechtecksi­ gnalen zyklisch gesteuert wird, wobei am Steuereingang des Zählers jeweils eines der beiden Rechtecksignale ansteht, und der Zähler bei jedem Zyklus von einer bis zur übernächsten Flanke des einen Rechtecksignales zählt, dann am Steuereingang von dem einen Rechtecksi­ gnal auf das andere umgeschaltet wird, anschließend von dieser Flanke bis zur nächsten gleichartigen Flanke des anderen Rechtecksignales, dann von dieser Flanke bis zur übernächsten Flanke dieses Rechtecksignales zählt, dann am Steuereingang von dem anderen Rechtecksignal auf das eine umgeschaltet wird, und dann von letzterer bis zur nächsten gleichartigen Flanke des einen Rechtecksignales zählt und daß bei jeder den Zähler steuernden Flanke der Rechtecksignale der Zähler gestoppt, der Zählerstand ausgelesen und abgespeichert, der Zähler zurückgesetzt und wieder gestartet wird und daß die fortlaufend abgespeicherten Zählerstände bei jedem Zyklus nacheinander ein Maß für die Periodendauer des einen Rechtecksignales, die Phasenverschiebung zwischen dem einen und dem anderen Rechtecksignal, die Periodendauer des anderen Rechtecksignales und die Phasenverschiebung zwischen dem anderen und dem einen Rechtecksignal darstellen und daß aus den abgespeicherten Zählerständen von Periodendauer und Phasenverschiebung mit einem Programm in einem Prozeß­ rechner die Frequenz der beiden Rechtecksignale, sowie der Phasenwinkel zwischen den beiden und daraus der wiederkehrende Synchronisationszeitpunkt errechnet wird.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren ist besonders gut zur Ermittlung des Synchronisationszeitpunktes von ver­ schiedenfrequenten Signalen geeignet, da ein eindeuti­ ges zeitdiskretes mathematisches Modell die Ermittlung der Phasenwinkeländerung je Meßzyklus und somit der Schwebungsdauer zuläßt.

Von Vorteil ist, daß der Zähler beim Starten mit einem Zählerstand geladen wird, der der für stoppen, ausle­ sen, abspeichern und rücksetzen benötigten Zeit ent­ spricht. Dadurch ist sichergestellt, daß der Zähler­ stand immer der echten Zeit für die entsprechende Periodendauer oder Phasenverschiebung entspricht.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Programm­ durchlauf zur Berechnung des nächstfolgenden Synchroni­ sationszeitpunktes nur während der Messung der Peri­ odendauer des einen oder anderen Rechtecksignales aus den abgespeicherten Zählerständen erfolgt. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß es zu keinen Datenkol­ lisionen zwischen der Berechnung des nächstfolgenden Synchronisationszeitpunktes und dem Auslesen aus dem Zähler und nachfolgendem Abspeichern kommt. Die maxima­ le Zeit für den Programmdurchlauf kann daher bei einem 50 Hz Rechtecksignal 20 ms betragen. Diese Zeit reicht normalerweise für die Berechnung und eine darauffolgen­ de Anzeige des Ergebnisses aus.

Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Rechteck­ signale an einen einpoligen elektronischen Schalter gelegt ist und diese an die Eingänge einer ODER-Verknüpfung angeschlossen sind und daß die ODER-Verknüpfung einerseits mit dem STOP-Eingang und andererseits über eine Verzögerungsschaltung mit dem START-Eingang eines Zählers verbunden ist, der auch an einen Teiler, vorzugsweise ein Flip-Flop, angeschlossen ist, wobei je ein Ausgang an je einen Steuereingang der beiden einpoligen elektronischen Schalter gelegt ist und die beiden Schalter entgegengesetzt betätigbar sind und daß der Zähler mit einem Zwischenregister verbunden ist, in welches nach dem Stoppen der Zählerstand einge­ lesen wird und welches das Rücksetzen des Zählers vornimmt und daß das Zwischenregister mit einer Spei­ chereinheit, die in vier Einzelspeicher unterteilt ist, im Prozeßrechner verbunden ist und daß die Adressierung der vier Einzelspeicher zur Abspeicherung der Zähler­ stände für die Periodendauer des einen Rechtecksignales, die Phasenverschiebung zwischen dem einen und dem anderen Rechtecksignal, die Periodendauer des anderen Rechtecksignales und die Phasenverschiebung zwischen dem anderen und dem einen Rechtecksignal jeweils durch das am START-Eingang des Zählers anste­ hende Signal erfolgt. Dies ist der unbedingt erforder­ liche Aufbau, um den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens optimal zu gewährleisten.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung nun noch näher erläutert. Die Fig. 1 stellt ein Zeitdiagramm dar, in welchem die einzelenen Meßzyklen von einem bis zum nächsten Synchronisationszeitpunkt eingezeichnet sind und aus Fig. 2 geht schematisch die Hardware zur Verfahrensdurchführung hervor.

Die beiden Rechtecksignale 1, 2 in Fig. 1 sind mit den beiden zu synchronisierenden Wechselspannungen phasen­ gleich. Das Rechtecksignal 1 entspricht der Netzwech­ selspannung und das Rechtecksignal 2 einer Generator­ ausgangsspannung die an das Wechselstromnetz angeschal­ tet werden soll. Hierbei wird vorausgesetzt, daß die Effektivwerte der beiden Spannungen gleich groß sind und soferne es sich um ein Drehstromnetz und einen Drehstromgenerator handelt die Phasenfolge gleich ist. Wie aus der Fig. ersichtlich ist die Frequenz des Rechtecksignales 1 etwas größer als jene des Rechtecksignales 2. Die Netzfrequenz ist somit höher als die Generatorfrequenz, wodurch sich zwischen den beiden Rechtecksignalen 1, 2 eine Schwebung einstellt. Eine vollkommene Frequenzgleichheit zwischen den beiden Rechtecksignalen 1, 2 herzustellen ist so gut wie ausgeschlossen. Dadurch besteht eine Phasengleichheit, bei der synchronisiert werden kann, immer nur nach einer bestimmten Zeit. Diese bleibt, soferne sich bei keinem der beiden Rechtecksignale 1, 2 eine Frequenzän­ derung ergibt, immer gleich und ist die Zeit der Halb­ welle der Schwingungsdauer der Schwebung Ts. Die Linien 3, 4 in der Fig. stellen die Zeitpunkte dar bei denen Phasengleichheit herrscht.

Bei den beiden Rechtecksignalen 1, 2 sind die Stellen mit einem Dreieck 5 markiert, bei denen der Zähler gestoppt wird. Da der Zähler negativ flankenempfindlich programmiert ist, sind die Dreiecke 5 immer nur dann anzutreffen, wenn das gerade den Zähler steuernde Rechtecksignal 1, 2 von "High" auf "Low" springt. Welches Rechtecksignal 1, 2 gerade am Steuereingang des Zählers ansteht, ist mit einer waagrechten Linie 8 über bzw. unterhalb des jeweiligen Rechtecksignales 1, 2 gekennzeichnet. Oberhalb des Rechtecksignales 1 sind mit senkrechten Pfeilen die Stellen markiert, bei denen der Zähler gestoppt wird und dazu ist noch angegeben, welcher Periodendauer oder Phasenverschiebung der Zählerstand entspricht. F ₀ entspricht dem Zählerstand für die Periodendauer des Rechtecksignales 1, P ₁ dem Zählerstand für die Phasenverschiebung zwischen dem Rechtecksignal 1 und dem Rechtecksignal 2, F ₂ dem Zählerstand für die Periodendauer des Rechtecksignales 2 und P ₀ dem Zählerstand für die Phasenverschiebung zwischen dem Rechtecksignal 2 und dem Rechtecksignal 1.

Unter den beiden Rechtecksignalen 1, 2 in Fig. 1 ist ein Zeitdiagramm dargestellt aus dem die Phasenwinkel­ änderung P nach jedem Meßzyklus hervorgeht. Diese ist in einem gewissen Bereich linear u. zw. gleichgültig ob es sich um einen Meßzyklus 8, 9 welcher drei Perioden lang ist, des Rechtecksignales 1 oder 2 handelt. Die Meßzyklen des Rechtecksignales 1 gehen aus der fallen­ den Treppe hervor und jene des Rechtecksignales 2 aus der aufsteigenden. Die Punkte 7 stellen den Zählerwert der Phasenverschiebung P ₀, P ₁ zum jeweiligen Zeitpunkt dar. Die Zählerstände der Peri­ odendauer F ₀, F ₁ der beiden Rechtecksignale 1, 2 sind hier auch noch als waagrechte Geraden 1, 2 eingezeich­ net. Im Zeitbereich 10 sind die Meßwerte für die Pha­ senverschiebung P ₀, P ₁ unbrauchbar, da eine Treppenum­ kehr eintritt.

Weiters ist im Zeitdiagramm eingetragen, wann die letzte Ermittlung 11 des Zählerstandes der Phasenver­ schiebung P ₀, unter Einhaltung einer Schaltverzugsszeit 12, sowie Verzögerungszeit 13 zwischen Ermittlung 11 und Schaltbefehl 14, vor dem folgenden Synchronisati­ onszeitpunkt 4 erfolgt.

Bei Fig. 2 ist an den Eingang 15 das Rechtecksignal 1 und an den Eingang 15 das Rechtecksignal 2 gelegt. Jedes der beiden Rechtecksignale 1, 2 wird einem einpoligen elektronischen Schalter 17, 18 zugeführt.

Die beiden elektronischen Schalter 17, 18 sind über eine ODER-Verknüpfung 19 zusammengeschaltet, die einer­ seits mit dem STOP-Eingang 20 und andererseits über eine Verzögerungsschaltung 21 mit dem START-Eingang 22 des Zählers 23 verbunden ist. Der Zähler 23 weist noch ein Zwischenregister 24 auf, in welches nach dem Stop­ pen der Zählerstand eingelesen wird. Dieses Zwischenre­ gister 24 setzt den Zähler 23 ebenfalls zurück und ladet ihn mit dem "Offset"-Zählerstand, der der Zeit für stoppen, auslesen und rücksetzen entspricht. Auf diese Zeit (ca. 12 s) ist auch die Verzögerungsschal­ tung 21 eingestellt. Die Taktung des Zählers 23 nimmt ein 1 MHz Quarz 25 vor.

Das START-Signal des Zählers 23 wird einem Teiler 26, in diesem Fall dem Clock-Eingang eines Flip-Flops, zugeführt. Der Teiler 26 weist zwei Ausgänge 27, 28 auf, wobei an einem das Signal negiert anliegt. Jedes der beiden Teilerausgangssignale steuert einen elektro­ nischen Schalter 17, 18, wodurch von denen jeweils einer geschlossen und einer geöffnet ist.

Das Zwischenregister 24 ist mit einer Speichereinheit 29 in einem Prozeßrechner verbunden. Diese besteht aus vier Einzelspeichern 30, 31, 32, 33, in denen die Zählerstände für die Periodendauern F ₀, F ₁ und die Phasenverschiebungen P ₀, P ₁ abgespeichert sind. So sind z.B. im Einzelspeicher 30 die Zählerstände für die Periodendauer F ₀ des Rechtecksignales 1 abgespeichert. Die richtige Adrssierung der Einzelspeicher 30, 31, 32, 33, welche in der Fig. nur schematisch mit einem vier­ stufigen Schalter 34 dargestellt ist, erfolgt durch das am START-Eingang 22 des Zählers 23 anliegende Signal. Mit einem Programm im Prozeßrechner werden aus den gespeicherten Zählerständen der Periodendauer F ₀, F ₁ die Frequenzen der beiden Rechtecksignale 1, 2 und aus den Zählerständen der Phasenverschiebungen P ₀, P ₁ die Phasenwinkel zwischen den beiden Rechtecksignalen 1, 2 errechnet. Weiters ermittelt das Programm auch den nächstfolgenden Synchronisationszeitpunkt.

Abschließend wird noch bemerkt, daß mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren und der zugehörigen Anordnung eine phasenrichtige Parallelschaltung zweier Drehstromnetze unter Berücksichtigung einer Vorhaltezeit aufgrund von Eigenzeit und Schaltverzugszeit mit großer Genauigkeit möglich ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ermittlung des wiederkehrenden Synchronisationszeitpunktes von zwei verschieden frequenten, vorzugsweise sinusförmigen, Signalen mit gleicher Amplitude, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Signal ein phasengleiches Rechtecksignal (1, 2) zugeordnet ist und daß ein flankenempfindlicher Zähler (2, 3) von den beiden Rechtecksignalen (1, 2) zyklisch gesteuert wird, wobei am Steuereingang (20) des Zählers (23) jeweils eines der beiden Rechtecksignale (1, 2) ansteht, und der Zähler (23) bei jedem Zyklus (8) von einer bis zur übernächsten Flanke des einen Rechtecksignales (1) zählt, dann am Steuereingang (20) von dem einen Rechtecksignal (1) auf das andere umgeschaltet wird, anschließend von dieser Flanke bis zur nächsten gleichartigen Flanke des anderen Rechtecksignales (2), dann von dieser Flanke bis zur übernächsten Flanke dieses Rechtecksignales (2) zählt, dann am Steuereingang (20) von dem anderen Rechtecksignal (2) auf das eine umgeschaltet wird, und dann von letzterer bis zur nächsten gleichartigen Flanke des einen Rechtecksignales (1) zählt und daß bei jeder den Zähler (23) steuernden Flanke der Rechtecksignale (1, 2) der Zähler (23) gestoppt, der Zählerstand ausgelesen und abgespeichert, der Zähler (23) zurückgesetzt und wieder gestartet wird und daß die fortlaufend abgespeicherten Zählerstände bei jedem Zyklus (8) nacheinander ein Maß für die Periodendauer (F ₀) des einen Rechtecksignales (1), die Phasenverschiebung (P ₁) zwischen dem einen und dem anderen Rechtecksignal (2), die Periodendauer (F ₁) des anderen Rechtecksignales (2) und die Phasenverschiebung (P ₀) zwischen dem anderen und dem einen Rechtecksignal (1) darstellen und daß aus den abgespeicherten Zählerständen von Periodendauer (F ₀, F ₁) und Phasenverschiebung (P ₀, P ₁) mit einem Programm in einem Prozeßrechner die Frequenz der beiden Rechtecksignale, sowie der Phasenwinkel zwischen den beiden und daraus der wiederkehrende Synchronisationszeitpunkt (3, 4) errechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (23) beim Starten mit einem Zählerstand geladen wird, der der für stoppen, auslesen, abspeichern und rücksetzen benötigten Zeit entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Programmdurchlauf zur Berechnung des nächstfolgenden Synchronisationszeitpunktes (3, 4) nur während der Messung der Periodendauer (F ₀, F ₁) des einen oder anderen Rechtecksignales (1, 2) aus den abgespeicherten Zählerständen erfolgt.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Rechtecksignale (1, 2) an einen einpoligen elektronischen Schalter (17, 18) gelegt ist und diese an die Eingänge einer ODER-Verknüpfung (19) angeschlossen sind und daß die ODER-Verknüpfung (19) einerseits mit dem STOP-Eingang (20) und andererseits über eine Verzögerungsschaltung (21) mit dem START-Eingang (22) eines Zählers (23) verbunden ist, der auch an einen Teiler (28), vorzugsweise ein Flip-Flop, angeschlossen ist, wobei je ein Ausgang (27, 28) an je einen Steuereingang der beiden einpoligen elektronischen Schalter (17, 18) gelegt ist und die beiden Schalter (17, 18) entgegengesetzt betätigbar sind und daß der Zähler (23) mit einen Zwischenregister (24) verbunden ist, in welches nach dem Stoppen der Zählerstand eingelesen wird und welches das Rücksetzen des Zählers (23) vornimmt und daß das Zwischenregister (24) mit einer Speichereinheit (29), die in vier Einzelspeicher (30, 31, 32, 33) unterteilt ist, im Prozeßrechner verbunden ist und daß die Adressierung der vier Einzelspeicher (30, 31, 32, 33) zur Abspeicherung der Zählerstände für die Periodendauer (F ₀) des einen Rechtecksignales (1), die Phasenverschiebung (P ₁) zwischen dem einen und dem anderen Rechtecksignal (2), die Periodendauer (F ₁) des anderen Rechtecksignales (2) und die Phasenverschiebung (P ₀) zwischen dem anderen und dem einen Rechtecksignal (1) jeweils durch das am START-Eingang (22) des Zählers (23) anstehende Signal erfolgt.