DE3809199C2 - 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 schon ziemlich exakt ermittelt werden. Dadurch, daß die einzelnen Messungen analog erfolgen, kann nicht optimal beim nächsten Synchronisationszeitpunkt eine Schalthandlung durchgeführt werden.

Aus der DE-PS 26 54 211 ist eine Einrichtung zur Bereitstellung eines digitalen Ausgangssignales bekannt, bei der Signale in einem Datengenerator logisch verknüpft und dann einem Zähler zugeführt werden. Weiters ist angegeben, daß analoge Signale über Rechteckumformer zugeführt werden.

Aus der DE-OS 30 25 356 ist eine Schaltungsanordnung zur digitalen Phasendifferenz-Messung und eine entsprechende Synchronisierschaltung bekannt, bei der die Signale eines Taktgenerators und eines Referenzimpulsgenerators über UND-Glieder und einen Inverter verknüpft an zwei Zähler gelangen.

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 Synchronisationszeitpunkt bei gleichbleibender Frequenzdifferenz exakt zu bestimmen.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß wie an sich bekannt jedem Signal ein phasengleiches Rechtecksignal zugeordnet ist und daß ein flankenempfindlicher Ereigniszähler mit einem Zeitgeber von den beiden Rechtecksignalen zyklisch gesteuert wird, wobei am Steuereingang des Ereigniszählers jeweils eines der beiden Rechtecksignale ansteht, und der Ereigniszähler kontinuierlich von einer bis zur übernächsten Flanke des einen Rechtecksignales die Signale des Zeitgebers zählt, dann am Steuereingang von dem einen Rechtecksignal auf das andere umgeschaltet wird, anschließend von dieser übernächsten Flanke des einen Rechtecksignales bis zur nächsten gleichartigen Flanke des anderen Rechtecksignales, dann von dieser gleichartigen Flanke des anderen Rechtecksignales bis zur übernächsten Flanke dieses anderen Rechtecksignales die Signale des Zeitgebers zählt, dann am Steuereingang von dem anderen Rechtecksignal auf das eine umgeschaltet wird, und dann von dieser übernächsten Flanke dieses anderen Rechtecksignales bis zur nächsten gleichartigen Flanke des einen Rechtecksignales die Signale des Zeitgebers zählt, und daß bei jeder den Ereigniszähler steuernden Flanke der Rechtecksignale der Ereigniszähler gestoppt, der Zählerstand ausgelesen und abgespeichert, der Ereigniszähler zurückgesetzt und wieder gestartet wird und daß die fortlaufend abgespeicherten Zählerstände 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 Prozeßrechner 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 verschiedenfrequenten Signalen geeignet, da ein eindeutiges zeitdiskretes mathematisches Modell die Ermittlung der Phasenwinkeländerung je Meßzyklus und somit der Schwebungsdauer zuläßt.

Von Vorteil ist, daß der Ereigniszähler beim Starten mit einem Zählerstand geladen wird, der der für Stoppen, Auslesen, Abspeichern und Rücksetzen benötigten Zeit entspricht. Dadurch ist sichergestellt, daß der Zählerstand immer der echten Zeit für die entsprechende Periodendauer oder Phasenverschiebung entspricht.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Programmdurchlauf zur Berechnung des nächstfolgenden Synchronisationszeitpunktes nur während der Messung der Periodendauer des einen oder anderen Rechtecksignales aus den abgespeicherten Zählerständen erfolgt. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß es zu keinen Datenkollisionen zwischen der Berechnung des nächstfolgenden Synchronisationszeitpunktes und dem Auslesen aus dem Zähler und nachfolgendem Abspeichern kommt. Die maximale Zeit für den Programmdurchlauf kann daher bei einem 50 Hz Rechtecksignal 20 ms betragen. Diese Zeit reicht normalerweise für die Berechnung und eine darauffolgende Anzeige des Ergebnisses aus.

Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Rechtecksignale 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 Ereigniszählers mit einem Zeitgeber, vorzugsweise einem Quarz, 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 Ereigniszähler mit einem Zwischenregister verbunden ist, in welches nach dem Stoppen der Zählerstand eingelesen wird und welches das Rücksetzen des Ereigniszählers vornimmt und daß das Zwischenregister mit einer Speichereinheit, 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 Ereigniszählers anstehende Signal erfolgt. Dies ist der unbedingt erforderliche 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 einzelnen 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 Netzwechselspannung und das Rechtecksignal 2 einer Generatorausgangsspannung die an das Wechselstromnetz angeschaltet werden soll. Hierbei wird vorausgesetzt, daß die Effektivwerte der beiden Spannungen gleich groß sind und sofern es sich um ein Drehstromnetz und einen Drehstromgenerator handelt die Phasenfolge gleich ist. Wie aus der Figur 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, sofern sich bei keinem der beiden Rechtecksignale 1, 2 eine Frequenzänderung ergibt, immer gleich und ist die Zeit der Halbwelle der Schwingungsdauer der Schwebung Ts. Die Linien 3, 4 in der Figur 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 Ereigniszähler gestoppt wird. Da der Ereigniszähler 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 Ereigniszählers ansteht, ist mit einer waagrechten Linie 6 über bzw. unterhalb des jeweiligen Rechtecksignales 1, 2 gekennzeichnet. Oberhalb des Rechtecksignales 1 sind mit senkrechten Pfeilen die Stellen markiert, bei denen der Ereigniszähler gestoppt wird und dazu ist noch angegeben, welcher Periodendauer oder Phasenverschiebung der Zählerstand entspricht. F₀ entspricht dem Zählerstand für die Periodendauer des Rechtecksignales 1, P₁ dem Zählerstand für die Phasenverschiebung zwischen dem Rechtecksignal 1 und dem Rechtecksignal 2, F₂ dem Zählerstand für die Periodendauer des Rechtecksignales 2 und P₀ 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 Phasenwinkeländerung ΔP nach jedem Meßzyklus hervorgeht. Diese ist in einem gewissen Bereich linear und zwar unabhängig davon, 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 fallenden Treppe hervor und jene des Rechtecksignales 2 aus der aufsteigenden. Die Punkte 7 stellen den Zählerwert der Phasenverschiebung P₀, P₁ zum jeweiligen Zeitpunkt dar. Die Zählerstände der Periodendauer F₀, F₁ der beiden Rechtecksignale 1, 2 sind hier auch noch als waagrechte Geraden 1, 2 eingezeichnet. Im Zeitbereich 10 sind die Meßwerte für die Phasenverschiebung P₀, P₁ unbrauchbar, da eine Treppenumkehr eintritt.

Weiters ist im Zeitdiagramm eingetragen, wann die letzte Ermittlung 11 des Zählerstandes der Phasenverschiebung P₀, unter Einhaltung einer Schaltverzugszeit 12, sowie Verzögerungszeit 13 zwischen Ermittlung 11 und Schaltbefehl 14, vor dem folgenden Synchronisationszeitpunkt 4 erfolgt.

Bei Fig. 2 ist an den Eingang 15 das Rechtecksignal 1 und an den Eingang 16 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 einerseits mit dem STOP-Eingang 20 und andererseits über eine Verzögerungsschaltung 21 mit dem START-Eingang 22 des Ereigniszählers 23 verbunden ist. Der Ereigniszähler 23 weist noch ein Zwischenregister 24 auf, in welches nach dem Stoppen der Zählerstand eingelesen wird. Dieses Zwischenregister 24 setzt den Ereigniszähler 23 ebenfalls zurück und ladet ihn mit dem "Offset"-Zählerstand, der der Zeit für Stoppen, Auslesen und Rücksetzen entspricht. Auf diese Zeit (ca. 12 µs) ist auch die Verzögerungsschaltung 21 eingestellt. Die Taktung des Ereigniszählers 23 nimmt ein Zeitgeber 25, der ein 1 MHz Quarz ist, vor.

Das START-Signal des Ereigniszählers 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 elektronischen 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 F₀, F₁ und die Phasenverschiebungen P₀, P₁ abgespeichert sind. So sind z. B. im Einzelspeicher 30 die Zählerstände für die Periodendauer F₀ des Rechtecksignales 1 abgespeichert. Die richtige Adrssierung der Einzelspeicher 30, 31, 32, 33, welche in der Figur nur schematisch mit einem vierstufigen Schalter 34 dargestellt ist, erfolgt durch das am START-Eingang 22 des Ereigniszählers 23 anliegende Signal. Mit einem Programm im Prozeßrechner werden aus den gespeicherten Zählerständen der Periodendauer F₀, F₁ die Frequenzen der beiden Rechtecksignale 1, 2 und aus den Zählerständen der Phasenverschiebungen P₀, P₁ 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 wie an sich bekannt jedem Signal ein phasengleiches Rechtecksignal (1, 2) zugeordnet ist und daß ein flankenempfindlicher Ereigniszähler (23) mit einem Zeitgeber (25) von den beiden Rechtecksignalen (1, 2) zyklisch gesteuert wird, wobei am Steuereingang (20) des Ereigniszählers (23) jeweils eines der beiden Rechtecksignale (1, 2) ansteht, und der Ereigniszähler (23) kontininuierlich von einer bis zur übernächsten Flanke des einen Rechtecksignales (1) die Signale des Zeitgebers (25) zählt, dann am Steuereingang (20) von dem einen Rechtecksignal (1) auf das andere umgeschaltet wird, anschließend von dieser übernächsten Flanke des einen Rechtecksignales (1) bis zur nächsten gleichartigen Flanke des anderen Rechtecksignales (2), dann von dieser gleichartigen Flanke des anderen Rechtecksignales (2) bis zur übernächsten Flanke dieses anderen Rechtecksignales (2) die Signale des Zeitgebers (25) zählt, dann am Steuereingang (20) von dem anderen Rechtecksignal (2) auf das eine umgeschaltet wird, und dann von dieser übernächsten Flanke dieses anderen Rechtecksignales (2) bis zur nächsten gleichartigen Flanke des einen Rechtecksignales (1) die Signale des Zeitgebers (25) zählt und daß bei jeder den Ereigniszähler (23) steuernden Flanke der Rechtecksignale (1, 2) der Ereigniszähler (23) gestoppt, der Zählerstand ausgelesen und abgespeichert, der Ereigniszähler (23) zurückgesetzt und wieder gestartet wird und daß die fortlaufend abgespeicherten Zählerstände nacheinander ein Maß für die Periodendauer (F₀) des einen Rechtecksignales (1), die Phasenverschiebung (P₁) zwischen dem einen und dem anderen Rechtecksignal (2), die Periodendauer (F₁) des anderen Rechtecksignales (2) und die Phasenverschiebung (P₀) zwischen dem anderen und dem einen Rechtecksignal (1) darstellen und daß aus den abgespeicherten Zählerständen von Periodendauer (F₀, F₁) und Phasenverschiebung (P₀, P₁) 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 Ereigniszähler (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 (F₀, F₁) 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 Steuereingang (20) als STOP-Eingang und andererseits über eine Verzögerungsschaltung (21) mit dem START-Eingang (22) des Ereigniszählers (23) mit einem Zeitgeber (25), vorzugsweise einem Quarz, verbunden ist, der auch an einen Teiler (26), 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 Ereigniszähler (23) mit einem Zwischenregister (24) verbunden ist, in welches nach dem Stoppen der Zählerstand eingelesen wird und welches das Rücksetzen des Ereigniszählers (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 (F₀) des einen Rechtecksignales (1), die Phasenverschiebung (P₁) zwischen dem einen und dem anderen Rechtecksignal (2), die Periodendauer (F₁) des anderen Rechtecksignales (2) und die Phasenverschiebung (P₀) zwischen dem anderen und dem einen Rechtecksignal (1) jeweils durch das am START-Eingang (22) des Ereigniszählers (23) anstehende Signal erfolgt.