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Die Erfindung betrifft eine Stabilisierungsanordnung zur
Stabilisierung eines Leistungssystems, die zum
Einstellen der Erregeramplitude eines Synchronmotors mittels
eines automatischen Spannungsreglers dient, um eine
Stabilisierung des Leistungssystems zu erzielen; bei der
die Stabilisierungsanordnung eine Größe des Motors, wie
z.B. Motorausgangsleistung, Drehzahl des Motors oder die
Frequenz des Systems, mißt und die Meßgröße über eine
Verstärkungs- und Phasenkompensationsschaltung als
Hilfssignal dem automatischen Spannungsregler zuleitet.
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Eine solche Stabilisierungsanordnung wird nachfolgend
kurz PSS genannt.
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Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines allgemeinen
Erregersystems mit einem bekannten PSS-System, wie es z.B.
in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 53-44204
offenbart ist.
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In Figur 1 ist ein Eingangsanschluß 1 vorgesehen, der
die Abweichung einer Klemmenspannung eines Elektromotors
von seiner Referenzspannung führt. Weiterhin sind ein
PSS-System 2, ein Eingangsanschluß 3 des PSS-Systems 2
und ein Dämpfungsglied 4 vorgesehen. Schließlich ist ein
Addierglied 5 vorgesehen, mit dem von der Summe der
Abweichung am Eingangsanschluß 1 und dem Ausgangssignal
des PSS-Systems 2 das Ausgangssignal des
Dämpfungsgliedes 4 subtrahiert wird. Ein Regler 6 dient zur Regelung
der Erregung durch eine Erregeranordnung 7, die dem
Motor (nicht gezeigt) eine entsprechend Feldspannung
zuleitet. Eine Filterschaltung 2a dient der Bestimmung des
Ansprechbereiches des PSS-Systems 2 auf das
Eingangssignal 3 und hat eine allgemeine Übertragungsfunktion, die
durch die folgende Größe ausgedrückt wird:
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Ein Abschnitt 2b dient zur Kompensation von
Zeitverzögerungen des Reglers 6, der Erregeranordnung 7, des Motors
usw. und ist eine Voreil/Verzögerungsschaltung, die
durch die folgende Formel ausgedrückt werden kann:
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Ein Begrenzer 2c dient zur Begrenzung des
Ausgangssignals des PSS-Systems 2, so daß dieses einen geeigneten
Signalpegel für die Funktion des Erregersystems nach
Figur 1 als Ganzes aufweist.
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Als Eingangssignal zum PSS-System 2 wird die
Drehzahlabweichung des Rotors des Motors, die Frequenzabweichung
der Anschlußspannung des Motors, die Abweichungen in der
Ausgangsleistung des Motors usw. im allgemeinen benutzt.
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Nachfolgend soll die Funktion beschrieben werden. Weicht
die Anschlußspannung des Motors von einem Referenzwert
ab, so wird ein Abweichungssignal an den
Eingangsanschluß 1 gegeben. Dieses Abweichungssignal wird in dem
Regler 6 verstärkt und an die Erregeranordnung 7
gegeben. Das Signal wird in der Erregeranordnung weiter
verstärkt und der Feldanordnung des Motors zugeführt, wo
durch die Abweichung der Motoranschlußspannung von dem
Referenzwert auf den Wert 0 geregelt wird. Das
Dämpfungsglied 4 ist zur Stabilisierung der vorstehenden
Spannungsregelung vorgesehen. Während die vorstehend
beschriebene Funktion als allgemeine automatische
Spannungsregelung (nachfolgend AVR genannt) bezeichnet
werden kann, ist das PSS-System eine Regeleinrichtung,
durch die dem Addierglied 5 des vorstehenden
Erregersystems ein geeignet verstärktes und kompensiertes
Hilfssignal (z.B. entsprechend der Drehzahlabweichung des
Rotors des Motors) zugeführt wird, um die Stabilität des
Leistungssystems zu verbessern.
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Es wird nachfolgend ein PSS-System angenommen, bei dem
die Drehzahl des Rotors des Motors als Eingangssignal
verwendet wird. Die festgestellte Abweichung der
Drehzahl wird dem Eingangsanschluß 3 des PSS-Systems
zugeführt. Das Signal wird von seinen Gleichstrom- und
Hochfrequenzkomponenten im Filter 2a befreit und der
Kompensationsschaltung 2b zugeführt sowie entsprechend
verstärkt und in der Phase kompensiert. Das Signal wird
dann im Begrenzer 2c auf einen Pegel begrenzt, der einen
geeigneten Signalpegel für das Erregersystem nicht
überschreitet und dann dem Addierer 5 zugeleitet. Auf diese
Weise wird die Ausgangsspannung der Erregeranordnung so
geregelt, daß ein Überschwingen des Rotors des Motors
unterdrückt wird.
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Nachfolgend soll das Arbeitsprinzip des PSS-Systems
beschrieben werden. Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild für
die lineare Approximation der Schwankungen in einem
Motor in einem Einmaschinen-Infinitesimal-Bussystem, wie
es z.B. in "The Society of Electrical Cooperative
Research", Band 84, Nr. 5 beschrieben ist. In Figur 2
ist K&sub1; ein Koeffizient des Synchronisierungsmomentes, das
ein Motor erzeugt, dessen Feldfluß konstant ist, K&sub1;' ist
ein Koeffizient des Synchronisierungsmomentes, das durch
AVR erzeugt wird, K&sub1;'' ist ein Koeffizient des
Synchronisierungsmomentes, das durch das PSS-System erzeugt wird,
D ist ein Koeffizient des Dämpfungsmomentes, das durch
den Motor erzeugt wird, wenn dessen Feldfluß konstant
ist, D' ist ein Koeffizient des Dämpfungsmomentes, das
durch AVR erzeugt wird, und D'' ist ein Koeffizient des
Dämpfungsmomentes, das durch das PSS-System erzeugt
wird. Im allgemeinen nimmt der Koeffizient D' einen
negativen Wert an, wenn der Phasenwinkel θ größer wird und
der Leistungsfaktor nahe an 1,0 liegt. Im Falle eines
AVR-Systems mit hoher Ansprechgeschwindigkeit und hoher
Verstärkung wird D + D' insbesondere manchmal negativ,
wobei das System aufgrund fehlender Dämpfung im
Ruhezustand nicht stabil ist. In einem solchen Fall wird eine
Stabilität dadurch erreicht, daß mit einem zusätzlichen
PSS-System die Dämpfung D'' angewandt wird. Figur 3
zeigt ein Erläuterungsdiagramm für ein solches
Verhalten. Um die negative Dämpfungskraft D', die durch AVR
mit hoher Ansprechgeschwindigkeit und hoher Verstärkung
erzeugt wird, und um hierdurch den Zustand der
Dämpfungskraft zu verbessern, erzeugt das PSS-System
eine Dämpfungskraft D'', die gegenüber der negativen
Dämpfungskraft in entgegengesetzter Richtung wirkt. Das
PSS-System dient jedoch nicht dazu, die
Synchronisierungskraft zu verbessern, und aus diesem Grunde wird die
Größe K&sub1;'' manchmal sehr klein oder nimmt in einigen
Fällen einen kleinen negativen Wert an.
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Bei dem oben beschriebenen, bekannten PSS-System tritt
nur eine Art von Leistungsschwankungen in dem
Einmaschinen-Infinitesimal-Bussystem (oder in einem ähnlichen
System) auf, wie es bei dem vorstehend beschriebenen
bekannten System der Fall ist. Ein gutes Resultat wird
durch geeignetes Ausführen der Phasenkompensation des
PSS-Systems bei einer Betriebsart der
Leistungsschwankung erzielt. In einem tatsächlichen Leistungssystem
jedoch treten viele Fälle auf, bei denen die Simulation
des Einmaschinen-Infinitesimal-Bussystem schwierig ist.
In einem Leistungssystem, das ein
Doppelmaschinen-Infinitesimal-Bussystem simuliert, treten z.B. zwei Arten
von Leistungsschwankungen auf. Figur 4 zeigt die
Wellenform von Leistungsschwankungen, bei denen zwei
verschiedene Arten auftreten. Im Fall von zwei Arten von
Leistungsschwankungen nehmen die
Phasenkompensationswerte des PSS-systems in der ersten Leistungsschwankungsart
und in der zweiten Leistungsschwankungsart, d.h. die
Konstanten in der oben erwähnten
Voreil/Verzögerungsschaltung, nicht immer die gleichen Werte an, sondern
die optimalen Kompensationswerte weichen voneinander ab.
Aus diesem Grunde erfolgt keine korrekte
Phasenkompensation für die zweite Leistungsschwankung, auch wenn die
Phasenkompensation für die erste Leistungsschwankung
bestens geeignet ist, was zur Folge hat, daß das PSS-
System nicht ausreichend arbeitet. Da die Komponente der
ersten Leistungsschwankung und die Komponente der
zweiten Leistungsschwankung in einer Leistungsschwankung von
einer externen Störgröße (Leitungsfehler) eines
Leistungssystems bei Störungen unterschiedlich werden,
kann nicht erwartet werden, daß die am besten geeignete
Phasenkompensation bei jeder externen Störung
(Leitungsfehler) erzielt wird. Da solche Probleme auftraten,
konnte eine ausreichende Wirkung des PSS-Systems nicht
erzielt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die vorstehenden Probleme zu vermeiden. Insbesondere
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Stabilisierungsanordnung (PSS) für ein
Leistungssystem
vorzuschlagen, daß eine optimale
Phasenkompensation für zwei (oder mehr) Arten von
Leistungsschwankungen aufweist, und daß auch dann automatisch eine
optimale Phasenkompensation ausführt und auf einfache Weise
zufriedenstellende Resultate erzielt, wenn die Inhalte
der mehrfachen Leistungsschwankungsarten abhängig von
dem Zustand der externen Störung (Leitungsfehler) des
Leistungssystems sich ändern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine
Stabilisierungsanordnung der vorstehenden Art gekennzeichnet durch
eine Mehrzahl von Periodendetektoren zum Feststellen der
Perioden der Leistungsschwankungen; eine Phasenvoreil-
und -verzögerungs-Kompensationsschaltung, der die
Ausgangssignale der Periodendetektoren als Eingangssignale
zugeführt werden, und die die Verstärkungs- und
Phasenkompensationsschaltung abhängig von den durch die
Periodendetektoren festgestellten Periodenschwankungen
ansteuert.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind den unabhängigen
Ansprüchen zu entnehmen.
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Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines
allgemeinen Erregersystems mit einem PSS-
System bekannter Art;
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Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer
linearen Approximation der Änderungen in
einem Motor in einem
Einmaschinen-Infinitesimal-Bussystem;
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Figur 3 ist ein Vektordiagramm zur Erläuterung
der Drehmomentcharakteristik eines
PSS-Systems;
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Figur 4 ist ein Wellenformdiagramm in einem
Leistungssystem mit zwei verschiedenen
Leistungsschwankungen;
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Figur 5 ist ein Blockdiagramm eines
Erregersystems mit einem PSS-System gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Figur 6 ist ein Diagramm, das den inneren
Aufbau einer Phasenvoreil-
/Phasennacheil-Kompensationsschaltung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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Figur 7 ist ein Erläuterungsdiagramm zu einem
Arbeitsbeispiel einer
Fuzzy-Logikschaltung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 21 einen ersten
Periodendetektor, der abhängig von dem Eingangssignal
zur PSS-Anordnung arbeitet, um die Periode einer ersten
Leistungsschwankungsart festzustellen. Das Bezugszeichen
22 bezeichnet einen zweiten Periodendetektor zum
Feststellen, ähnlich wie der erste Periodendetektor, der
Periode einer zweiten Leistungsschwankungsart. Eine
Phasenkompensationsschaltung 23 zur Kompensation von
Phasenvoreilungen und Phasenverzögerungen arbeitet abhängig
von den Ausgangssignalen des ersten Periodendetektors 21
und des zweiten Periodendetektors 22, um die Konstante
in einer Phasenvoreil/Verzögerungs-Schaltung einer
Verstärkungs- und Phasenkompensationsschaltung 2b der PSS-
Anordnung einzustellen. Fig. 6 zeigt den inneren Aufbau
der Phasenkompensationsschaltung für Phasenvoreilungen
und Phasenverzögerungen. Das Bezugszeichen 23a in dieser
Fig. bezeichnet einen ersten Periodenvariationsdetektor,
der abhängig von dem Ausgangssignal des ersten
Periodendetektors 21 zur Feststellung einer Variation in der
Periode arbeitet, während das Bezugszeichen 23b einen
zweiten Periodenvariationsdetektor bezeichnet, der
abhängig von dem Ausgangssignal des zweiten
Periodendetektors 22 arbeitet, um die Variation in der Periode
festzustellen. Das Bezugszeichen 23c bezeichnet eine Fuzzy-
Logikschaltung zur Beurteilung des Verlaufs der
Ausgangssignale des ersten und des zweiten
Periodenvariationsdetektors 23a, 23b und zur Ausgabe eines
Entscheidungssignals an die Verstärkungs- und
Phasenkompensationsschaltung 2b zwecks Kompensation der Konstante in
der Phasenvoreil/Verzögerungsschaltung der
PSS-Anordnung.
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Bevor nachfolgend die Arbeitsweise beschrieben wird,
soll zunächst die Beziehung zwischen der Phase der PSS-
Anordnung und der Periode der Leistungsschwankung unter
Bezug auf Figur 3 beschrieben werden. Das durch die PSS-
Anordnung erzeugte Drehmoment K&sub1;'' + D'' liegt in der
Richtung parallel zu der D Δω (Dämpfungsmoment)-Achse,
und hieraus ist es bekannt, daß bei einem Nacheilen der
Phase dieses Vektors (dies bedeutet eine Drehung des
Vektors im Uhrzeigersinn), die Komponente K&sub1; + K&sub1;' + K&sub1;''
größer als die Zusammenfassung der Vektoren wird. Eilt
die Phase der PSS-Anordnung vor, so wird die Komponente
K&sub1; + K&sub1;' + K&sub1;'' dagegen kleiner. Andererseits wird die
Periode ωn der Leistungsschwankung durch die folgende
Formel dargestellt:
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Hierbei bedeuten ωθ eine Referenzfrequenz, K&sub1;* ein
Synchronisiermoment = K&sub1; + K&sub1;' + K&sub1;'' und H eine
Trägheitskonstante. Hieraus kann abgeleitet werden, da ωθ und M
Konstanten für jeden Motor sind, daß die Periode ωn der
Leistungsschwankung mit dem Wert von K&sub1;* sich verändert.
Aufgrund der Beziehung zwischen der Phase der
PSS-Anordnung und der Periode der Leistungsschwankung ist aus dem
vorstehenden bekannt, daß die Periode bei einer
Phasenverzögerung der PSS-Anordnung größer wird und bei einer
Phasenvoreilung kleiner wird. Das umgekehrte trifft
ebenso zu.
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Nachfolgend soll die Funktionsweise beschrieben werden.
Der erste und der zweite Periodendetektor 21, 22 geben
die Komponente einer ersten Leistungsschwankungsart und
die Komponente einer zweiten Leistungsschwankungsart der
tatsächlichen Leistungswellenform aus. Das
Ausgangssignal ωn1 des ersten Periodendetektors 21 kann wie die
Wellenform der ersten Leistungsschwankungsart nach Figur
4 aussehen, während das Ausgangssignal ωn2 des zweiten
Periodendetektors eine Wellenform annehmen kann, wie die
zweite Leistungsschwankungsart nach Figur 4 zeigt. Diese
Wellenformen können auf einfache Weise durch Benutzung
einer schnellen Fourier-Transformation oder dergleichen
erhalten werden. Diese Signale werden in den ersten und
den zweiten Periodenvariationsdetektor 23a, 23b der
Phasenkompensationsschaltung 23 eingegeben. Der erste und
der zweite Periodenvariationsdetektor 23a, 23b liefern
ihre Ausgangssignale Δωn1, Δωn2 an die
Fuzzy-Logikschaltung 23c, wobei jeder der Werte positiv ist, wenn ωn1, ωn2
ansteigende Tendenz haben. Die Werte sind negativ, wenn
eine Abnahme vorliegt, wobei die Größe dieser Werte vom
Grad des Ansteigens oder Abfallens abhängt. Die Fuzzy-
Logikschaltung 23c entscheidet, ob die Phase der PSS-
Anordnung voreilen oder nacheilen soll, und zwar
abhängig von Δωn1 und Δωn2. Ein Beispiel soll nachfolgend
anhand der Figur 7 beschrieben werden. In dieser Figur 7
ist gezeigt, daß Δωn1 einen negativen Wert hat, d.h., die
Periode der Leistungsschwankung der ersten Art hat die
Tendenz, anzusteigen, während Δωn2 einen positiven Wert
hat, d.h., die Periode der Leistungsschwankung der
zweiten Art hat eine Tendenz, abzunehmen. Da diese Werte als
Phasenkompensationswerte zur Kompensation der Phase der
PSS-Anordnung genommen werden können, wird die Konstante
der Verstärkungs- und Phasenkompensationsschaltung 2b
der PSS-Anordnung entsprechend der Zusammensetzung der
beiden Phasenkompensationsgrößen variiert. Die
beschriebene Prozedur basiert natürlich auf einer
Fuzzy-Verknüpfung.
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Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
zwei Sätze von Detektoren vorgesehen sind, wie der erste
und zweite Periodendetektor 21, 22 und der erste und
zweite Periodenvariationsdetektor 23a, 23b, für die
erste und die zweite Leistungsschwankungsart, können auch
drei Sätze solcher Detektoren für eine erste, eine
zweite und eine dritte Leistungsschwankungsart vorgesehen
sein. Obwohl die Verstärkungs- und
Phasenkompensationsschaltung 2b als Struktur mit nur einer Schaltung
vorgesehen ist, kann auch eine Struktur mit zwei
Schaltungen verwendet werden. Obwohl die vorstehende
Ausführungsform als Analogschaltung beschrieben wurde, ist es
auch möglich, die gleichen Effekte mit einer
Digitalschaltung zu erzielen.
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Da die vorstehend beschriebene Erfindung sich auf eine
PSS-Anordnung bezieht, die mit Periodendetektoren und
einer Phasenkompensationsschaltung für Phasenvoreilungen
und Phasennacheilungen aufgebaut ist und zusätzlich eine
Fuzzy-Verknüpfung durchführt, wurde es möglich, eine
automatische Einstellung der
Phasenvoreil/Phasenverzögerungsschaltung der PSS-Anordnung für mehrfache
Leistungsschwankungsarten optimal zu justieren, und zwar
im On-Line-Betrieb. Auf diese Weise können einwandfreie
PSS-Funktionen erzielt und eine drehungsfreie
PSS-Anordnung geschaffen werden.