DE1070286B

DE1070286B - Phasendiskrimimator

Info

Publication number: DE1070286B
Application number: DENDAT1070286D
Authority: DE
Inventors: Wettingen Dipl.-Phys. Haasjörg Vonarburg (Schweiz)
Original assignee: Aktiengesellschaft Brown, Boveri &. Oe., Baden (Schweiz)
Priority date: 1956-08-29
Publication date: 1959-12-03
Also published as: US2903646A; NL213081A; GB858240A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen Phasendiskriminator für einen Bereich, in dem die gegenseitige Phasenverschiebung zweier Wechselspannungen kleiner als ein vorgeschriebener Wert ist, insbesondere für Distanzschutzeinrichtungen, bei dem die beiden sinusförmigen Wechselspannungen in rechteckformige Spannungen umgewandelt, die beiden Rechteckspannungen während der Überlappungszeit integriert und die durch Integration entstehenden Dreieckspannungen mit einer Bezugsspannung verglichen werden und bei Gleichheit beider Spannungen in einem Amplitudenkomparator ein Impuls erzeugt wird.·

Es sind bereits Anordnungen bekanntgeworden, welche die Phase zweier Wechsclstronimeßgrößcn vergleichen und daraus Impulse ableiten, mit denen ein Befehl, beispielsweise die Ausschaltung eines Schalters, bewirkt wird. Bei diesen Einrichtungen werden die sinusförmigen Wechselstrommeßgrößen als Spannungen dem Diskriminator zugeführt. Die Sinusform wird dabei beispielsweise über gesättigte Verstärkerschaltungen in eine Rechteckform umgewandelt. Bei den bekannten Ausführungen wird eine Halbwelle, meist die positive, zum Vergleich herangezogen. Bei dieser Umformung dürfen sich die Nulldurchgänge nicht gegenseitig verschieben, da sonst die Phase nicht richtig gemessen wird. Die beiden so umgeformten Meßspannungen werden nun einer Diodenschaltung zugeführt, an welcher nur dann eine Ausgangsspannung auftritt, wenn beide zugeführten Meßgrößen positiv sind. Diese Schaltung ist aus der,30 Rechcnmaschincntechnik als Multiplikationsschaltung bekanntgeworden. Es wird die Breite der am Ausgang entstehenden Rechteckspannung dann so groß, wie sich die beiden zugeführten Rechteckspannungen überdecken. Bei Gleichphasigkeit beider Meßgrößen beträgt diese Überdeckung eine halbe Periode, entspricht also einem Phasenwinkel von 180°. Je größer die Phasenverschiebung ist, um so kleiner wird die Überdeckungszeit, bis bei einer Phasenverschiebung von 180° keine Ausgangsspannung mehr vorhanden ist. Die Überdeckungszeit ist also ein Maß für die Phasenverschiebung, konstante Frequenz vorausgesetzt. Will man nun von einer bestimmten Phasenverschiebung an einen Impuls abgeben, welcher beispielsweise den zugehörigen Schalter ausschaltet, so gibt man die entstandene Rechteckspannung auf einen Integrator, welcher beispielsweise aus einem Widerstandskondensatorglied bestehen kann und welcher eine bestimmte Zeitkonstante für die Ladung des Kondensators besitzt. Je nach der Dauer des Auftretens der Rechteckspannung lädt sich der Kondensator mehr oder weniger auf. Am Kondensator entsteht dann eine Spannungsamplitude, welche um so höher ist, je länger die Rechteckspannung wirkt. Dann

Anmelder:

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie._r Baden (Schweiz)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt, München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität: Schweiz vom 4. September 1958

Dipl.-Phys. Hansjörg Vonarburg, Wettingen (Schweiz), ist als Erfinder genannt worden

führt man zweckmäßigerweise die so entstandene, angenähert dreieckförmige Spannung einem Amplitudenkomparator zu, in welchem von einer bestimmten Höhe der zugeführten Spannung an ein Impuls ausgelöst wird. Auf diese Weise wird die Auslösung dieses Impulses abhängig von der Phase der zugehörigen Meßgrößen.

Diese Einrichtung hat nun den Nachteil, daß nur einmal in jeder Periode ein Impuls erzeugt wird. Es kann also im ungünstigsten Falle erst nach einer ganzen Periode die Phase einer Meßgröße festgestellt werden. Diese Zeit ist für Schutzeinrichtungen, insbesondere von Leitungen, zu lang, da man bereits mit Hilfe magnetischer Relais auf Auslösezeiten .,unter einer halben Periode gekommen ist. . '/,'·'

Es ist daher nötig, die Impulsfolge auf eine kürzere Zeit herabzusetzen. Dies ist die Aufgabe, welche dem Erfindungsgedanken zugrunde liegt.

Erfindungsgemäß wird nun die positive Halbwelle der aus den Meßspannungen erzeugten Rechteckspannungen gleichphasig, die negative Halbwelle um 180° verschoben, verstärkt, dann werden, zunächst getrennt für jede Halbwelle während der Überlappungszeit Rechteckimpulse gebildet, welche gemeinsam über einen Doppelkathodenverstärker mit für beide Hälbwellen gesondertem Gitter dem Integrierglied und dem Amplitudenkomparator zugeführt.werden. Hierdurch ist es möglich, jede Halbwelle zur Impulsbil-

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dung heranzuziehen und damit eine Verkürzung der Die Breite der so entstandenen Rechteckimpulse ist Auslösezeit auf mindestens eine Halbwelle zu er- nun ein Maß für die Phasenverschiebung zwischen reichen. den Spannungen U₁ und U₂, denn wenn φ = 0 ist, Die Fig. 1 zeigt die Schaltung einer Anordnung so überlappen sich die Halbwellen vollständig, U₃ entsprechend der Erfindung. In der Fig. 2 sind die 5 würde dann eine ununterbrochene Gleichspannung zugehörigen Kurvenformen der Meßgrößen darge- sein. Je größer die Phasenverschiebung ist, um so stellt. Die Darstellung der an sich bekannten Um- größer wird der spannungslose Zwischenraum der Wandlung der Sinusform in die Rechteckform ist der Impulse von U₃. Bei φ = 90° ist die Breite des Übersichtlichkeit halber weggelassen. Die in Recht- Zwischenraumes und des Impulses gleich. Bei φ = 180° eckform umgewandelten Meßgrößen sind mit U₁ io ist die Spannung durchgehend Null. Es muß nun noch und U₂ bezeichnet. Sie besitzen die Phasenverschie- eine Anordnung vorhanden sein, aus der die Größe bung φ, wie aus Fig. 2 zu erkennen ist. Beide Span- der Phasenverschiebung erkannt werden kann. Beim nungen werden den Verstärkerröhren 1 und 2 zwi- Distanzschutz ist es nun vor allem wichtig, zu wissen, sehen den Klemmen 3, 4 und 5 über die Ankopplungs- wann ein bestimmter Phasenwinkel φ° erreicht wird, kondensatoren 6 und 7 zugeführt. Die Röhren sind 15 Wenn φ^>φο ist, dann darf keine Auslösung ernun so geschaltet, daß an der Anodenseite am Arbeits- folgen; ist <p<C(po, so muß ausgelöst werden. Die widerstände über den Kondensator 9 die Spannung Einrichtung aber, wirkt nun so, daß bei φ <φο am Aus- U₁ am Ausgang 10 erscheint. Sie ist gegenüber der gang ein Impuls auftritt, bei φ>φο dagegen nicht, zugeführten Spannung U₁ um 180° verschoben. Von Dies wird durch ein Integrierglied 28, 29 und einen der Kathodenseite wird am Widerstand 11 über den 20 Amplitudenkomperator erreicht. Am Integrierglied Kondensator 12 an der Stelle 13 die Spannung U₁" wird der Kondensator 29 nach einer Zeitkonstanten, abgenommen, welche der Spannung U₁ entgegen- welche durch die Größe des Widerstandes 28 und des gesetzt gerichtet, also mit U₁ in Phase ist. Die Wider- Kondensators 29 bestimmt ist, aufgeladen. Die Spanstände 8 und 11 müssen gleiche Größe haben, damit nung U_c am Kondensator steigt dann bis zu einem die Amplitude beider Spannungen gleich ist. Das 25 bestimmten Wert an, welcher sich je nach der Dauer gleiche wird mit Hilfe der Röhre 2 mit der Span- der Aufladungszeit, also der Länge des Impulses, nung U₂ gemacht. Es entstehen die beiden entgegen- ändert. Da diese Länge vom Phasenwinkel abhängt, gesetzt gerichteten Spannungen U₁ und U₂". Die so ist damit die Endamplitude der Spannung U_c ein beiden so gewonnenen Spannungen werden den Maß für die Phase.

Dioden 14, 15, 16, 17 zugeführt, welche über die 30 Im Amplitudenkomparator wird diese Spannung U_c Widerstände 18, 19, 20, 21 mit negativem Potential mit einer konstanten Spannung U_c0 verglichen. Ist verbunden sind. In dieser Diodenschaltung werden U_c> U_c0, so entsteht eine Impulsspannung U_A am die Spannungen U₁ und U₂ einerseits und U₁" Ausgang, bei U_C<.U_CO aber nicht. Der Amplituden- und U₂" andererseits zusammengefaßt. Die Schaltung komparator besteht beispielsweise aus einer Doppelist so gewählt, daß an den Stellen 24 und 25 nur dann 35 kathodenverstärkerröhre mit zwei Gittern. An das eine positive Spannung auftritt, wenn die Halbwellen eine wird die Spannung U_c gelegt, das gegenüber der beider zugehörigen Spannungen gleichzeitig positiv Kathode eine negative Vorspannung besitzt. Der sind, an der Stelle 24 also dann, wenn U₁ und U₂' Zündpunkt dieses Röhrenteiles ist so eingestellt, daß positive Richtungen haben, an der Stelle 25 dann, er zündet, wenn U₀= U_c0 ist. Am anderen Gitter wenn U₁" und U₂" zugleich positiv sind. Auf diese 40 Hegt eine Vorspannung, welche am Anodenwiderstand Weise können beide Halbwellen Berücksichtigung 31 abgenommen wird. Das Gitter hat also eine finden. Die Wirkungsweise dieser Diodenschaltung ist positive Vorspannung, solange kein Strom durch den folgende: Wenn die Dioden sperren, ist eine positive Widerstand 31 fließt, so daß dieser Röhrenteil Strom Spannung an den Punkten 24 bzw. 25 vorhanden. durchläßt. Dadurch ist die Spannung am Punkt 34 Lassen dagegen die Dioden durch, so bricht diese 45 klein. Wenn nun U_c > U_c0 wird, so fließt Anoden-Spannung praktisch zusammen, da die Widerstände strom durch den Widerstand 31, und die Gitter-18, 19, 20, 21 wesentlich kleiner sind als die Wider- vorspannung für das Gitter 33 bricht zusammen. Es stände 22 und 23, und es liegt eine negative Spannung wirkt nun die negative Vorspannung, und es fließt an diesen Punkten. Die Dioden sperren nun, wenn die kein Strom im Widerstand 35. Dadurch steigt die Spannung an der Eingangsseite größer ist als an der 50 Spannung U_A an, und es entsteht ein Auslöseimpuls, Ausgangsseite, was dann der Fall ist, wenn die züge- mit dessen Hilfe ein Auslösemagnet oder ein Relais führten Spannungen einen genügend hohen positiven betätigt werden kann.

Wert haben. Da nun zwei Dioden paarweise zusam- Es muß bei dieser Einrichtung darauf geachtet mengeschaltet sind, so genügt es, wenn eine Diode werden, daß der Kondensator 28 so schnell wie mögdurchläßt, daß die Spannung am Ausgang zusammen- 55 lieh entladen wird, damit die Impulse rasch hinterbricht. Wenn U₁ und U₂ gleichzeitig einen hohen einander auftreten können und vermieden wird, daß positiven Wert haben, ist eine positive Spannung U~~ die Spannung am Kondensator infolge verbleibender am Punkt 24 vorhanden; wenn die Halbwellen von Restladungen anwächst. Dies wird mit Hilfe der U₁" und U₂" gleichzeitig, positiv sind, so ist am Diode 36 erreicht, welche Strom durchläßt, wenn U₃ Punkt 25 die Spannung U⁺ vorhanden, wenn die 60 Null ist.

ursprünglichen Meßgrößen"^ und U₂ positiv sind. Die Verstärkeranordnung mit den Röhren 1 und 2 Die Spannung U~ tritt darm auf, wenn die beiden muß in bekannter Weise als Breitbandverstärker ausursprünglichen Meßgrößen[U₁ und U₂ negativ sind. geführt sein, damit sowohl die steilen Flanken, als Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Die beiden Span- auch der flache Teil der angenäherten Rechteckkurve nungen U⁺ und U~ werden an die Gitter der Doppel- 65 naturgetreu übertragen wird.

kathodenverstärkerröhre 26 gelegt. Die Röhre führt Statt der bisher gezeigten und beschriebenen

dann Anodenstrom, wenn, ein Gitter positiv ist. Röhrenschaltung zur Ausführung des Erfmdungs-

Dadurch werden beide Spannungen gemischt, und es gedankens kann man auch Transistorenschaltungen

entsteht am Widerstand 27 die Spannung U₃, welche verwenden, wie in der Fig. 3 dargestellt ist. Es

beide Halbwellen als positive Impulse enthält. 70 können hierbei die Röhren auch nur einzeln durch

ι υ/υ

Transistoren ersetzt werden. In Fig. 3 wird eine Anordnung gezeigt, in welcher alle Röhren durch Transistoren ersetzt sind. Die Wirkung ist dort folgende:

Die Transistoren 37 und 38 ersetzen die Röhren 1 und 2. Sie verstärken die zugeführte Rechteckspannung. Es gelangt die gleichphasige Spannung an die den Dioden 15 und 16 entsprechenden Transistoren 41 und 42 und die entgegengesetzt gerichtete Spannung an die den Dioden 14 und 17 entsprechenden Transistoren 39 und 40. Wenn die Spannung an der Basis der Transistoren positiv ist, sperren diese, und es liegt eine negative Spannung an deren Ausgang. Eine positive Spannung am gemeinsamen Ausgang dieser Transistoren 39 bis 42 entsteht nur, wenn je beide zusammengehörigen Transistoren an der Basis negativ sind. Es treten also positive Impulse auf, wenn beide zugeführteil .Spannungen negativ sind. Die so erhaltenen Spannungen U⁺ und U~ werden durch die Transistoren 45 und 46, wie in der Doppelgitterröhre 26 gemischt. An ihrem Ausgang treten negative Impulse als Spannung CZ₃ auf. Diese wird wieder einem Integrierglied 47, 48 zugeführt, dessen Widerstand über eine aus Halbleitern gebildete Diode 49 entladen werden kann. Die so erhaltenen Dreiecksimpulse werden wieder einem Amplitudenkomparator zugeführt, welcher die Transistoren 50, 51 besitzt. Der Transistor 50 wird durch den negativen Impuls Uc ausgelöst, wenn er die Spannung —U_c0 unterschreitet, wodurch die Spannung am Punkt 52 positiver wird und ein Impuls am Ausgang entsteht.

Es ist schutztechnisch manchmal wünschenswert, noch weitere Meßgrößen auf den Phasendiskriminator wirken zu lassen. Dies können Spannungen sein, welche eine Auslösung des Schutzes verhindern sollen. Es kann vorkommen, daß bei bestimmten Phasenwinkeln, welche bei Störungen ebenso wie im normalen Betrieb auftreten, mit Hilfe der Netzspannung der Schutz gesperrt werden soll. Zu diesem Zweck kann man die in den Figuren konstant angenommenen negativen Vorspannungen für die Dioden an den Widerständen 18, 19, 20, 21 durch die Spannung selbst beeinflussen, derart, daß bei höheren Spannungswerten die ganze Anordnung gesperrt wird.

Der Vorteil der Anordnung gemäß der Erfindung ist neben der bereits erwähnten Möglichkeit, positive und negative Halbwellen auszunutzen und dadurch die Ansprechzeit zu verringern, auch die rückwirkungsfreie Zusammenfassung der Impulse, mit Hilfe der Doppelgitterröhre, so daß nur ein einziger Integrator und nur ein einziger Amplitudenkomparator nötig ist. Die zusätzlich angebrachte Entladediode ermöglicht auch bei rascher Folge eine genaue Messung. Die Konstanz der Amplituden kann durch die Gleichstromquellen hergestellt werden. Sie wird durch geeignete Wahl der Vorspannung festgelegt. Die Streuung ist sehr gering, da nur ein einziges Integrierglied verwendet wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Phasendiskriminator für einen Bereich, in dem die gegenseitige Phasenverschiebung zweier Wechselspannungen kleiner als ein vorgeschriebener Wert ist, insbesondere für Distanzschutzeinrichtungen, bei dem die beiden sinusförmigen Wechselspannungen in rechteckförmige Spannungen umgewandelt, die beiden Rechteckspannungen während der Überlappungszeit integriert und die durch die Integration entstehenden Dreieck¹ spannungen mit einer Bezugsspannung verglichen werden und bei Gleichheit beider Spannungen in einem Amplitudenkomparator ein Impuls erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Halbwelle der Rechteckspannungen gleichphasig und die negative Halbwelle um 180° verschoben verstärkt wird, zunächst für jede Halbwelle getrennt während der Überlappungszeit Rechteckimpulse erzeugt werden, welche gemeinsam über einen Doppelkathodenverstärker mit getrennten Gittern für beide Halbwellen dem Integrierglied und dem Amplitudenkomparator zugeführt werden.

2. Phasendiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker Breitbandverstärker sind.

3. Phasendiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Uberlappungszeit in Doppeldiodenschaltungen für jede Halbwelle getrennt ein Rechteckimpuls gebildet und den Gifern des Kathodenverstärkers zugeführt wird.

4. Phasendiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator des Integrationsgliedes über eine Diode entladen wird.

5. Phasendiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung durch Transistoren gebildet wird.

6. Phasendiskriminator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlappung mit Hilfe von Transistoren gebildet wird.

7. Phasendiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderung der gewählten Vorspannung für die Dioden weitere den Diskriminator beeinflussende Meßgrößen zugeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen