DE3001593A1

DE3001593A1 - Spannungsfrequenzgeber fuer synchronmaschinen

Info

Publication number: DE3001593A1
Application number: DE19803001593
Authority: DE
Inventors: Vladimir Michajlovitsc Katunin; Vladilen Georgievits Nakrochin
Original assignee: PROIZV OB URALELEKTROTJASCHMAS
Current assignee: PROIZV OB URALELEKTROTJASCHMAS
Priority date: 1979-01-18
Filing date: 1980-01-17
Publication date: 1980-07-31
Also published as: US4289974A; SU873369A1; CH648935A5

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft das Gebiet des elektrotechnischen Gerätebaues und bezieht sich insbesondere auf Spannungsfrequenzgeber einer Synchronmaschine.

Die Erfindung ist zur Anwendung in automatischen Spannungsreglern von Synchronmaschinen vorgesehen.

Es ist eine Einrichtung - ein Frequenzmeßorgan eines automatischen Erregerspannungsreglers-bekannt, das einen Frequenzmeßkanal aufweist, der zwei Resonanzschwingkreise einschließt, deren Resonanzfrequenzen gleich 4-5 Hz und 55 Hz sind (s. Einheitlicher automatischer Spannungsregler vom Typ APB-GD" Technische Beschreibung des Elektrotechnischen Allunions-Lenin-Instituts, Moskau.) ·

Jjie genannte Einrichtung sorgt für die Messung einer Frequenzabweichung einer Eingangsspannung vom Vorgabewert.

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Jedoch hängt in dieser Einrichtung die Spannung an deren Ausgang nicht nur von der Frequenz, sondern auch vom Wert der lingangsspannung ab, während das Vorhandensein eines eine große Ze itkonstante aufweisenden Filters am Ausgang der Einrichtung die Regelgüte der Erregerspannung der Synchronmaschine verschlechtert.

Es ist auch eine Einrichtung - ein Frequenzgeber - bekannt, der eine Speisequelle u.einen. Spannungsaddierer, aufweist, dessen Eingang über einen Spannungsfolger an den Ausgang eines Meßkanals angeschlossen ist, der ein Nullorgan, dessen Eingang mit dem Ausgang des Spannungswandlers verbunden ist, einen Speicherkondensator und zwei '.Transistorschalter enthält, bei denen der Eingang des ersteren an den Ausgang des Nullorgans und an den Eingang des zweiten Transistorschalters angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Speicherkondensator und dem Spannungsfolger verbunden ist, während der Ausgang des letzteren mit dem Eingang des Spannungsaddierers gekoppelt ist ("Automatische Regelung u. Steuerung'in Energieversorgungssystemen", Werke des Elektrotechnischen Allunions-Lenin-Instituts, Heft 83, Verlag "Energija", 1977, Moskau).

Der beschriebene Geber sorgt für die Messung der Frequenzabweichung der Eingangsspannung vom Vorgabewert und gestattet es, die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Gebers vom Wert der Eingangsspannung zu beseitigen.

Die Messung der Frequenzabweichung der Eingangsspannung erfolgt einmal für eine Periode dieser Spannung. Infolgedessen tritt am Ausgang des Gebers ein Signal auf, dessen

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Amplitude tatsäohlioh zur Frequenzabweichung der spannung proportional ist, nur daß dieses Signal mit einer Verzögerung erscheint, wobei die Zeit der reinen Verzögerung gleich der Periode der Eingangsspannung ist: Das Vorhandensein eines Glättungsfilter am Ausgang der Einrichtung vergrößert die Zeitkonstante des Meßkanals, was mit Rücksicht auf die reine Verzögerungszeit im Meßkanal die Regelgüte der Erregerspannung der Synchronmaschine verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungsfrequenzgeber einer Synchronmaschine zu schaffen, dessen Schaltung schneller wirkt, keine Trägheitselemente enthält und eine häufigere Frequenzmessung der Bingangsspannung gewährleistet.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Spannungsfrequenzgeber einer Synchronmaschine, der einen Spannungswandler enthält, der an den Eingang eines ein Nullorgan, einen Speicherkondensator und zwei Transistorschalter einschließenden und mit seinem Ausgang über einen Spannungsfolger an den Eingang eines Spannungsaddierers angeschalteten Meßkanals angeschlossen ist, gemäß der Errindung einen zweiten anden anderen Ausgang des Spannungswandlers angeschlossenen und ein .Nullorgan, zwei Trans ist or schalter, eine Differenzierkecüe, einen Ladewiderstand, eine Entkopplung s- und eine Trenndiode sowie einen Speicherkondensator einschließenden zweiten Frequenzmeßkanal aufweist und der erste Frequenzmeßkanal zusätzlich eine Differenzierkette, eine Trenn- und eine Entkopplungsdiode sowie einen Ladewiderstand enthält, wobei in jedem Frequenzmeßkanal der Ausgang des ersten Transistorschalters über den Ladewiderstand an die Speisequelle

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und über die Trenndiode an den Ausgang des zweiten Transistorschalters und an den über die Entkopplungsdiode an den Eingang des Spannungsfolgers geschalteten Speicherkondensator, der Eingang des zweiten Transistorschalters des einen der Meßkanäle über die Differenzierkette dieses Kanals an den Ausgang des Nullorgans des anderen Meßkanals, ferner die Speisequelle an einen Regelwiderstand angeschlossen ist, dessen beweglicher Kontakt mit den Ausgängen der zweiten Transistorschalter der beiden Frequenzmeßkanäle verbunden ist.

Die Erfindung sorgt für eine zweifache Messung der Frequenzabweichung der Eingangsspannung für eine Periode, wodurch die reine Verzögerungszeit des Ausgangssignals bezüglich des Eingangssignals um das Zweifache verringert ist und nicht mehr als eine Halbperiode der Eingangsspannung ausmacht. Hierbei entfällt der Glättungsfilter am Ausgang eines jeden Frequenzmeßkanals.

Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles. Es zeigen;

Fig. 1 eine Prinzipschaltung eines Spannungsfrequenzgebers einer Synchronmaschine und

Fig. 2 zeitliche Spannungsverläufe in charakteristischen Punkten der Schaltung.

Der Spannungsfrequenzgeber einer Synchronmaschine enthält einen Spannungswandler 1 (Fig. 1), der zwei Ausgänge aufweist und zur Umwandlung einer sinusförmigen Eingangsspannung in eine gleichfalls eine Sinusform aufweisende, bezüglich

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der Eingangsspannung um 180° phasenverschoben und eine gleiche Frequenz besitzende Ausgangsspannung vorgesehen ist.

Die Ausgänge des Wandlers 1 sind Jeweils mit den Einggängen von Frequenzmeßkanälen 2 und 3 verbunden, deren Jeder zur Umformung einer sinusförmigen Eingangsspannung in eine linear ansteigende Spannung vorgesehen ist. In den gleichen Kanälen 2 und 3 erfolgen eine Messung und eine Speicherung der linear ansteigenden Spannung im Laufe einer Jeden Halbperiode der sinusförmigen Eingangs spannung. Die Ausgänge der beiden Frequenzmeßkanäle I und 3 sind an den Eingang eines Spannungsfolgers 4 angeschlossen, der einen großen Eingangswiderstand aufweist und die von den Ausgängen der Frequenzmeßkanäle 2 und 3 kommenden Signale summiert. Der Ausgang des Spannungsfolgers 4 ist mit dem Eingang eines Spannungsaddierers 5 gekoppelt, der die vom Ausgang des Folgers 4 kommende Spannung zu einer am beweglichen Kontakt eines Regelwiderstandes 6 zur Spannungseinstellung für den Frequenzgeber abgenommenen Spannung addiert.

Die Frequenzmeßkanäle 2 und 3 sind in gleicher Schaltung ausgeführt und enthalten Nullorgane 7 bzw. 8, die die sinusförmigen Eingangsspannungen in bipolare Rechtecksignale umwandeln, die nach der Frequenz und dem Impuls-Pause-Verhältnis mit der Eingangsspannung zusammenfallen. Der Ausgang eines Jeden der Nullorgane 7 und 8 ist mit dem Eingang eines der entsprechenden Transistorschalter 9 und verbunden. Die Ausgänge eines Jeden der Transistorschalter

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und 10 sind über Ladewiderstände 11 bzw. 12 an eine Speisequelle 15 angeschlossen und über Trenndioden 14 und 1.5 mit Speicherkondensatoren 16 und 17 und mit den Ausgängen anderer Transistorschalter 18, I9 verbunden. Diese Transistorschalter 18 und 19 sind über Entkopplungsdioden 20, 2.1 an den Eingang des Spannun^sfolgers 4 angeschlossen. Der Eingang des Trans ist or schalters 1.8 des Kanals 2 ist über eine Differenzierkette 22 mit dem Ausgang'des Nullorgans 8 des anderen Frequenzmeßkanals 5 gekoppelt, wobei der Eingang des Transistorsehalters 19 über eine Differenzierkette 25 mit dem Ausgang des Nullorgans 7 des Frequenzmeßkanals 2 gekoppelt ist.

Die Differenzierketten 22 und 25 sind zur Erzeugung von Kurzzeit impulsen vorgesehen, wodurch eine schnelle Entladung der Speicherkondensatoren 16 und I7 beim Durchschalten der Nullorgane 7 und 8 gesichert wird. Die Transistorschalter 9,10,18 und 19 bilden Lade- bzw. Entladestromkreise der Speicherkondensatoren 16 und I7. Die Speisequelle I5 ist an einen zweiten Hegelwiderstand 24 angeschlossen, dessen beweglicher Kontakt an die Ausgänge der Transistorschalter 18 und 19 angeschlossen ist.Der Regelwiderstand 24ist zur Kompensation eines auf Leckströme zurückzuführenden Spannungsabfalls über den Speicherkondensatoren 16 und I7 vorgesehen. Der üpannungsf olger 4 ist in bekannter Weise ausgeführt u. enthält einen durch einen über einen Widerstand 26· _an die Nullschiene angeschalteten Widerstand 26 gegengekoppelten Operationsverstärker 25» Die Ausgänge der Kanäle 2 und 5 sind über einen Widerstand 27 an den nicht invertierenden Eingang des üperations-

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Verstärkers 25 angeschlossen, was einen großen Eingangswiderst_and des Spannungsfolge rs 4 gewährleistet. Der nicht invertierende .Eingang des Operationsverstärkers 25 ist über einen Widerstand 27' an die Nullschiene gelegt. Der Ausgang des Spannungsfolgers 4 ist über einen Widerstand 28 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 29 des Addierers 5 angeschlossen. Über einen Widerstand 30 wird eine negative Rückkopplung in dem Operationsverstärker 29 ermöglicht, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 31 an den beweglichen Kontakt des Regelwiderstandes 6 angeschlossen ist.

Die Transistorschalter 9 »18 und 10,19 der !"requenzmeßkanäle 2 bzw. 3 sind in bekannten Schaltungen ausgeführt. Hierbei sind die Transistorschaltungen 9 und 10 aus npn -Transistoren 32, 33 aufgebaut, deren Basen an Widerstände 34 bzw. 35 angeschlossen und mit den Emittern über Dioden 36 und 37 gekoppelt sind. Die Transistorschalter 18 und 19 sind auch aus npn-Transistoren 38» 39 aufgebaut, deren Basen an die Differenzierketten 22 und 23 angeschlossen und deren. Emitter miteinander verbunden sind. An den Verbindungspunkt der Basis eines jeden Transistors 38 und 39 mit dem entsprechenden Emitter sind die Anschlüsse von Dioden 40 bzw. 41 und Widerständen 42 bzw. 43 gekoppelt. Die anderen Anschlüsse der Dioden 40, 4 und der Widerstände 42,43 sind an die mit 0 bezeichnete ITullschiene angeschlossen. Am Ausgang der Transistorschalter 18, 19 liegen Widerstände 44,45, deren einer Anschluß an den Kollektor des jeweiligen Transistors 38,39 und deren anderer an den beweg-

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lichen Kontakt des Regelwiderstandes 24 gelegt ist. Jeder der Ladewiderstände 11 und 12 enthält eine Reihenschaltung aus einem wegelwiderstand 46,47 und einem Widerstand 48,49 ein, während die Differenzierketten 22 und 23 einen -fceihenkreis aus einem Kondensator 50 bzw. 51 und einem Widerstand 52 bzw. 53 enthalten.

Die zeitlichen Spannungsverläufe (Fig. 2a,b,c,d,e,f,g,h) veranschaulichen durch charakteristische Punkte die Arbeitsweise der Schaltung. Hier sind auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Spannung U aufgetragen.

Der Spannungsfrequenzgeber der Synchronmaschine arbeitet wie folgt. Die Sinusspannung wird von den Ausgangsklemmen der (in Fig.1 nicht angedeuteten) Synchronmaschine dem Eingang des Spannungswandlers 1 zugeführt, an dessen Ausgängen um 180° gegeneinander phasenverschobene Sinusspannungen (Fig.2a,2b) auftreten.

Von den Ausgängen des Wandlers 1 gelangen die Spannungen auf die Eingänge aer irequenzmeßkanäle 2 bzw. ^, in denen für jede Halbperiode der sinusförmigen Eingangsspannung diese in eine linear ansteigende Spannung mit einer zur Frequenz der Eingangs spannung proportionalen Amplitude umgewandelt und diese Spannung im Laufe der nachfolgenden Halbperiode gespeichert wird.

Betrachten wir den Umwandlungsprozeß der sinusförmigen Eingangsspannung an einem Beispiel der Arbeit des Meßfrequenzkanals 2. Hier tritt am Ausgang des Nullorgans 7 eine Kechteckspannung (Fig. 2c) auf. Da die Spannungen an den Ausgängen

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der Frequenzmeßkanäle 2 und 5 gegeneinander um 180 - phasenverschoben sind, liegt am Eingang des Folgers 4 praktisch eine Gleichspannung mit einer zur Frequenz der Eingangsspannung proportionalen Amplitude an. Vom Ausgang des Folgers 4 gelangt die Spannung auf den Eingang des Spannungsaddierers 5, wo sie mit einer am Widerstand 6 abgenommenen Spannung verglichen wird. Bei einer Frequenz der Eingangsspannung von 50 Hz wird. durch den Widerstand 6 am Ausgang des Addierers 5 eine Spannung gleich Null eingestellt. Bei einer Frequenzabweichung der Eingangsspannung von der vorgegebenen Frequenz 50 Hz erscheint am Ausgang des Addierers 5 eine Spannung, deren Rfert vom Nullwert um so mehr abweicht, je menr die Frequenz der Eingangsspannung von 50 Hz abweicht.

Gehen wir näher auf die Arbeit der Schaltung eines der Frequenzmeßkanäle 2 oder 3» beispielsweise des Kanals 2 ein, wobei wir uns den Ze it diagr aminen nach Fig. 2 zuwenden, in denen die bei einer Gleichheit der Frequenz mit dem Vorgabewert auftretenden Spannungen durch eine ausgezogene Linie angedeutet sind.

Unter der Wirkung der vom Ausgang des Wandlers 1 (Fig.2a) dem Eingang des Nullorgans 7 zugeführten Spannungen wird am Ausgang des letzteren ein bipolares Sechtecksignal (Fig.2c) erzeugt, das nach der Frequenz und dem Tastverhältnis mit der Eingangsspannung (Fig. 2a.) zusammenfällt. Im Laufe der negativen Halbwelle der Rechteckspannung (Fig. 2c) ist der Transistorschalter 9 (Fig.1) gesperrt (Fig. 2d), und der Speicherkondensator 16 (Fig.1) wird von der stabilisierten Speisequelle 13 über den Ladewiderstand 11 (Fig. 2e) aufgeladen.

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NAOHGEREICHT

Die Ladung (Fig.2e) des Speicherkondensators 16(S¹Ig.1) hört in dem Augenblick einer Signal umkehr (Fig. 2e) am Ausgang des Nullorgans 7 (Fig. 1) auf und bleibt im Laufe der gesamten positiven Halbwelle der Eingangsspannung (Fig. 2 a) dank des großen Eingangswiderstandes des Spannungsfolgers 4 (Fig.1) praktisch unverändert erhalten.Im anderen Frequenzmeßkanal 3 werden in den charakteristischen Punkten Spannungen in Analogie zu den beschriebenen erzeugt, nur daß sie gegen die Spannungen in den gleichen PunKten des Kanals 2 um 180° phasenverschoben sind. Bei einem Spannungswechsel am Ausgang des Nullorgans 8 des Kanals 5 von Minus auf Plus wird am Ausgang der Differenzierketfce 22 des Kanals 2 ein positiver Impuls (Fig.2f)gebildet. Unter der Einwirkung dieses Impulses wird der Transistorschalter 18 (Fig.I) durchgesteuert und der Speieherkondensator 16 (Fig.2e) entladen. Im Diagramm (Fig. 2g) ist die Form einer dem Speicherkondensator 17 (Fig. 1) des Kanals 3 entnommenen, gegen eine am Speicherkondensator 16 (Fig. 2e) abgenommene Spannung um 180° phasenverschobenen Spannung dargestellt. Infolge Summation dieser Spannung (Fig. 2e und 2g) im Folger 4 (Fig.1 ) tritt an dessen Ausgang eine Spannung praktisch konstanten Wertes (Fig. 2h) auf, die im Addierer 5 (Fig.1 ) mit einer am Widerstand 6 entnommenen Gleichspannung verglichen wird.

Betrachten wir den Fall, daß die Frequenz der Eingangsspannung (beispielsweise bei einer Frequenzabnahme) vom Vorgabewert abweicht. Dieser F_all wird in durch eine punktierte Linie eingezeichneten Zeitdiagrammen in Fig. 2 dargestellt. Am

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Ausgang des Nullorgans 7 (Fig.i) nimmt die Dauer des impulses (Fig. 2c) zu. Hierbei nimmt am Speicherkondensator 16 (Fig.1) die Spannungsamplitude (Fig. 2e) gleichfalls zu, und folglich, wachsen auch die Werte der an den Ausgängen der Kanäle 2 und $ (Fig.1) abgenommenen Gleichspannungen (Fig.2e,2g) an. Im Ergebnis nimmt der wert der Gleichspannung am Ausgang des Folgers 4 proportional zur Frequenzänderung der ü'ingangsspannung zu, und am Ausgang des Addierers 5 erscheint ein Gleichspannungssignal, dessen Wert proportional zur Frequenzabweichung vom Vorgabewert ist.

Im vorliegenden Geber erfolgt also die Frequenzmessung der Eingangespannung zweimal für eine Periode, was die Meßgenauigkeit erhöht und es gestattet, die Zeit der reinen Verzögerung in den Kanälen 2 und 3 um das Zweifache zu verringern. Die Schaltung benötigt keine Glättungsfilter, weshalb deren Trägheit verringert wird.

Bei Verwendung des Gebers in automatischen Feldreglern von Synchronmaschinen verbessert sich die Regelgüte, was für Synchronmotoren, insbesondere für mit einer stark veränderlichen Belastung arbeitende in einer wirksameren Schwankungsdämpfung des Läufers und folglich auch der Blindleistung, Frequenz und Spannung des Lastkreises und für Synchrongeneratoren in einer Erhöhung der statischen und dynamischen Stabilität der elektrischen Energieübertragung und in einer wirksameren Schwankungsdämpfung von Spannungen im Energieversorgungssystem zum Ausdruck kommt.

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Claims

(/1-J Spannungsfrequenzgeber für Synchronmaschinen, mit einem an den Eingang eines ein Nullorgan, einen Speicherkondensator und zwei Transistorschalter enthaltenden und mit seinem Ausgang über einen Spannungsfolger mit einem Spannungskomparator verbundenen Meßkanal angeschlossenen Spannungswandler, dadurch gekennzeichnet , daß er einen zweiten an den anderen Ausgang des Spannungswandlers (1) angeschlossenen und ein Nullorgan (8), zwei Transistorschalter (10, 19), eine Differenzierkette (23), einen Ladewiderstand (12), eine Entkopplungsdiode (15) und eine Trenndiode (21) sowie einen Speicherkondensator (17) enthaltenden zweiten Frequenzmeßkanal aufweist und der erste Frequenzmeßkanal (2) zusätzlich eine Differenzierkette (22), eine Trenndiode (14) und eine Entkopplungs-

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diode (20) sowie einen Ladewiderstand (11) enthält, wobei in Jedem Frequenzmeßkanal (2, 3) der Ausgang des ersten Transistorschalters (9, 10) über den Ladewiderstand (11, 12) an eine Speisequelle (13) und über die Trenndiode (14, 15) an den Ausgang des zweiten Transistorschalters (18, 19) und an den über die Entkopplungsdiode (20, 21) an den Eingang des Spannungsfolgers (4) geschalteten Speicherkondensator (16, 17), der Eingang des zweiten Transistorschalters (19) des einen der Meßkanäle (3) über die Differenzierkette (23) dieses Kanals (3) an den Ausgang des Nullorgans (7) des anderen Meßkanals (2), ferner die Speisequelle (13) an einen Regelwiderstand (24) angeschlossen ist, dessen beweglicher Kontakt mit den Ausgängen der zweiten Transistorschalter (18, 19) der beiden Frequenzmeßkanäle (2, 3) verbunden ist.

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