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Meßgerät zur Erfassung des Polradwinkels von Synchrongeneratoren,
insbesondere für Regeleinrichtungen zur Stabilisierung von Phasenschiebern Die Stabilisierung
von Phasenschiebern erfolgt in bekannter Weise dadurch, daß man bei Auslenkung des
Polrades vom stationären Wert die Erregung in verstärkendem Sinne beeinflußt. Es
werden hierfür Meßgeräte benötigt, die den jeweiligen Polradwinkel sofort erfassen
und die gemessene Größe an die nachgeschalteten Steuer- und Regeleinrichtungen weiterleiten.
Ein bekanntes Verfahren zur Lastwinkelmessung an Synchrongeneratoren verwendet einen
induktiven Impulsgeber oder einen fotoelektrischen Impulsgeber. Diese Impulsgeber
formen die Polradzeigerkreisfrequenz in eine Nadelimpulsfolge um. Die Klemmspannung
des Synchrongenerators wird ebenfalls in eine Nade 'limpulsfolge umgewandelt. Beide
Nadelimpulsfolgen werden zur Aussteuerung eines Multivibrators verwendet, der eine
Rechteckimpulsfolge an seinem Ausgang abgibt. Diese Rechteckimpulsfolge setzt sich
aus positiven und negativen Impulsen zusammen. Der Mittelwert der Impulsfolge entspricht
der Abweichung des Polrades. Je nach Richtung der Abweichung nimmt die Ausgangsgröße
einen positiven oder negativen linearen Verlauf bis zu 180° und weist bei einer
Polradwinkelabweichung bei 180° eine Unstabilitätsstelle auf. Dies ist regeltechnisch
äußerst ungünstig. Zudem bringen die Nadelimpulsfolgen einen erhöhten Aufwand an
Filterelementen mit sich.
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Bei einer bekannten Meßanordnung zur Ermittlung der Abweichung von
Phase und Frequenz zweier elektrischer Spannungen wird der Aufwand an Mitteln dadurch
klein gehalten, daß die beiden Spannungen in Rechteckimpulse umgewandelt und zur
Aussteuerung einer gemeinsamen Mehrgitterröhre verwendet werden. Die Schaltung ist
hierbei so getroffen, daß die Mehrgitterröhre Strom nur dann durchläßt wenn beide
zu vergleichende Rechteckspannungen gleichzeitig an den Gittern anstehen. Die Ausgangsspannung
verläuft nach einer periodischen Dreieckfunktion, die ein Maximum bei Phasengleichheit
der Eingangsspannungen und ein Minimum bei der größten Abweichung der Eingangsspannungen
in der Phase hat. Ein Meßgerät mit einem derartigen Ausgangssignal ist zur Erfassung
des Polradwinkels für Regeleinrichtungen zur Stabilisierung von Phasenschiebern
ungeeignet.
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Bei der Stabilisierung von Phasenschiebern muß im untererregten Betrieb
Vorsorge getroffen werden, daß das Polrad nicht in entgegengesetzter Phasenlage
zu der des Netzes synchronisiert wird. Es ist daher wünschenswert, daß die größte
Erregungsbeeinflussung in verstärkendem Sinne bei einem Polradwinkel von 180° e1
(n) auftritt. Es ist vorteilhaft, diese Erfordernisse bereits in die Meßeinrichtung
zur Erfassung der Größe des Polradwinkels einzuarbeiten. Die vorstehend genannte
Aufgabe wird unter Verwendung einer Phasenmeßanordnung, in der die Spannungen des
Netzspannungszeigers und des Polradzeigers in rechteckförmige Impulsspannungen umgewandelt
und in der Weise überlagert werden, daß ihre Ausgangsgröße nach einer periodischen
Dreiecksfunktion verläuft, gelöst. Gemäß der Erfindung verläuft die periodische
Dreieckfunktion so, daß sie bis zu einem Winkel von 180° elektrisch ansteigt und
danach bis zu einem Winkel von 360° elektrisch wieder abfällt. Auf diese Weise verläuft
das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Gerätes nach einer Funktion, die der für
die Stabilisierung von Synchronmaschinen gewünschten Regelfunktion sofort entspricht.
Das Ausgangssignal kann daher der Regeleinrichtung direkt, also ohne Zusatzschaltung,
zugeführt werden.
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In Fig. 1 ist der Verlauf der periodischen Dreiecksfunktion dargestellt.
Auf der waagerechten Achse ist der Polradwinkel ö und auf der senkrechten Achse
die Ausgangsgröße des Meßgerätes, z. B. die Ausgangsspannung U, aufgetragen. Die
Ausgangsgröße steigt linear vom Polradwinkel 0 bis zum Polradwinkel n an, fällt
dann wiederum linear auf den Wert 0 bis zum Polradwinkel 2 n, um bei 3 a ihr Maximum
und bei 4,-t wieder ihr Minimum zu erreichen. Beim Wert n und 3 n erfolgt somit
in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße des Meßgerätes. die größte Beeinflussung der
Erregung in verstärkendem
Sinne und bei den Werten 2 a und 4 n praktisch
keine Beeinflussung.
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Als Vorrichtung zur Nachbildung der Kreisfrequenz des Netzspannungsanzeigers
in eine recht eckförmige Impulsspannung dient eine Begrenzerschaltung, die die Amplitude
der Netzspannung begrenzt, also einen Teil der Sinusamplitude abschneidet. Der Begrenzerschaltung
ist ein Schaltverstärker (Kippverstärker) nachgeordnet. Als Schaltverstärker eignet
sich insbesondere ein Transistor-Schaltverstärker.
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Zur Nachbildung der Kreisfrequenz des Polradzeigers in eine rechteckförmige
Impulsspannung kann mit dem Synchrongenerator bzw. Phasenschieber in bekannter Weise
ein Wechselstrom-Tachodynamo gekuppelt werden, dessen Ausgangsspannung mit der Kreisfrequenz
des Polradzeigers pulsiert. Dem Tachodynamo werden eine Begrenzerschaltung und ein
Schaltverstärker nachgeschaltet.
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Eine weitere Lösung zur Nachbildung der Kreisfrequenz des Polradzeigers
durch eine rechteckförmige Impulsspannung besteht darin, mit dem Synchrongenerator
eine Kreisscheibe zu kuppeln, die an ihrem Umfang rechteckförmige Ausnehmungen aufweist.
Auf der einen Seite der Kreisscheibe ist eine Lampe angeordnet, so daß deren Lichtstrahl
dann, wenn die Ausnehmung der Lampe gegenübersteht, auf die andere Seite der Kreisscheibe
gelangen kann. Dort ist eine fotoelektrische Zelle angeordnet, die vom Lichtstrahl
erregt wird und somit entsprechend der Drehzahl der Kreisscheibe und damit auch
der Kreisfrequenz des Polradzeigers Impulsspannungen abgibt. Hierzu ist noch zu
bemerken, daß der Übergang von der mechanischen Kreisfrequenz des umlaufenden Generators
auf die Kreisfrequenz des PoI-radzeigers durch die Zahl der Ausnehmungen in der
Kreisscheibe erfolgt. Die Zahl der Ausnehmungen muß hierzu gleich der Zahl der Polpaare
des Synchrongenerators sein.
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Zur Überlagerung der beiden Impulsspannungen, nämlich der - herrührend
vom Netzspannungszeiger - und der anderen - herrührend vom Polradzeiger -, werden
diese je einem Eingang eines Und-Gatters mit zwei Eingängen zugeführt. Der zweite
freie Eingang jedes Und-Gatters erhält ein Signal von der nicht zugeordneten Impulsspannung
über jeweils eine Umkehrstufe. Die Ausgänge der Und-Gatter sind im Sinne einer Summenbildung
ihrer Ausgangsgrößen zusammengeschaltet. Am Ausgang der beiden Und-Gatter liegt
dann eine Ausgangsgröße an, die bei wachsendem Polradwinkel nach Art einer Dreieckfunktion
verläuft.
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Eine andere Lösung zur überlagerung der beiden Impulsspannungen besteht
bei Verwendung der Kreisscheibe zur Erzielung der rechteckförmigen Impulsspannung
des Polradzeigers darin, hinter der Kreisscheibe eine Lampe anzuordnen, die in Abhängigkeit
von der Impulsspannung des Netzspannungszeigers erregt ist, also im Wechsel der
Impulse aufleuchtet. _ Ferner kann eine Überlagerung der beiden Impulsspannungen
dadurch hervorgerufen werden, daß der ersten Impulsspannung ein Polaritätswechsler
zugeordnet wird und die so um 180° el verschobene Impulsspannung mit der zweiten
Impulsspannung in einem Summierglied addiert und an dem Ausgang des Summiergliedes
eine Gleichrichteranordnung angeschlossen wird. Die Ausgangsgröße der Gleichrichteranordnung
verläuft dann ,mit wachsendem Polradwinkel nach einer periodischen Dreieckfunktion.
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Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen; es zeigt
Fig. 1 ein Diagramm des gewünschten Verlaufes des Betrages der Ausgangsgröße des
Meßgerätes in Abhängigkeit vom Polradwinkel des Synchrongenerators, Fig. 2 eine
Schaltung zur Nachbildung der Kreisfreqenz des Netzspannungszeigers und der Kreisfrequenz
des Polradzeigers durch je eine ihnen zugeordnete Impulsspannung, Fig. 3 eine Vorrichtung
zur Nachbildung der Kreisfrequenzspannung des Polradzeigers durch eine Impulsfrequenz
mit Hilfe einer Kreisscheibe, Fig. 4 eine Schaltung zur Überlagerung der beiden
Impulsspannungen mit Und-Gattern, Fig. 5 eine Schaltung zur Überlagerung der beiden
Impulsspannungen mit Polaritätswechsler und Summierglied.
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Die Schaltung nach Fig. 2 enthält zwei Eingänge mit den Klemmen
a, b und c. Die Klemme b dient beiden Eingängen gemeinsam und ist
über einen Leiter 1 an Erde geführt. Von der Eingangsklemme a führt ein Leiter 2
über einen Widerstand 3 zum Eingang 5 des Schaltverstärkers 4. Als Schaltverstärker
kann z. B. ein Schalttransistor verwendet werden. Die Eingangsklemme c ist über
einen Leiter 7, einen Widerstand 6 mit dem Eingang 9 eines Schaltverstärkers 8 verbunden.
Die Schaltverstärker 4 und 8 sind in gleicher Weise aufgebaut. Parallel zu den Eingängen
a, b und b, c liegt je ein Paar Dioden 10, 11 und 12, 13 mit zueinander
entgegengesetzter Polarität. Die Dioden 10, 11 und 12, 13 dienen als Begrenzerschaltung.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: An die Klemmen a, b wird
z. B. die Kreisfrequenzspannung des Netzspannungszeigers angelegt. Die Klemmen
a, b sind hierzu mittelbar oder unmittelbar mit den Spannungsklemmen des
Synchrongenerators oder mit den Hauptleitern des Netzes verbunden. An den Klemmen
c, b liegt die Ausgangswechselspannung eines Wechselstrom-Tachodynamos, der seinerseits
direkt mit dem Polrad des Synchrongenerators gekuppelt ist. Durch die Begrenzerschaltung,
bestehend aus den Dioden 10, 11 bzw. 12, 13, wird ein Teil der Sinushalbwelle der
zugeführten Spannungen abgeschnitten. Somit liegt am Eingang der Schaltverstärker
4 und 8 eine Spannung mit praktisch rechteckförmigem Verlauf.
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Die Schaltverstärker 4 und 8 geben bei positiver Halbwelle ihre Eingangsspannung
an ihren Ausgang weiter und unterdrücken die negative Halbwelle der Eingangsspannung.
An den Ausgängen der Schalt verstärker 4 und 8 liegt also eine der Kreisfrequenz
des Netzspannungszeigers und der Kreisfrequenz des Polradzeigers entsprechende Impulsspannung
an.
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In Fig. 3 wird die der Kreisfrequenz des Polradzeigers entsprechende
Impulsspannung auf photoelektrischem Wege erzeugt. Es ist hierzu mit dem Synchrongenerator
14 eine Kreisscheibe 15 direkt gekuppelt. Am Umfang der Kreisscheibe sind Ausnehmungen
16 vorgesehen. Die Zahl der Ausnehmungen entspricht dabei der Polpaarzahl des Synchrongenerators
14. Die Breite der Ausnehmungen der Kreisscheibe 15 ist so groß gewählt, daß der
Lichtstrahl einer hinter der Kreisscheibe 15 angeordneten Lampe 17 nur während einer
Halbperiode der Kreisfrequenz des Polradzeigers auf die andere Seite der
Kreisscheibe
gelangen kann. Auf der anderen Seite der Kreisscheibe 15 gegenüber der Beleuchtungslampe
17 ist eine fotoelektrische Zelle 18 angeordnet, die vom Lichtstrahl der Beleuchtungslampe
17 angeregt wird. Somit gibt die Fotozelle bei rotierender Kreisscheibe an ihrem
Ausgang eine Impulsspannung ab, die der Kreisfrequenz des Polradzeigers entspricht.
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Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung dient zur überlagerung der
beiden Impulsspannungen. Sie enthält drei Eingangsklemmen d, e und f. Die Eingangsklemme
fliegt direkt an Null-Potential (Erde). Der Eingang für die eine Impulsspannung
besteht- aus den Klemmen d, f und der für die andere Impulsspannung aus den Klemmen
e, f. Die Klemme d ist über einen Leiter 19 mit dem ersten Eingang eines
Und-Gatters 20 verbunden. Der zweite Eingang des Und-Gatters 20 ist über
eine Umkehrstufe 21 mit der Eingangsklemme e verbunden. Die Klemme e ist
ferner noch über den Leiter 22 direkt mit dem ersten Eingang des Und-Gatters 23
verbunden. Der zweite Eingang des Und Gatters 23 ist über eine Umkehrstufe 24 an
die Klemme d angeschlossen. Die Ausgänge der Und-Gatter 20 und 23 sind über den
Leiter 25 zusammengeschaltet.
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Die Wirkungsweise der Anordnungen ist folgende: Den beiden Klemmen
d und e werden die Ausgangsspannungen der Schaltverstärker 4 und 8 nach Fig. 2 zugeführt.
Am Ausgang der beiden Und-Gatter 20 und 23 liegt nur dann ein Signal an, wenn an
den Klemmen e, f bzw. d, f sich die Signale nicht überdecken. Es entsteht
somit am Ausgang der Vorrrichtung zur Überlagerung eine Impulsspannung mit vorgegebener
Amplitude, deren Impulsbreite porportianal dem Polradwinkel ist. Der Gleichstrommittelwert
der Impulsspannungen folgt dem Polradwinkel nach der in Fig. 1 beschriebenen Dreieckfunktion.
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Die Vorrichtung zur Überlagerung der Impulsfrequenzspannung nach Fig.
5 enthält wie die Vorrichtung nach Fig. 4 zwei Eingänge, bestehend aus den Klemmen
g, i und h, i. Die Klemme i ist direkt mit dem Null-Potential (Erde)
verbunden und beiden Eingängen gemeinsam. Am Eingang g, i wird die eine und am Eingang
h, i die andere Impulsspannung angelegt. Die Klemme g ist über einen Leiter
26 mit einem Eingang des Summiergliedes verbunden, während die Klemme h über einen
Polaritätswechsler 27 mit dem zweiten Eingang des Summiergliedes verbunden ist.
Der Polaritätswechsler 27 ist so ausgelegt, daß die um 180° e1 gedrehte Impulsspannung
an seinem Ausgang in ihrer Amplitude der Impulsfrequenzspannung an die Klemmen g,
i gleich ist. Am Ausgang des Summiergliedes ist eine Eingangsklemme einer Gleichrichteranordnung
28 angeschlossen. Die andere Eingangsklemme der Gleichrichteranordnung 28 liegt
an Null-Potential (Erde). Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 5 ist folgende:
In den überlappungsbereichen der beiden Eingangsimpulsspannungen heben sich im Summierglied
die beiden miteinander summierten, um 180° e1 versetzten Impulse auf, während in
den übrigen Bereichen die Impulse erhalten bleiben und am Ausgang des Summiergliedes
als Wechselspannung anstehen.
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Durch Gleichrichtung in der Gleichrichteranordnung wird diese in eine
Ausgangsgröße, entsprechend Fig. 4, umgerichtet.
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Das neue Meßgerät zeichnet sich durch seinen besonders einfachen Aufbau
aus und hat den Vorteil, daß seine Ausgangsgröße ohne weitere Umformung zur Regelung
eines Synchrongenerators bzw: Stabilisierung eines Phasenschiebers herangezogen
werden kann.