DE1763525A1 - Schaltung zum automatischen Parallelschalten eines Wechselstromgenerators mit einer spannungsfuehrenden Netzleitung - Google Patents

Description

laus Neubecker Düsseldorf, den 18. Juni 1968

Patentanwalt
4 Düsseldorf-Eller
AmStrautsenkreuz53,Te!.72265i

WE 38,203 6828

Westinghöus.e Electric Corporation

Pittsburgh, Pa.', Y. St. A.

Schaltung zum automatischen Parallelschalten eines Wechselstromgenerators mit einer spannungs· führenden Netzleitung _

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur automatischen Parallelschaltung eines Wechselstromgenerators mit einer spannungsführenden Netzleitung.

Wenn ein Wechselstromgenerator parallel zu einem oder mehreren weiteren Generatoren geschaltet werden soll, so müssen die Generatoren zum Zeitpunkt des Zusammenschaltens sich jedenfalls, weitgehend in Synchronismus befinden. Das gleiche gilt entsprechend, wenn der zuzuschaltende Generator an eine Leitung angeschlossen werden soll, die mit dem anderen Generator bzw. weiteren Generatoren bereits in Verbindung steht. Das bedeutet, daß Spannung, Frequenz und Phasenwinkel des zuzuschaltenden Generators und der Leitung innerhalb bestimmter Grenzen nahezu dieselben Werte aufweisen müssen, um das Auftreten unzulässig hoher Stoß-

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Spannungen in dem Leitungssystem zu verhindern und andererseits sicherzustellen, daß der zugeschaltete Generator in Synchronismus mit der Leitung läuft und in der gewünschten Weise parallel mit den anderen Generatoren arbeitet.

Wenn die Generatoren mit Steuer- oder Regeleinrichtungen versehen sind, um die Frequenz und die Spannung der Generatoren in Nähe der gewünschten Werte zu halten, so kann die Parallelschaltung mittels Einrichtungen herbeigeführt werden, die die Frequenz- und die Phasenwinkeldifferenzen zwischen den Spannungen des zuzuschaltenden Generators und der Netzleitung erfassen. Ein von diesen Einrichtungen abgegebenes Ausgangssignal steuert einen zwischen dem zuzuschaltenden Generator und der Netzleitung angeordneten Schalter so, daß er gerade im richtigen Moment, d. h. wenn der zuzuschaltende Generator sich in ausreichendem Maße in Synchronismus mit der Netzleitung befindet, schließt.

Zu diesem Zweck werden beispielsweise für elektrische Systeme in Flugzeugen vorzugsweise ruhende Einrichtungen verwendet, weil sie eine sehr hohe Zuverlässigkeit auch unter ungünstigen Umweltbedingungen aufweisen und überdies sehr klein ausgebildet sein und ein geringes Gewicht haben können. In bisher bekannten ruhenden Schaltungen zur automatischen Parallelschaltung wurden die Phasenwxnkeldifferenz und die Frequenzdifferenz bzw. der Schlupf (Schlupffrequenz) zwischen dem zuzuschaltenden Generator und der Netzleitung in der Regel gesondert ermittelt. Dabei wurde

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zwischen einander entsprechende Phasen des Generators und der. Leitung ein Transformator geschaltet, um eine der Phasendifferenzproportionale modulierte Spannung zu erhalten. Diese Spannung wurde gleichgerichtet und gefiltert, so daß sich eine Gleichspannung ergab, deren Amplitude die Phasendifferenz repräsentierte. Die Bestimmung des Schlupfes erfolgte, indem man eine ähnliche modulierte Spannung erzeugte, deren Frequenz der Differenz zwischen den Frequenzen des zuzuschaltenden Genferators und der Lei- M tung gleich war. Diese modulierte Spannung wurde ebenfalls gleichgerichtet und gefiltert, so daß man eine pulsierende Gleichspannung erhielt, die zur Anzeige des Schlupfes bzw. der Schlupffrequenz ausgewertet werden konnte.

Diese bekannten Schaltungen zur automatischen Parallelschaltung sind in starkem Maße erfolgreich eingesetzt worden, eignen sich jedoch nicht sehr gut,, wenn eine Miniaturisierung vorgenommen werden soll. Andererseits besteht ein zunehmendes Bedürfnis, die

Steuerausrüstung für Flugzeuge und Baumfahrzeuge hinsichtlich ^ Größe und Gewicht zu verringern. Die bekannten, zur automatischen Parallelschaltung dienenden Schaltungen erfordern jedoch Transformatoren und Filterkondensatoren, die notwendigerweise verhältnismäßig" groß und sperrig sind, so daß Größe und Gewicht solcher Schaltungen sich nicht nennenswert herabsetzen lassen. Die bekannten Parallelschaltungs-Schaltungen sind außerdem insofern als nachteilig anzusehen, als sie eine hohe Verlustleistung aufweisen, für die Erfassung der elektrischen Größen temperaturempfindliche

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Bauelemente wie Zenerdioden enthalten und außerdem von Schwankungen der Genratorspannungen nicht unabhängig sind.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher in erster Linie die Schaffung einer kleinen und leichten Schaltungsanordnung zur automatischen Parallelschaltung, bei der weder Transformatoren noch Filterkondensatoren benötigt werden, so daß sie sich auf einfache Weise unter Verwendung kleiner Halbleiterelemente oder integrierter Schaltkreise miniaturisieren läßt, die jedoch eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit aufweist und weder durch Schwankungen der Umgebungstemperatur noch der Generatorspannung beeinträchtigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine elektrische Schaltung zur automatischen Parallelschaltung eines Wechselstromgenerators mit einer spannungsführenden Netzleitung erfindungsgemäß durch je einen Halbweggleichrichter zur Halbweggleichrichtung der Spannung der Netzleitung einerseits sowie des Generators andererseits gekennzeichnet, ferner durch eine Schaltungsanordnung zur Überlagerung der halbweggleichgerichteten Spannungen gleicher Polarität, durch einen auf die überlagerten Spannungen ansprechenden, zur Erfassung der Phasendifferenz geeigneten Schaltkreis, der für den Fall, daß die Dauer von Nullspannungsintervallen der überlagerten Spannungen größer als ein Bezugswert s4»d und somit die Phasendifferenz zwischen den Spannungen

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der Netzleitung und des Generators geringer als die für das Parallelschalten erforderliche Miniraalphasendifferenz ist, Spannungsimpulsfolgen liefert, deren Wiederkehr-Häufigkeit mit wachsender Schlupffrequenz steigt, durch einen auf die Spannungsimpulsfolgen ansprechenden, zur Frequenzdifferenzerfassung geeigneten Schaltkreis, der für den Fall, daß der Schlupf zwischen den Spannungen des Generators und der Netzleitung geringer als der für die Parallelschaltung erforderliche Minimalschlupf ist, ein Ausgangssignal erzeugt, sowie durch eine auf das Ausgangssignal ansprechende und dabei den Generator mit dem Netz verbindende Schalteinrichtung.

Da von dem Genrator und der Netzleitung abgenommene halbweggleichgerichtete Spannungen gleicher Polarität überlagert werden, ändert sich die Dauer der Nullspannungsintervalle zwischen aufeinander folgenden Halbwellen entsprechend der Phasendifferenz zwischen den Spannungen der Netzleitung und des Generators. Die Größe dieser Änderung dient als Maß für die Phasendifferenz.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der zur Erfassung der Phasendifferenz dienende Schaltkreis einen Kondensator aufweisen, dessen Ladungs- bzw. Entladungszustand von den überlagerten Spannungen abhängig ist, und die Dauer der Nullspannungsintervalle wird durch Vergleich der Kondensatorspannung mit einer ßezugsspannung gemessen. In einem solchen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der zur Frequenzdifferenzerfassung dienende Schalt-

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kreis ebenfalls einen Kondensator auf, der durch die Spannungsimpulsfolgen so aufgeladen wird, daß seine Spannung die Schlupffrequenz bzw. den Schlupf anzeigt. Wenn die richtige Schlupffrequenz sich einstellt, wenn der zur Erfassung der Phasendifferenz dienende Schaltkreis einen Spannungsimpuls abgibt, so wird ein End-Ausgangssignal erhalten, mit dessentHilfe die Verbindung des Generators mit der Netzleitung beispielsweise über einen Generatorschalter bewirkt werden kann. Auf diese Weise wird eine Schaltung zur automatischen Parallelschaltung erhalten, die sich zur Miniaturisierung eignet, da weder Transformatoren noch Filterkondensatoren benötigt und durchweg integrierte Schaltkreise oder andere Miniatur-Bauelemente verwendet werden können.

Weitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 u. 3 Diagramme mit an bestimmten Punkten der Schaltung nach Fig. 1 auftretenden Spannungen bei großem bzw. kleinem Schlupf.

Mit Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in seiner Zuordnung zu einem Schaltungsaufbau für die Steuerung der Parallelschaltung von zwei Wechselstromgeneratoren 1 und 2

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wiedergegeben. Die Generatoren 1 und 2 können beliebiger Bauart sein. Sie sind hier als 3-phasige Generatoren gezeigt, die über 3-phasige Leitungen 3 und 4 mit Netzleitungen 5 verbunden sind. Zur Parallelschaltung können die Generatoren 1 und 2 mittels der Leitungen 3 bzw. 4 über einen Schalter 6 miteinander verbunden werden. Der Schalter 6 kann ebenfalls beliebiger Bauart sein. Er weist in dem mit Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel eine Schließwicklung 7 auf, die in der nachstehend beschriebenen Weise automatisch gesteuert wird. Diese Schließwicklung 7 kann dabei je nach Wunsch auch zusätzliche Einrichtungen zur automatischen oder manuellen Betätigung haben. Der Schalter 6 ist ferner mit einem Freigaberelais 8 versehen, das auf geeignete Weise manuell oder automatisch gesteuert werden kann.

Die Generatoren 1 und 2 sind in üblicher Weise mit (nicht dargestellten) Spannungsreglern geeigneter Bauart gekoppelt, die die Generatorspannungen mit ausreichender Genauigkeit auf einem gewünschten Spannungswert halten, bei dem eine Parallelschaltung möglich ist. Der bisher beschriebene Aufbau ist als repräsentativ für andere Systeme anzusehen, bei denen ein Wechselstromgenerator mit einem oder mehreren weiteren Generatoren parallelgeschaltet werden soll, während der Schalter 6 als repräsentativ für geeignete Schalteinrichtungen anzusehen ist, mit deren Hilfe ein Generator an eine spannungsführende Leitung bzw. einen anderen spannungsführenden Generator angeschlossen werden kann.

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Wie erwähnt, muß der Schalter 6 so gesteuert werden, daß er nur dann schließt, wenn der zuzuschaltende Generator sich weit genug in Synchronismus mit der Leitung befindet, um eine Parallelschaltung vornehmen zu können. Die Steuerung des Schalters 6 muß daher so erfolgen, daß eine Schließung nur dann möglich ist, wenn die Frequenzen und die Phasenwinkel des zuzuschaltenden Generators einerseits und der Leitung andererseits einander weit genug entsprechen, um den Generator ohne unzulässig hohe Stoßspannungen in dem gesamten Schaltungsaufbau in Synchronismus zu bringen.

Erfindungsgemäß ist daher eine allgemein mit 10 bezeichnete statische Schaltung zur automatischen Parallelschaltung vorgesehen. Eine Eingangsspannung, auf die die Schaltung 10 anspricht, wird über Dioden 11 erhalten, die mit einander entsprechenden Phasen der beiden Generatoren 1 und 2 bzw. des zuzuschaltenden Generators und der Netzleitung 5 verbunden sind. Die Dioden 11 liefern gleichgerichtete Halbwellenspannungen gleicher Polarität und sind in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise zusammengeschaltet, so daß die beiden Spannungen einander überlagern. Die zusammengefaßten Kathoden der Dioden 11 beaufschlagen über einen Vorwiderstand 12 die Schaltung 10 mit den überlagerten Spannungen als Eingangsspannung.

Da die überlagerten Spannungen gleichgerichteter Halbwellenspannungen gleicher Polarität sind, befinden sie sich beide in Koin-

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zidenz, wenn die beiden Generatoren 1, 2 sich genau in Phase befinden. Für die Eingangsspannung ergeben sich dementsprechend die aus dem obersten linken Diagramm der Fig. 2 bzw. 3 ersichtlichen Verhältnisse, wo die Nullspannungsperioden zwischen aufeinanderfolgenden Halbwellen jeweils gleich den Perioden der Halbwellen selbst sind. Wären die Spannungen genau um 180 phasenverschoben, so würde die Eingangsspannung als vollweggleichgerichtete Spannung ohne Nullspannungsperioden zwischen den einzelnen Halbwellen erscheinen. Für Phasenwinkel zwischen 0 und

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180 nimmt die Dauer der Nullspannungsperioden für zunehmende Phasenwinkel ab. In dem rechten oberen Diagramm der Fig. 2 bzw.3 sind als veranschaulichendes weiteres Beispiel die Verhältnisse für einen Phasenwinkel von 90° gezeigt. Die Dauer der Nullspannungsintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Halbwellen ändert sich somit zwischen einer vollen Halbperiode und Null und ist dabei umgekehrt proportional dem Phasenwinkel zwischen den Generatorspannungen. Diese Änderung der Dauer des Nullspannungsintervalls wird in der Schaltung 10 zur Erfassung des Phasenwinkels zwischen den Generatorspannungen ausgewertet, indem eine der Dauer der Nullspannungsintervalle proportionale Spannung in einem als Phasendiskriminator wirkenden, die Phasendifferenz erfassenden Schaltkreis mit einer festen Referenz- bzw. Bezugsspannung verglichen wird.

Die zur automatischen Parallelschaltung der beiden Generatoren 1, 2 bzw. eines der beiden Generatoren mit der Netzleitung 5 dienende Schaltung 10 weist einen solchen Phasendiskriminator 13

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sowie ferner einen als Schlupfdiskriminator wirkenden, die Schlupffrequenz erfassenden Schaltkreis auf. Der Phasendiskriminator 13 enthält einen Spannungsdiskrirainator 15, der jeden geeigneten Aufbau haben kann, hier jedoch als an sich bekannte Spannungsvergleichsschaltung bzw. als Differentialverstärker gezeigt ist. Derartige Schaltungen stehen in Form integrierter Schaltkreise zur Verfügung, die eine extrem starke Miniaturisierung der gesamten Schaltungsanordnung ermöglichen. Vorzugsweise finden im Rahmen der vorliegenden Erfindung solche integrierten Schaltkreise Verwendung, jedoch kann der mit strichpunktierten Linien eingerahmte Spannungsdiskriminator 15 statt dessen ebenso gut aus herkömmlichen, diskreten Bauelementen bestehen.

Der Spannungsdiskriminator 15 weist zwei gleichartige, als NPN-Elemente dargestellte Transistoren 16 und 17 auf, deren Emitter über einen gemeinsamen Emitterwiderstand 18 sowie eine Verbindung 19 an Masse angeschlossen sind. Die Basen der beiden Transistoren 16 und 17 stehen über eine Verbindung 20 bzw. 21 jeweils mit den miteinander zu vergleichenden Potentialen in Verbindung. Ein komplementärer dritter, hier dementsprechend als PNP-Element wiedergegebener Transistor 22 ist als Verstärker mit seiner Basis über einen Widerstand 23 an den Kollektor des Transistors 16 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 22 ist mit einer Ausgangsleitung 24 verbunden, während der Emitter des Transistors 22 an eine geeignete Gleichspannungsquelle gelegt ist. Zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 22 ist in der aus Fig. ersichtlichen Weise ein Widerstand 25 geschaltet. Der Kollektor

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des Transistors 17 steht über einen Widerstand 26 ebenfalls mit der Gleichspannungsquelle in Verbindung.

Beim Anliegen einer Spannung an die Verbindung 21 wird der Transistor 17 leitend, so daß in seinem Kollektor-Emitterkreis ein Strom fließt und dementsprechend in dem Emitterwiderstand eine Spannung abfällt, die die Emitter-Basisstrecke des Transistors 16 in Sperrichtung vorspannt und den Transistor 16 damit m nichtgleitend macht. Wird die Verbindung 20 mit einer Spannung beaufschlagt, die kleiner als die Spannung der Verbindung 21 ist, so verhindert die Vorspannung des Transistors 16 in Sperrrichtung einen Stromfluß. Überschreitet die Spannung der Verbindung 20 dagegen die Spannung der Verbindung 21, so übersteigt dementsprechend auch das wirksame Basispotential des Transistors 16 dasjenige des Transistors 17, so daß der Transistor 16 leitend wird und nun seinerseits veranlaßt, daß der Transistor 17 in Sperrichtung vorgespannt wird und somit in den nichtleitenden Zustand übergeht. Wenn der Transistor 16 leitet, erhält auch der ™ Transistor 22 eine wirksame Basisspannung, durch die der Transistor 22 in den leitenden Zustand übergeht, so daß an der Ausgangsleitung 24 eine Ausgangsspannung erscheint. Der Spannungsdiskriminator 15 wirkt damit als empfindliche Spannungsvergleichs— schaltung, die eine Ausgangsspannung liefert, wenn die der Verbindung 20 zugeführte Spannung größer als die auf die Verbindung 21 einwirkende Spannung ist.

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Ferner ist ein Eingangstransistor 27 vorgesehen, der Bestandteil des mit der strichpunktierten Linie angedeuteten, den Spannungsdiskritninator 15 bildenden integrierten Schaltkreises sein kann. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Transistor 27 als NPN-Element ausgebildet, da die Eingangsspannung für die Schaltung von den positiven Halbwellen der Generatorspannungen geliefert wird. Der Emitter des Transistors 27 liegt über die Verbindung 19 unmittelbar an Masse, während die Basis über eine Eingangsleitung 28 mit dem Vorwiderstand 12 verbunden ist und der Kollektor über eine Verbindung 29 sowie die Verbindung 20 an der Basis des Transistors 16 liegt.

Die Dauer der Nullspannungsperioden der der Schaltung 10 zugeführten Eingangsspannung wird mit Hilfe eines Kondensators 30 gemessen, der mit einem gleichbleibenden Wert über einen einstellbaren Widerstand 31 von der Gleichstromquelle aus aufgeladen wird. Der Kondensator 30 liegt mit seinem einen Ende an der Verbindung 20, über die die Basis des Transistors 16 mit der Kondensatorspannung beaufschlagt wird. Das andere Ende des Kondensators 30 ist an Masse angeschlossen. Die Basis des Transistors wird über die Verbindung 21 von einer Bezugsspannung gespeist. Die Bezugsspannung liegt fest und wird über einen von Widerständen 32 und 33 gebildeten Spannungsteiler von der Gleichspannungsquelle geliefert. Die Aufladung des Kondensators 30 während der Nullspannungsperioden wird durch die Eingangsspannung bestimmt. Die Eingangsspannung der Dioden 11 beaufschlagt über die Eingangsleitung 28 die Basis des Transistors 27, dessen Kollektor über

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die Verbindung 29 in Verbindung steht, so daß der Transistor 27 zu dem Kondensator 30 parallelgeschaltet ist. Solange die Eingangsspannung größer als Null ist, befindet sich der Transistor 27 im leitenden Zustand und entlädt den Kondensator Hat die Eingangsspannung den Wert Null, so hört der Transistor 27 auf zu leiten, und der Kondensator 30 lädt sich mit einem konstanten Wert auf, so daß die Kondensatorspannung der Dauer des Nullspannungsintervalls proportional ist.

Solange die Spannung des Kondensators 30 die Bezugsspannung übersteigt, erscheinen in der Ausgangsleitung 24 Äusgangsspannungsimpulse. Diese Ausgangsimpulse gelangen zu dem Schlupfdiskriminator 14. Der Schlupfdiskriminator 14 weist einen Spannungsdiskriminator 34 auf, der in ähnlicher Weise wie der Spannungsdiskriminator 15 des Phasendiskriminators 13 aufgebaut sein kann. Die Elemente des Spanmingsdiskriminators 34 sind daher mit den gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Elemente des Diskriminators 15 versehen, von denen sie sich jedoch durch einen zusätzlichen Strich unterscheiden. Ähnlich wie der Diskriminator 15 kann auch der Spannungsdiskriminator 34 von einem integrierten Schaltkreis gebildet sein, wie das wiederum mit strichpunktierten/Linien angedeutet ist.

Der Spannungsdiskriminator 34 wird von den erwähnten Ausgangsimpulsen der Ausgangsleitung 24 über eine Sperrdiode 35 gespeist, so daß er nur beim Auftreten einer von dem Spannungsdiskriminator 15 abgegebenen Ausgangsspannung beaufschlagt wird. Zu dem Schlupf-

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diskriminator gehört ein Kondensator 36, der durch die Ausgangs-Spannungsimpulse des Diskriminators 15 aufgeladen wird und mit der Ausgangsleitung 24 über einen Widerstand 37 und eine Sperrdiode 38 in Verbindung steht. In diesem Fall soll der Spannungsdiskriminator 34 aus nachstehend noch darzulegenden Gründen ein Ausgangssignal abgeben, wenn die Kondensatorspannung kleiner als ein vorgegebener Wert ist. Der Kondensator 36 ist deshalb mit ^ der Leitung 21* des Spannungsdxskriminators 34 verbunden, so daß er die Basis des Transistors 17· mit Spannung beaufschlagt. Der Basis des Transistors 16* wird von der Gleichspannungsquelle her die Bezugsspannung über einen Spannungsteiler zugeführt, der aus einem Festwiderstand 39 sowie einem mit der Basis des Transistors 16* verbundenen veränderlichen Widerstand 40 besteht.

Die Ausgangsleitung 24^f des Spannungsdiskriminators 34 beaufschlagt über einen Strombegrenzungswiderstand 45 sowie die Eingangsleitung 28* die Basis des Transistors 27* mit dem Ausgangssignal. Der Kollektor des Transistors 27* ist über die Verbindung 29* an die Basis eines Ausgangstransistors 41 angeschlossen, der das eigentliche Ausgangssignal liefert. Der Kollektor des Transistors 41 ist mit der Gleichspannungsquelle DC über einen Widerstand 42 verbunden, während sein Emitter an Masse angeschlossen ist. Parallel zu der Basis und dem Kollektor des Transistors 41 ist ein Vorspannungswiderstand 43 geschaltet. Das Ausgangssignal der Schaltung 10 erscheint somit am Kollektor des Transistors 41, der eine Steuereinheit 44 speist, mit deren Hilfe die Schließwicklung 7 des Schalters 6 betätigt werden kann. Die Steuereinheit

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44 kann beispielsweise zur Verstärkung dienende Halbleiterelemente sowie sonstige, zur Betätigung der Schließwicklung 7 bzw. des Schalters 6 erforderliche Schaltelemente enthalten. Sofern am Kollektor des Transistors 41 eine ausreichend große Energie zur Verfügung steht, so kann dieser auch unmittelbar an die Schließwickltmg des Schalters 6 angeschlossen sein.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen, zur automatischen Parallelschaltung dienenden Schaltung 10 wird nachstehend in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 erläutert. Wie vorstehend erwähnt und mit den Fig. 2 und 3 veranschaulicht, sind die Nullspannungsperioden oder Nullspännungsintervalle der überlagerten Eingangsspannungen dem Phasenwinkel zwischen dem zuzuschaltenden Generator und der Netzleitung umgekehrt proportional, und der Phasendiskriminator 13 spricht auf die Dauer der Nullspannungsintervalle an, so daß er jedesmal ein Ausgangssignal liefert, wenn die Spannungen des zuzuschaltenden Generators und der Netzleitung innerhalb der zulässigen Phasenwinkeldifferenz liegen.

Während der Zeitabschnitte, in denen die Eingangsspannung größer als Null ist, befindet sich der Transistor 27 im leitenden Zustand un^d schließt damit den Kondensator 30 im wesentlichen kurz, so daß dieser entladen wird und die Spannung Null führt. Wenn die Eingangsspannung auf Null absinkt, hört der Transistor 27 auf zu leiten, während der Kondensator 30 durch die Gleichspannungsquelle über den veränderlichen Widerstand 31 mit konstanter Ge-

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schwindigkeit aufgeladen wird, wie das mit den Diagrammen für die Spannung V~_o in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Die Spannung des Kondensators 30 bildet somit ein Maß für die Dauer der Intervalle, für die die Eingangsspannung den Wert Null hat. Wie vorstehend erwähnt, beaufschlagt die Spannung des Kondensators 30 die Basis des Transistors 16 zum Vergleich mit der festen, auf den Transistor 17 einwirkenden Bezugsspannung. Die Bezugsspan- ^ nung ergibt einen festen Schwellwert, der in den Fig. 2 und 3 mit A bezeichnet ist. Sobald die Kondensatorspannung diesen Schwellwert überschreitet, tritt in der Ausgangsleitung 24 des Spannungsdiskriminators 15 eine Ausgangsspannung V₃₄ auf. Wenn der Phasenwinkel zwischen der Spannung des zuzuschaltenden Generators und der Netzleitung sich innerhalb der dem Schwellwert A entsprechenden Grenze befindet, erscheint daher an der Ausgangsleitung 24 eine Folge von Spannungsirapulsen, wie das in der linken Hälfte der Fig. 2 bzw. 3 dargestellt ist. Wenn die Phasendifferenz diese Grenze überschreitet, treten in der Ausgangsleitung 24 keine Ausgangsimpulse auf, wie das aus der rechten Hälfte der Fig. 2 bzw. 3 ersichtlich ist. Das Auftreten einer Spannungsimpulsfolge in der Ausgangsleitung 24 zeigt somit an, daß die Spannung des zuzuschaltenden Generators und der Netzleitung innerhalb der zugelassenen Phasenwinkeldifferenz liegen.

Die Spannungsimpulse der Ausgangsleitung 24 gelangen zu dem Kondensator 36 des Schlupfdiskriminators 14 und laden diesen Kondensator auf. Wenn die Frequenzen der Spannung des zuzuschaltenden

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Generators einerseits und der Netzleitung andererseits nicht gleich sind, so befinden sieh die überlagerten Spannungen abwechselnd in Koinzidenz und außer Phase. Die Geschwindigkeit, mit der die beiden Spannungen sich gegeneinander verschieben, hängt dabei von der Frequenzdifferenz bzw. dem Schlupf (Schlupffrequenz) ab. Solange die beiden Spannungen sich in Synchronismus befinden, tritt in der Ausgangsleitung 24 im wesentlichen mit der Frequenz der parallel.zu.schaltenden Spannungen eine Spannungsimpulsfolge auf. Beim Auseinanderlaufen der Spannungen wird die Ausgangsspannungsimpulsfolge unterbrochen, sobald die Phasendifferenz die durch die Bezugsspannung A des Phasendiskriminators 13 bestimmte Grenze übersehreitet. Wenn daher der Schlupf verhältnismäßig groß ist, so folgen die einzelnen Abschnitte der Impulsfolgen einander verhältnismäßig rasch, während die Unterbrechungen bei kleinem Schlupf länger andauern. Da der Kondensator 36 durch diese Spannungsimpulse aufgeladen wird, wird darin bei großem Schlupf eine verhältnismäßig hohe Spannung aufgebaut, während bei kleinem Schlupf die Spannung des Kondensators 36 einen niedrigeren Wert hat, wie das mit der Spannung V„„ in der linken Hälfte der Fig. 2 für große Schlupfwerte und in der linken Hälfte der Fig. 3 für kleine Schlupfwerte dargestellt ist.

Die Spannung des Kondensators 36 kann daher als Maß für den . Schlupf dienen und, wie das vorstehend erwähnt wurde, mit einer in dem Spannungsdiskriminator 34 vorgesehenen Bezugsspannung

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verglichen werden. Die Bezugsspannung ist mittels des veränderlichen Widerstandes 40 einstellbar und beaufschlagt die Verbindung 20*, so daß der in den Fig. 2 und 3 mit B bezeichnete Schwellwert erhalten wird. Wenn die Spannung des Kondensators 36 wie in Fig. 2 oberhalb dieser Grenze liegt, so ist der Wert des Schlupfes zwischen den Frequenzen der beiden miteinander zu koppelnden Spannungen für eine Parallelschaltung zu groß, während er innerhalb der zulässigen Grenzen liegt, wenn die Kondensatorspannung sich wie in Fig. 3 unterhalb des Schwellwertes B befindet. Der Spannungsdiskriminator 34 vergleicht die Kondensatorspannung V₃₆ in der vorstehend erläuterten Weise mit der Bezugsspannung, so daß der Transistor 16· eingeschaltet und damit leitend wird, wenn die Kondensatorspannung die Bezugsspannung unterschreitet. Wenn gleichzeitig ein Spannungsimpuls V₉₄ des Spannungsdiskriminators 15 auf den Spannungsdiskrirainator 34 einwirkt, so erscheint in der Ausgangsleitung 24¹ ein Ausgangssignal Vp₄,, wie das in der linken Hälfte der Fig. 3 dargestellt ist. Dieses Spannungssignal beaufschlagt die Basis des Transistors 27^f, so daß dieser eingeschaltet wird und in den leitenden Zustand übergeht.

Der Ausgangstransistor 41 erhält seine Basisspannung normalerweise von der Gleichspannungsquelle DC, so daß er leitet und an seinem Kollektor im wesentlichen die Spannung Null führt. Wird jedoch der Transistor 27* leitend, so wird die Basis des Transistors 41 an Masse gelegt und somit der Transistor 41 gesperrt. Infolgedessen erscheint an dem Kollektor des Transistors

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41 ein Ausgangssignal V.-, das die Steuereinheit 44 speist und damit in der erläuterten Weise bewirkt, daß der Schalter 6 geschlossen wird.

Die Arbeitsweise der Schaltung kann somit dahingehend zusammengefaßt werden, daß die von dem zuzuschaltenden Generator und der Leitung abgezweigten überlagerten Eingangsspannungen den Phasendiskriminator 13 beaufschlagen, der eine Folge von Ausgangsspannungsimpulsen liefert, wenn die Eingangsspannungen sich innerhalb der gewünschten bzw. zulässigen Phasenwinkelgrenzen befinden. Die Ausgangsspannungsimpulse dieser Schaltung speisen den Schlupfdiskriminator 14, so daß von dem Schlupfdiskriminator 14 ein zur Schließung des Schalters 6 geeignetes Ausgangssignal abgegeben wird, wenn die Spannung des Kondensators 36 anzeigt, daß der Schlüpf bzw. die Schlupffrequenz innerhalb der zulässige© Grenzen liegt und außerdem ein Spannungsimpuls des Phasendiskriminators 13 vorhanden ist, der seinerseits anzeigt, daß die Phasenwinkeldifferenz innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegt. Die für die Phasenwinkeldifferenz zulässigen Grenzen werden durch Veränderung des Widerstandes 31 eingestellt, der die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 30 bestimmt, während die für den Schlupf zulässigen Grenzen durch

werden, Einstellung des veränderlichen Widerstandes 40 vorgegeben /"der.

die Bezugsspannung für den Schlupfdiskriminator 14 festlegt. Wie ersichtlich, lassen sich diese Einstellungen auf besonders einfache Weise vornehmen und sind dabei voneinander vollkommen unabhängig.

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Die erfindungsgemäße Schaltung zur automatischen Parallelschaltung hat viele Vorzüge. Sie verwendet nur statische bzw. ruhende Bauelemente mit geringen Abmessungen und großer Zuverlässigkeit und eignet sich in hervorragender Weise zur Miniaturisierung, da sich dafür beispielsweise, wie weiter oben erwähnt, integrierte Schaltkreise einsetzen lassen. Das führt auch zu wesentlich kleineren Verlustleistungswerten als bei bisher bekannten Schaltungen. Außerdem kann auf die Verwendung von für eine Miniaturisierung ungeeigneten, raumbeanspruchenden Transformatoren oder Filterkondensatoren verzichtet werden. Ferner sind keine temperaturempfindlichen Schaltelemente wie Zenerdioden zur Festlegung von Schwellwerten notwendig , so daß die Schaltung auch gegenüber Temperaturschwankungen unempfindlich ist und keinerlei teure und aufwendige Hilfsmittel zur Temperaturkompensation benötigt. Darüber hinaus ist die Schaltung gegenüber Schwankungen in der Amplitude der Generatorspannungen unempfindlich. Ferner läßt sie sich

oder ohne Vergrößerung ihrer Abmessungen/GenauigkeitsVerluste in

Schaltungen für jede Frequenz eingliedern.

Patentansprüche;

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Elektrische Schaltung zum automatischen Parallelschalten eines Wechselstromgenerators mit einer spannungsführenden Netzleitung, gekennzeichnet durch je einen Halbweggleichrichter zur Halbweggleichrichtung der Spannung der Netzleitung (5) einerseits sowie des Generators andererseits, durch eine Schaltungsanordnung zur Überlagerung der halbweggleichgerichteten Spannungen gleicher Polarität, durch einen auf die überlagerten Spannungen ansprechenden, zur Erfassung der Phasendifferenz geeigneten Schaltkreis, der für den Fall, daß die Dauer von Nullspannungsintervallen der überlagerten Spannungen größer als ein Bezugswert ist und somit die Phasendifferenz zwischen den Spannungen der Netzleitung (5) und des Generators geringer als die für das Parallelschalten erforderliche Minimalphasendifferenz ist, Spannungsimpulsfolgen liefert, deren Wiederkehr-

durch Häufigkeit mit wachsender Schlupffrequenz steigt,/einen auf die Spannungsimpulsfolgen ansprechenden, zur Frequenzdifferenzerfassung geeigneten Schaltkreis, der für den Fall, daß der Schlupf zwischen den Spannungen des Generators und der Netzleitung (5) geringer als der für das Parallelschalten erforderliche Minimalschlupf ist, ein Ausgangssignal erzeugt, sowie durch eine auf das Ausgangssignal ansprechende und dabei den Generator mit dem Netz verbindende Schalteinrichtung.

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2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erfassung der Phasendifferenz geeignete Schaltkreis einen Kondensator (30) aufweist, der so angeschlossen ist, daß er sich während Nullspannungsintervallen der überlagerten Spannungen mit konstanter Geschwindigkeit auflädt, und daß mit dem Kondensator (30) ein Spannungsdiskriminator (15) verbunden ist, der jedesmal einen Spannungsimpuls erzeugt,

φ wenn die Kondensatorspannung eine Bezugsspannung übersteigt, die die Minimalphasendifferenz bestimmt.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsdiskriminator (15) einen zum Spannungsvergleich dienenden Halbleiterschaltkreis mit einem von den überlagerten Spannungen gesteuerten Transistor (27) aufweist, über den sich der Kondensator (30) entlädt, wenn die überlagerten Spannungen größer als Null sind.

4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Frequenzdifferenzerfassung geeignete Schaltkreis einen von den Spannungsimpulsfolgen beaufschlagten Kondensator sowie einen Spannungsdiskriminator (34) aufweist, der mit dem Kondensator (36) verbunden ist und das Ausgangssignal liefert, wenn sowohl eine Spannungsimpulsfolge auftritt als auch die an dem Kondensator (36) anliegende Spannung kleiner als eine den Minimalschlupf bestimmende Bezugsspannung ist.

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5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsdiskriminator (34) einen zum Spannungsvergleich dienenden Halbleiterschaltkreis aufweist, dessen Eingang an den Ausgang mit den Spannungsimpulsfolgen angeschlossen ist.

6. Schaltung nach Anspruch 2 und 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladungsgesclrwirtdigkeit des Kondensators (30) verstellbar ist.

7. Schaltung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Minimalschlupf bestimmende Bezugsspannung verstellbar ist.

KN/sch 3

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