DE68919329T2

DE68919329T2 - Integrierte generatorgruppenregler-vorrichtung und -verfahren.

Info

Publication number: DE68919329T2
Application number: DE68919329T
Authority: DE
Inventors: David Koenig; Mark Schultz
Original assignee: Onan Corp
Current assignee: Onan Corp
Priority date: 1988-05-09
Filing date: 1989-05-03
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2009-05-04
Also published as: US5006781A; AU3552889A; EP0366767A1; AU615299B2; DE68919329D1; ATE114089T1; WO1989011179A1; EP0366767B1; CA1313220C

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem für die Regelung von Spannungs- und Stromausgangssignalen eines Generators mit ersten, mit dem Generator wirksam verbundenen Sensormitteln zum Messen von Spannungs- und Stromausgangssignalen des Generators und zum Erzeugen eines Spannungsmeßsignals und eines Strommeßsignals; und ersten Regelmitteln, die mit dem Generator und den ersten Sensormitteln zum Empfangen der Spannungsmeß- und Strommeßsignale wirksam verbunden sind, zum Regeln der Spannung- oder Stromabgabe des Generators.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum automatischen Regeln von Spannungs- und Stromausgangssignalen eines Generators mit den Schritten: Messen von Spannungs- und Stromausgangssignalen des Generators, Erzeugen eines Spannungsmeßsignals und eines Strommeßsignals und Empfangen des Spannungsmeßsignals und Strommeßsignals.
Ein Regelsystem dieser Art ist bereits aus US-A-43 22 630 bekannt und wird später detaillierter beschrieben.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen mikroprozessorgesteuerten, hochintegrierten Regler für eine Generatoranlage. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Regler für eine Elektrizitätsgeneratoranlage und ein Stromsystem, der Wirk- und Blindleistung auf parallel angeordnete Generatoranlagen verteilen kann und außerdem bei Verwendung eines einzigen Prozessors Frequenz, Spannung und Strom präzise regelt. Bei dieser Regelung werden die Leistung des Systems, die Zuverlässigkeit und die Kosten optimiert.
Die Ausgangsspannung eines elektrischen Generators wird von der Erregung der Feldwicklungen des Generators bestimmt. Die Ausgangsspannung des Generators kann darum in der Art eines geschlossenen Regelkreises geregelt werden, indem seine Ausgangsspannung gemessen, mit einem Referenzspannungspegel verglichen und ein entsprechendes Signal an die Feldwicklung gegeben wird. Die Drehzahl des den Generator antreibenden Motors steuert die Ausgangsfrequenz des Generators. Die Frequenz der Ausgangswellenform kann in der Art eines geschlossenen Regelkreises geregelt werden, indem die Drehzahl des Motors gemessen, mit einem Referenzwert verglichen und ein entsprechendes Signal zur Anpassung der Motordrosselklappe abgegeben wird.
Der Einsatz analoger Regelsysteme zur Regelung elektrischer Generatoren ist weit verbreitet. Üblicherweise werden für diese Regler verschiedenartige Bauelemente eingesetzt, um die beiden geschlossenen Regelkreisfunktionen (d. h. für die Ausgangsspannung des elektrischen Generators und für die Frequenz der Wellenform der Ausgangsspannung des elektrischen Generators) unabhängig voneinander durchzuführen. Üblicherweise werden diese Funktionen durchgeführt, ohne Informationen hinsichtlich des Zustandes der jeweils anderen geschlossenen Regelkreisfunktion untereinander auszutauschen. Außerdem sind die Schaltungen für diese beiden Regelfunktionen nicht miteinander gekoppelt. Bei einem Analogsystem sind also nicht nur die Bauelemente verschiedenartig, sondern die beiden Regelsysteme sind voneinander unabhängig und verschieden.
Wegen ihres in zweifacher Hinsicht verschiedenartigen Aufbaus haben Analogsysteme auch den Nachteil, daß sie Eingangstransformatoren und Schaltungen in doppelter Ausführung benötigen, wenn sie erweitert werden sollen. Weiterhin können die Systeme, da sie analog sind, keine Eigendiagnostik durchführen, ihren Betriebszustand nicht anzeigen und ihre Regelprozesse nicht zur Leistungsoptimierung integrieren. Schließlich erfordert die diskrete Regelung für jede Generatoreinheit eine Kalibrierung.
Es sind Versuche unternommen worden, Generatoranlagenregler zu integrieren, beispielsweise wie in dem Patent der USA Patent Nr. 43 22 630 beschrieben, und für die Regelfunktionen eine Mikroprozessorsteuerung vorzusehen. Jedoch ist bei keinem Versuch eine vollständige Integration der gesamten Generatoranlagenregelung gelungen. Außerdem ist nirgendwo die präzise Regelung von Frequenz-, Spannungs- und Stromzuständen, von automatischer Synchronisation parallel angeordneter Generatoren, zulässiger Parallelschaltung und sowohl Wirkals auch Blindleistungsverteilung bei Parallelbetrieb integriert worden. Die vorliegende Erfindung schafft ein integriertes System und Verfahren zur Durchführung, mit dem eine gegenüber den oben beschriebenen Reglern für Generatoranlagen verbesserte Leistung erzielt wird.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Reglersystems und eines Verfahrens zum automatischen Regeln der Ausgangsspannung des Generators während normaler Bedingungen und die automatische Regelung des Ausgangsstromes des Generators bei auftretenden Störbedingungen wie einem Kurzschluß.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines hochintegrierten Regelsystems zum Überwachen und Regeln einer Generatoranlage für Elektrizität, die im nachfolgenden Text als Generatoranlage bezeichnet wird. Insbesondere soll die vorliegende Erfindung die Voraussetzungen zur Durchführung der folgenden Regelfunktionen schaffen: elektronische Reglersteuerung, Messen der Motordrehzahl, Motorstörungsüberwachung, Stromkreisunterbrecherregelung, Störung durch Überlastung, Störung durch Kurzschluß, automatische Synchronisierung, zulässige Parallelschaltung, Störungen durch zu hohe und zu geringe Spannung, Fernmessung und -regelung, Starthilferegelung, Ausgangsleistungsberechnung und -anzeige, Störung durch Rückstrom, Regelung der zulässigen Parallelschaltung, Regelung der Wirkleistungsverteilung bei Parallelbetrieb, Regelung der Blindleistungsverteilung bei Parallelbetrieb, eingebaute Selbstdiagnose und Vorrichtung zum Anschluß externer Diagnosevorrichtungen.
Nach der Erfindung ist zum Lösen der Hauptaufgabe der Erfindung ein Regelsystem, wie es oben beschrieben wurde, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Regelmittel so ausgelegt sind, daß sie die Spannungs- oder Stromausgangssignale des Generators entsprechend der Größe des Stromausgangssignals selektiv regeln; die ersten Regelmittel die Spannungs- oder Stromausgangssignale entsprechend einer Regelprozeßgleichung mit Koeffizienten regeln, wobei die Koeffizienten der Regelprozeßgleichung abhängig davon geändert werden, ob Spannungs- oder Stromsignale geregelt werden.
Nach der Erfindung ist zur Lösung der Hauptaufgabe der Erfindung ein Verfahren zur automatischen Regelung von Spannungs- und Stromausgangssignalen des Generators, wie oben definiert, gekennzeichnet durch wahlweises Regeln des Spannungs- oder Stromausgangssignals des Generators entsprechend der Größe des Stromausgangssignals unter Verwendung einer Regelprozeßgleichung mit Koeffizienten und Ändern der Koeffizienten der Regelprozeßgleichung entsprechend der jeweils durchzuführenden Regelung von Spannung oder Strom.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Regelsystem eine Mikroprozessorregeleinheit mit einer Zentraleinheit (CPU), mehreren Hochgeschwindigkeitsvorrichtungen zur Ein- und Ausgabe, einen A/D-Konverter mit acht Kanälen, einen löschbar programmierbaren Lesespeicher (EPROM), einen Impulsbreitenmodulator (PWM), eine Unterbrechungssteuerung, Eingabe-Ausgabe-Erweiterungschips (I/O-Erweiterungschips) und einen seriellen Anschluß. So umfassen beispielsweise die von der Reglereinheit überwachten Parameter die Motordrehzahl, die Generatorspannung und den -strom, die Lastschienenspannung, den Motoröldruck, die Wassertemperatur, Betriebsstoff und Geschwindigkeit, zusätzliche parallel angeordnete Generatoranlagen und Eingaben durch eine Bedienungsperson. Durch Überwachen und Vergleichen dieser Signale mit Bezugswerten und Bestimmen der den Regelgleichungen entsprechenden Ausgangswerte regelt der Mikroprozessor den Betrieb und die Abgabe des Motor-Generator-Systems.
Die beiden wichtigsten Regelfunktionen des integrierten Reglers sind die Regelung der Motordrehzahl pro Zeiteinheit, die die Frequenz der Generatorausgangswellenform beeinflussen, und die Regelung der Erregung der Feldwicklungen des Generators, was die Ausgangsspannung des Generators beeinflußt. Um diese beiden Funktionen zu regeln, verwendet der Mikroprozessor zwei unterschiedliche Proportional-Integral-Differential-Regelgleichungen, die im nachfolgenden Text als PID-Gleichungen bezeichnet werden. Die allgemeine Form einer PID-Gleichung im Zeitbereich ist wie folgt:
wobei Kp, Ki und KD die jeweiligen Konstanten für die Proportional-, Integral- bzw. Differentialterme sind. Die Konstanten der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Systemregelung wurden von dem vorher für Generatoranlagen eingesetzten analogen Kompensationsnetzwerk abgeleitet. Jedoch können die Konstanten auch durch Bestimmung der Transferfunktion bei Dauerzustandsreaktion oder andere ähnliche, im Stand der Technik bekannte Methoden aufgestellt werden. Das vorher eingesetzte analoge Kompensationsnetzwerk, aus dem die Stromkonstanten abgeleitet wurden, wird im Patent der USA Patent Nr. 45 33 863 näher beschrieben.
Um analoge Kompensationsnetzwerke in Gleichungen umzuwandeln, die von einem digitalen Mikroprozessor verwendet werden können, werden die das System beschreibenden Zeitbereichsgleichungen durch eine bilineare Transformation in den Z-Bereich umgewandelt. Die sich ergebenden Gleichungen werden in Faktoren zerlegt und vom Mikroprozessor als Regelgleichungen verwendet. Eine allgemeine, gründliche Beschreibung digitaler Regelung mit Mikroprozessoren kann bei P. Katz "Digital Control Using Microprocessors", 1981 Prentice/Hall, gefunden werden.
Um die tatsächlichen PID-Regelgleichungen für das bevorzugte Ausführungsbeispiel aus dem bestehenden analogen Kompensationsnetzwerk abzuleiten, werden drei Schritte ausgeführt. Zuerst wird die Transferfunktion des analogen Kompensationsnetzes bestimmt. In einem zweiten Schritt wird die Transferfunktion in den Z-Bereich umgewandelt, wobei die bilineare Umformung
S = 2/T (Z-1)/T (Z+1)
Drittens wird die daraus resultierende Gleichung in einen numerischen Algorithmus umgewandelt. Um diesen letzten Schritt auszuführen, müssen die Faktoren der Z-Bereich-Gleichung in die folgende Form gebracht werden:
Die Koeffizienten dieser Gleichung können einer Kaskadenrealisation entsprechen, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist (s. z. B. Katz, 140, infra). Wenn dann vier Konstanten (K&sub1;, K&sub2;, K&sub3; und K&sub4;) definiert werden, deren Werte auf den Widerständen und Kondensatoren des analogen Systems basieren, und die Aufstellung von sechs Variablen ermöglicht wird (A&sub1;, B&sub1;, C&sub1;, D&sub1;, X&sub1; und X&sub2;), um die für den Algorithmus erforderlichen Zwischenergebnisse zu speichern, kann der Regelprozeßalgorithmus wie folgt ausgedrückt werden:
wenn
A = (K&sub1;) (V&sub1;)
B = (K&sub2;) (X&sub1;)
C = (K&sub3;) (X&sub2;)
D = (K&sub4;) (X&sub2;)
dann ist
X&sub1; = X&sub1; + A
X&sub2; = A + B + C
U&sub1; = A + B-D
wobei U&sub1; der Ausgangswert des Algorithmus und V&sub1; dessen Eingangswert ist.
In ähnlicher Weise wird dieses Verfahren für jede der Regelgleichungen der Generatoranlage angewendet. Die sich ergebenden PID-Regelgleichungen sind zwar in der Form gleich, verwenden jedoch unterschiedliche numerische Werte für die Koeffizienten. Um die numerischen Werte für die Spannungsregelung-PID-Koeffizienten während der Stromregelung zu erhalten, wurden quantitative Tests durchgeführt, um die besten Ergebnisse zu bestimmen.
Die integrierte Reglereinheit enthält Datenverarbeitungsmittel zum Berechnen von Abtastraten und Werten der unterschiedlichen überwachten Parameter, zum Lösen der Regelgleichungen und zum Vergleichen der überwachten Parameter mit feststehenden Werten, um feststellen zu können, ob die gemessenen Parameter ihren Nennwert überschritten haben. Weiterhin umfassen die Datenverarbeitungsmittel Vorrichtungen zum Vergleichen von Frequenz und Phase der Spannung an der Hauptlastschiene mit Frequenz und Phase der Generatoranlage. Störanzeigen, Meßvorrichtungen und serielle Kommunikationsverbindungen sind ebenfalls vorgesehen. Eine weitgehendere Beschreibung des in der bevorzugten Ausführungsform eingesetzten Mikroprozessors ist im Intel "Embedded Controller Handbook" (1988, Copyright 1987) enthalten.
Im Betrieb tastet eine bevorzugte Ausführungsform der nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung aufgebauten integrierten Regeleinheit eine geregelte Phasenspannung alle zwei Millisekunden ab. Jede halbe Millisekunde zwischen der Zwei-Millisekunden-Abtastung tastet die Regeleinheit einen von mehreren anderen Analogkanälen ab. Zu diesen Kanälen gehören die beiden Spannungsphasen des Generators, die nicht geregelt sind, die drei Phasenströme des Generators, die Phasenwinkel der vom Generator erzeugten Spannungen und Ströme und mehrere andere Systemparameter. Der Mikroprozessor verwendet die Abtastwerte, indem er die Regelprozeßgleichungen anwendet und als Reaktion ein entsprechendes, geregeltes Spannungssignal über einen Impulsbreitenmodulator, der im Mikroprozessor vorgesehen ist, zur Erregung der Feldwicklungen des Generators abgibt.
Auf ähnliche Weise wird die Frequenz des Generators von der Regeleinheit geregelt. Die Überwachung der Frequenz ist im Unterbrecherbetrieb und asynchron vorgesehen und wird durchgeführt, nachdem von einem elektromagnetischen Abnehmer am den Generator antreibenden Motor eine eingestellte Anzahl von Impulsen empfangen wurde. Der Mikroprozessor wendet die entsprechende Regelsystemgleichung auf die gemessene Motordrehzahl an und übermittelt ein entsprechendes Signal über eine im Mikroprozessor vorgesehene Hochgeschwindigkeits-I/O-Vorrichtung an die Geschwindigkeitssteuerstufe, die die Drosselklappe des Motors regelt. Auf diese Weise regelt der Mikroprozessor Generatorspannung und -frequenz der elektrischen Generatoranlage.
Außer der Integration der grundlegenden Generatoranlagen-Regelfunktionen weist die vorliegende Erfindung als weiteres Merkmal die Fähigkeit zum Umschalten im Störfall in den Stromregelmodus im Echtzeitverfahren auf. Der Mikroprozessor schaltet aus der Spannung- in die Stromregelung immer dann um, wenn der aus einer der drei Phasen der Generatoranlage entnommene Strom 300% des Nennstromes des Generators überschreitet. In diesem Regelmodus ändert der Mikroprozessor die PID- Gleichungskoeffizienten der Spannungsregelung, um eine bessere Reaktion des Systems zu schaffen, und begrenzt gleichzeitig den Ausgangsstrom. Das System regelt den Strom der Phase mit dem höchsten Ausgangsstrom. Damit wird eine Phase geregelt, an die größere Lasten angeschlossen sind als an den anderen Phasen. Während der Strombegrenzungsregelung wird die analoge Kanalabtasttechnik geändert in eine Abtastung des höchsten Stroms alle zwei Millisekunden, während die anderen Kanäle, wie oben beschrieben, in Intervallen von einer halben Millisekunde abgetastet werden.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, die Generatoranlage mit der Lastschiene zu synchronisieren. Zur Synchronisierung der Generatoranlage überwacht der Mikroprozessor eine Phase der Lastschienenspannung. Dieses Signal wird von einem Nulldurchgangdetektor in eine Rechteckwelle umgewandelt und mit einem ähnlichen Signal verglichen, das von einem zweiten Nulldurchgangdetektor erzeugt wurde, dem eine Phase der Generatoranlagenspannung als Eingangssignal zugeführt wird. Der Vergleich wird von zwei monostabilen Stufen durchgeführt, die eine dem Phasenunterschied zwischen den beiden Spannungen entsprechende Spannung erzeugen. Die Spannung wird dann von einer Proportional-Integral-Kompensatorschaltung verarbeitet, um ein Signal zu erzeugen, das von dem Mikroprozessor in dem Geschwindigkeitssteuermodul bei der Synchronisierung der Generatoranlage mit der Lastschiene zur Anpassung der Frequenz der Generatoranlage verwendet wird.
Es ist weiterhin ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die an der Lastschiene vorhandene Last mit anderen an der Lastschiene angeschlossenen Generatoranlagen geteilt wird. Sind Generatoranlagen parallel an einer Lastschiene angeschlossen, so wird eine optimale Leistung dadurch erzielt, daß die durch die Last abgezogene Wirk- und Blindleistung gleichmäßig auf alle Generatoranlagen verteilt wird. Es ist deshalb sichergestellt, daß der Regler die von der Generatoranlage aus jeder der drei Phasen an die Lastschiene gelieferte Wirk- und Blindleistung berechnet und Ausgangssignale entsprechend der abgegebenen Wirk- bzw. Blindleistung erzeugt. Andere, mit der Lastschiene parallel geschaltete Generatoren liefern ebenfalls ähnliche Signale. Die Signale werden im Analogverfahren verglichen, und für Wirk- und für Blindleistung werden Korrektursignale an den Regler zurückgeleitet. Mit Hilfe der Korrektursignale paßt der Regler die Regelung des Motors an, um die Wirkleistung auszugleichen, und die Regelung der Feldwicklungserregung, um die Blindleistung auszugleichen.
Als weiteres Merkmal ist eine vom Mikroprozessor gesteuerte Schnellauslösekurve für Überlastungs- und Kurzschlußzustände. Diese Zustände sind zu definieren anhand der Eigenschaften des Generators und teilweise auf der Basis von staatlichen Spezifikationen. Das Merkmal besteht in der Regelung des Stromkreisunterbrechers. Der Unterbrecher wird zu einer gegebenen Zeit geöffnet, die im Zusammenhang steht mit der von der Last abgezogenen Strommenge. Wenn der Unterbrecher geöffnet ist, ist die Generatoranlage von der Lastschiene getrennt, was die Überlast oder einen Kurzschluß entfernt.
Aufgrund eines weiteren Merkmals ist ein zulässiges Parallelschalten von Generatoranlagen möglich. Dieses Merkmal stellt sicher, daß das Schaltschütz der Generatoranlage nicht schließt, wenn nicht die Lastschiene stromlos ist, oder über einen vorbestimmten Zeitintervall zwei Bedingungen zutreffen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Bedingung, daß der Phasenunterschied zwischen Ausgangswellenform der Generatoranlage und der Lastschiene weniger als 20º (plus oder minus) beträgt. Die zweite Bedingung ist, daß die Spannungsdifferenz geringer ist als 8 Volt (plus oder minus). Weil diese beiden Bedingungen über ein vorbestimmtes Zeitintervall erfüllt sein müssen, wird verhindert, daß das Schütz geschlossen wird, wenn die Bedingungen lediglich für einen sehr kurzen Zeitraum erfüllt sind.
Ein weiteres Merkmal stellt eine reduzierte Motordrehzahl beim Anlaufen sicher. Dieses Merkmal sorgt für ein "weiches" Anlaufen, so daß die Generatoranlage ihre Drehzahl von Null Umdrehungen pro Sekunde auf die normale Betriebsdrehzahl im Laufe von mehreren Sekunden erreicht. Außerdem ist ein weiches Starten der Spannung vorgesehen, wobei die Erregung der Feldwicklungen so begrenzt wird, daß ein Anstieg der Generatorausgangsspannung von Null Volt auf den normalen Betriebswert sich über mehrere Sekunden hinzieht.
Die Erfindung sieht weiterhin eine Spannung-Last-Abhängigkeit vor, durch die, wenn eine große Last plötzlich die Lastschiene belegt (wenn z. B. ein großer Elektromotor gestartet wird) und dadurch den Motor der Generatoranlage verlangsamt, die Spannung der Generatoranlage proportional zur Verringerung der Drehzahl des Motors der Generatoranlage abfällt. Der Spannungsabfall verringert die Last am Motor und ermöglicht eine Rückkehr der Frequenz auf ihren Nennwert.
Zusätzlich zu anderen Merkmalen und Vorteilen schafft die vorliegende Erfindung ein System zur Regelung einer Generatoranlage, mißt und schützt vor zu hoher und zu niedriger Spannung oder Kurzschlußbedingungen und verteilt Wirk- und Blindleistung auf zusätzliche Generatoranlagen. Diese und mehrere andere, die Erfindung charakterisierende Vorteile und Neuheitsmerkmale werden insbesondere deutlich in den beigefügten, einen Teil dieser Schrift bildenden Ansprüchen. Zum besseren Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile und Anwendungsziele wird sich auf die beigefügten Zeichnungen und die Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bezogen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen und -buchstaben in allen Ansichten entsprechende Elemente:
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines integrierten Generatoranlagenreglers, der nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; dabei bezeichnen Linien innerhalb des durch gestrichelte Linien eingegrenzten Reglerbereiches den Informationsfluß, und die Blöcke in dem Bereich stellen Module dar, die den Logikfluß darstellen;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der funktionalen Merkmale des Mikroreglers des mit Block 30 der Fig. 1 dargestellten Reglers;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der funktionalen Elemente des in Block 30 der Fig. 1 dargestellten Reglers;
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm des in Block 54a der Fig. 3 dargestellten Phasendetektors;
Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm von in Fig. 3 durch die Blöcke 54b bzw. 68 dargestelltem Phasendetektor und PI- Kompensator;
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm der automatischen Spannungsregel-Leistungsstufe, die in Fig. 1 durch Block 29 gekennzeichnet ist;
Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm der Kontrollausgangsleistungsstufe, die in Fig. 1 durch Block 24 gekennzeichnet ist;
Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm des durch die Blöcke 56 und 52 in Fig. 3 dargestellten Nulldurchgangdetektors;
Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm der Präzisionsgleichrichter und -filter, die in Fig. 3 durch den Block 57 angedeutet sind;
Fig. 10 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung, die die durch Block 53 in Fig. 3 gekennzeichnete Parallelschaltung als Modell darstellt;
Fig. 11 ist ein logisches Flußdiagramm, das die Hauptschleife des Computer-Programmbetriebes des in Fig. 1 bei 30 dargestellten Reglers der Generatoranlage darstellt;
Fig. 12 ist ein logisches Flußdiagramm, das den durch Block 204 in Fig. 11 gekennzeichneten Computer-Programmbetrieb darstellt;
Fig. 13 ist ein logisches Flußdiagramm, das den Computer-Programmbetrieb des Geschwindigkeitssteuermoduls darstellt, das vom Block 600 in Fig. 1 gekennzeichnet ist;
Fig. 14 ist ein logisches Flußdiagramm, das den Computer-Programmbetrieb des von Block 400 in Fig. 1 gekennzeichneten Spannung-Strom-Regelmoduls darstellt;
Fig. 15 ist ein logisches Flußdiagramm, das den Computer-Programmbetrieb der von Block 300 in Fig. 1 gekennzeichneten A/D- Serviceroutine darstellt;
Fig. 16 ist ein logisches Flußdiagramm, das den von Block 700 in Fig. 1 gekennzeichneten Computer-Programmbetrieb des Regelmoduls für zulässige Parallelschaltung darstellt;
Fig. 17 ist ein logisches Flußdiagramm, das den von Block 500 in Fig. 1 gekennzeichneten Computer-Programmbetrieb des Schaltungsunterbrechermoduls darstellt;
Fig. 18 ist eine graphische Darstellung der vom Regler 30 der Figur 1 zur Durchführung der unterschiedlichen logischen Module benötigten Zeit und stellt weiter die relative Zeit dar, in der die Module ausgeführt werden können, und
Fig. 19 ist eine graphische Darstellung mit linearer Teilung in der Abzissen- und logarithmischer Teilung in der Ordinatenachse von der Beziehung zwischen dem Prozentsatz des von der Generatoranlage 20 abgenommenen Nennstromes und der Zeit, die vor dem Öffnen des Unterbrechers 26 durch das Schaltungsunterbrechermodul 500 vergangen ist.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

In den Figuren ist eine Ausführungsform eines mikroprozessorgestützten, integrierten Generatoranlagenreglers dargestellt, der nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Das Regelsystem wird mit 30 bezeichnet. Das System aus Motor und Elektrizitätsgenerator wird nachfolgend als Generatoranlage bezeichnet und enthält nach Fig. 1 einen Motor 21 und seinen entsprechenden elektrischen Generator 22, der im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein bürstenloser Synchron-Drehstromgenerator ist. Der Generator 22 kann in Stern- oder Dreieckschaltung in beliebiger Spannungskonfiguration ausgebildet sein, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zum Zweck dieses Ausführungsbeispieles wird eine 120/208-Sternschaltung angenommen. Der Generator 22 wird von dem Motor 21 mechanisch angetrieben. Der Motor 21 kann auf vielerlei Weise ausgeführt sein und beispielsweise Gas, Dieselöl, Propangas oder auch andere Energieformen verwenden wie Windkraft oder Wasserkraft. Von der Generatoranlage 20 aus Motor und Generator kann angenommen werden, daß sie zwei Betriebszustände hat. Der erste Betriebszustand ist der "Arbeitszustand", bei dem der Motor Rotationsenergie für den Generator 22 erzeugt, damit dieser elektrische Energie erzeugt. Die Generatoranlage 20 kann mit einer Lastschiene 42 zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie verbunden sein. Der zweite Betriebszustand ist der "Sperrzustand", bei dem der Motor 21 keine Rotationsenergie erzeugt. Während des Sperrzustandes kann der Generator 22 keine elektrische Energie erzeugen.
Die unterschiedlichen Module und Vorrichtungen einer nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebauten Ausführungsform werden in der folgenden Reihenfolge beschrieben: Zuerst wird ein Überblick über den Informationsfluß zwischen den unterschiedlichen logischen Modulen des Reglers gegeben; als zweites wird das vom Regler 30 verwendete Mikroprozessor-Chip betrachtet; drittens wird eine Beschreibung der unterschiedlichen Verbindungsschemata des Reglers 30 gegeben; viertens werden die unterschiedlichen, in einer bevorzugten Ausführungsform eingesetzten peripheren Schaltungen beschrieben und zuletzt wird der Betrieb und die Regelung der Generatoranlage 20 durch den Regler 30 anhand von logischen Flußdiagrammen beschrieben, wobei diese Beschreibung auch im Regler 30 vorhandene Software einschließt.
In Fig. 1 ist innerhalb der gestrichelten Linien der Regler 30 mit einem Geschwindigkeitssteuermodul (GCM) 600 dargestellt, das Eingangssignale vom Drehzahlmeßmodul (SSM) 350 und Parallelbetriebregelmodul (PCM) 700 empfängt. Das Drehzahlmeßmodul SSM 350 empfängt Eingangssignale von einem magnetischen Abnehmer 51, der am Motor 21 angeordnet ist. Abnehmer 51 erzeugt, wie im Stand der Technik bekannt, eine Sinuswelle, indem Metallzähne dicht an einem magnetischen Abnehmer entlanggeführt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abnehmer 51 eine Ausführung des Modells DYNT-13200, wie es von Barber Colman hergestellt wird. SSM 350 erzeugt dann auf der Basis des Eingangssignals vom Abnehmer 51 einen Zahlenwert, der der Drehzahl der Generatoranlage 20 proportional ist. Diese Drehzahl bestimmt die Frequenz. Der Zahlenwert wird dann an das Geschwindigkeitssteuermodul GCM 600 geleitet. Das Geschwindigkeitssteuermodul GCM 600 berechnet die Drosselklappenstellung für den Motor 21, und zwar zum großen Teil auf der Basis der vom SSM 350 empfangenen Frequenz, obgleich das Parallelregelmodul PCM 700 diese Berechnung beeinflussen kann, wie weiter unten erläutert wird.
Das Ausgangssignal des GCM 600 für die Drosselklappenstellung wird an ein Impulsbreitenmodulatormodul PWMM 800 zur nachfolgenden Ausgabe über eine Hochgeschwindigkeit-Ein-Ausgabe-Vorrichtung 43 (Fig. 2) im Regler 30 geleitet. Das Signal wird von der Hochgeschwindigkeit-Ein- Ausgabe-Vorrichtung 43 an eine Steuerausgangsstufe 24 gegeben, die über ein Betätigungsglied 24,5 die tatsächliche Drosselklappenstellung des Motors 21 steuert.
Ein Spannungsregelmodul VMR 400 empfängt sein wichtigstes Eingangssignal vom A/D-Konvertermodul ADM 300. ADM 300 überwacht die vom Generator 22 erzeugten dreiphasigen Spannungen und Ströme über eine Leitung 27 (in der Zeichnung als nur eine Leitung dargestellt, obgleich bei einer bevorzugten Ausführungsform sieben Leitungen verwendet werden) und liefert die vom Spannungsregelmodul VRM 400 benötigte Information über Spannung und/oder Strom. Spannungsregelmodul VRM 400 nutzt die übermittelten Werte als Grundinformation zur Bestimmung des für den Impulsbreitenmodulator PWM 850 erforderlichen und dorthin zu sendenden Ausgangssignals. Eine automatische Spannungsregel-Treiberstufe AVR 29 empfängt das Ausgangssignal vom Impulsbreitenmodulator PWM 850. Die Spannungsregel-Treiberstufe 29 ist mit den Feldwicklungen 29.5 des Generators 22 verbunden.
Das Drehzahlmeßmodul SSM 350 liefert ebenfalls ein Eingangssignal an das Spannungsregelmodul VRM 400. Die vom SSM 350 an das VRM 400 gelieferte Information wird bei dem Merkmal des proportionalen Spannungsabfalls nach der vorliegenden Erfindung verwendet, wie es später beschrieben wird. Weiter liefert das Modul PCM 700 ein Eingangssignal an das VRM 400, und zwar während eines Parallelschaltvorganges, wie ebenfalls später beschrieben wird.
Das Modul VRM 400 sorgt ebenfalls für die Regelung jeder der drei Phasen des Drehstromes, auch dieser Vorgang wird später beschrieben.
Das Modul PCM 700 liefert also Eingangssignale an GCM 600 und VRM 400. Die Aufgabe des PCM 700 ist es, sicherzustellen, daß bei Anschalten von zusätzlichen Generatoranlagen AGS 40 an die Lastschiene 42 die Generatoranlage 20 nur dann an der Lastschiene angeschaltet wird, wenn sie mit der Lastschiene 42 synchron ist. Außerdem sorgt PCM 700 dafür, daß, wenn der Schaltungsunterbrecher 26 geschlossen ist, die Last verteilt wird.
PCM 700 bewirkt außerdem eine Synchronisierung der Generatoranlage 20 mit der Lastschiene 42. Dies wird erreicht, indem eine Spannung zur Überwachung der Phasendifferenz zwischen der Spannungswellenform an der Lastschiene 42 und der Generatoranlage 20 eingesetzt wird.
Der Schaltungsunterbrecher 26 wird über ein Schaltungsunterbrechermodul CIM 500 geregelt. Der Schaltungsunterbrecher 26 ist als Wechselstromschütz ausgebildet. Dieses Modul regelt sowohl das Öffnen als das Schließen des Schaltungsunterbrechers 26 nach Angabe der unterschiedlichen anderen Module, aber auch das Trennen des Generators 22 von der Lastschiene 42, indem der Schaltungsunterbrecher 26 in Übereinstimmung mit Fig. 19 geöffnet wird. In Fig. 19 ist beispielsweise dargestellt, daß der Schaltungsunterbrecher 26 bei einem Strom von weniger als 120% des Nennstromes des Generators 22 nicht trennt. Aus Fig. 19 geht weiter hervor, daß bei Auftreten eines Stromes von über 400% des Nennstromes sofort getrennt wird. Bei Werten zwischen 120% und 400% öffnet CIM 500 den Unterbrecher 26 auf zeitabhängige Weise. Die in Fig. 19 durch eine Schnellauslösekurve angegebenen Werte sind als Referenztabelle im Regler 30 gespeichert.
Ein Spannungsstörmodul VFM 900 empfängt vom A/D-Konvertermodul ADM 300 ein Eingangssignal über den Zustand der von der Generatoranlage 20 erzeugten Spannung. Diese Information wird an ein Überwachungsregelmodul MCM 150 geliefert, das das Hauptarbeitsmodul des Reglers 30 ist. Das Überwachungsregelmodul MCM 150 empfängt von jedem der bisher beschriebenen Module Informationen, ausgenommen die Module GCM 600 und VRM 400. MCM 150 empfängt außerdem ein Eingangssignal von einem bisher noch nicht beschriebenen Modul, dem Leistungsberechnungsmodul PWRM 200. Dieses PWRM 200 berechnet die Wirk- und die Blindleistung, die vom Generator 22 abgezogen wird, und liefert diese Information an das PCM 700, das PWMM 800 (um Anzeigeinstrumente 37 anzusteuern) und an das MCM 150.
Es ist ebenfalls dargestellt, daß der Regler 30 serielle Kommunikationen SER 34, Störungsanzeigen 35, Eingaben 36 einer Bedienungsperson (üblicherweise eine Kathodenstrahlröhrenvorrichtung CRT zur Darstellung von Systeminformationen für eine Bedienungsperson und eine Tastatur für Eingaben einer Bedienungsperson an den Regler) und Meßsteuerstufen 37 unterstützen kann. Der Regler 30 kann ebenfalls Starthilfe für den Motor 21 leisten (beispielsweise über Glühkerzen oder dergleichen). In der bevorzugten Ausführungsform ist der Regler 30 ein 8097 Mikroreglerchip der 8096-Familie von Reglerchips der Firma Intel.
Der Regler 30 ist auch in der Lage, mit zusätzlichen Generatoranlagen AGS 40 zu kommunizieren und die Lastschiene 42, mit der der Generator 22 verbunden ist, zu überwachen. In der Darstellung überwacht der Regler 30 eine Phase der Lastschienenspannung über eine Leitung 28.
Die Leitungen 27 und 28 sind mit Überwachungsvorrichtung verbunden, beispielsweise Amperemetern und Voltmetern oder Strom- und Spannungswandlern, die im Stand der Technik bekannt sind und nicht weiter beschrieben werden.
Als Zweites folgt eine Beschreibung des Mikroreglerabschnittes 30.1 des Reglers 30.
In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm des 8097-Mikroreglerabschnittes des Reglers 30 dargestellt, wie er in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Der Regler wird allgemein bei 30.1 in Fig. 2 dargestellt. Mikroregler 30.1 weist zwei Hauptabschnitte auf; der erste ist ein CPU-Abschnitt 31, der zweite ein I/O- Abschnitt 32. Im I/O-Abschnitt 32 sind die Funktionsblöcke dargestellt, in die der Abschnitt unterteilt ist.
Für den CPU-Abschnitt 31 wird eine Sechzehn-Bit arithmetisch-logische Einheit verwendet, die mit einer 256-Byte Registerdatei arbeitet. Die beiden sind über einen Sechzehn-Bit Datenbus und einen Acht-Bit Adressenbus miteinander verbunden. Jeder der Orte in der Registerdatei kann als Quelle oder Ziel für die meisten der Instruktionen genutzt werden, nach denen die CPU arbeitet. Dieser Aufbau ist als "von Register zu Register" bekannt.
Innerhalb des I/O-Abschnittes 32 sind sieben I/O-Hauptfunktionen angesiedelt. Die erste ist eine Hochgeschwindigkeitseingabeeinheit HSI 43, die für ein automatischen Aufzeichnen von Ereignissen sorgt. HSI ist mit der Unterbrechungsregelung 44 und dem Datenbus verbunden. Die zweite ist eine Hochgeschwindigkeitsausgabeinheit HSO, die für ein automatisches Auslösen von Ereignissen in Echtzeitunterbrechungen sorgt. Zusammen mit der HSI 43 wird die Hochgeschwindigkeitsausgabe als HSIO-Einheit bezeichnet. Die dritte ist die Impulsbreitenmodulationsausgabe PWM 45, die als Digital/Analog-Wandler verwendet werden kann. Die vierte ist der Analog/Digital-Konverter (A/D) 46, der mit acht Multiplex-Eingängen mit 10-Bit-Auflösung ausgerüstet ist. Die fünfte ist ein Überwachungszeitgeber 47, der als Innenzeitgeber arbeitet und das System wieder einstellt, wenn die Software nicht richtig funktioniert. Die sechste ist ein serieller Anschluß 48, der mehrere Modi und seinen eigenen Baud-Generator zum Erzeugen synchroner oder asynchroner Verbindungen hat. Schließlich ist eine Reihe von Standard- I/O-Leitungen vorgesehen, die mit 49 bezeichnet sind und als Interface nach außen dienen. Viele der I/O-Merkmale des Reglers 30 sind so aufgebaut, daß sie mit geringer Intervention von der CPU 31 auskommen.
In Fig. 2 sind ebenfalls VSS und VCC dargestellt, Erde/Referenz bzw. Spannung-Potential-Quelle für den Mikroregler 30.1; VBB wird für den A/D-Wandler 46 von einer Gegenspannungsquelle geliefert. Auf ähnliche Weise werden VREF und ANGND für den A/D-Wandler 46 erzeugt. XTAL1 und XTAL2 sind mit einem zwischen den beiden Eingängen liegenden Kristall verbunden und bilden einen Taktgenerator für den Mikroregler 30.1.
Der Überwachungszeitgeber 47 ist vorgesehen, um das Mikroreglerchip 30.1 "rückzustellen", falls die Software nicht wie vorgesehen funktioniert. Um ein Rückstellen zu vermeiden, muß ein "Wort" für den Überwachungszeitgeber 47 während der Laufzeit alle 24 Millisekunden bei 8 MHz eingegeben werden. Wird das Wort innerhalb dieser Zeit nicht eingegeben, veranlaßt der Zeitgeber 47, daß die CPU 31 den Betrieb des Mikroreglers 30.1 rückstellt. An die Leitung zwischen Überwachungszeitgeber 47 und CPU 31 ist eine Rückstell-Leitung mit einer Schaltung (nicht dargestellt) verbunden, die feststellt, ob die Stromversorgung (nicht dargestellt) sich innerhalb des erlaubten Spannungsbereiches befindet. Die Rückstell-Leitung wird auf niedrigen Pegel geschaltet, wenn Spannung an den Regler 30 geschaltet wird, wird jedoch auf hohen Pegel geschaltet, um den Mikroregler 30.1 rückzustellen, wenn die Stromversorgung Spannung außerhalb des erwünschten Bereiches liefert.
Eine Speichersteuerung 50 steuert den Informationsfluß zwischen Mikroregler 30.1 und seinen Eingabe/Ausgabe-Erweiterungschips 58, 59 (weiter unten beschrieben), EPROM (nicht dargestellt) und RAM (nicht dargestellt). Adresse und Daten werden diesen peripheren Chips auf im Stand der Technik bekannte Weise zugeleitet, darum wird dieser Vorgang hier nur kurz gestreift. Die Speichersteuerung 50 verwendet Anschlüsse P3 und P4 um die jeweils zu schreibende oder zu lesende Adresse und entsprechende Daten im Multiplex an die Adresse zu geben. Die Adresse wird an eine Verriegelungsschaltung (nicht dargestellt) und einen Dekodierer (nicht dargestellt) übermittelt, wobei der Dekodierer die drei signifikantesten Bits benutzt, um zu erfahren, von welchem der acht peripheren Chips die Information abzulesen oder an welches sie zu senden ist. Die Verriegelungsschaltung speichert die Adresse während dieses Dekodiervorganges. Ist das entsprechende Chip einmal bestimmt, wird die Adresse geliefert und die Multiplex-Daten werden übermittelt bzw. empfangen. Die Speichersteuerung 50 benutzt , um zu bestimmen, ob ein interner oder ein externer Speicher eingesetzt wird; ALE, um die Adressenspeicherung zu ermöglichen; zum Dekodieren; zum Lesen und zum Schreiben.
Obgleich es in den Figuren nicht im Detail dargestellt ist, sind selbstverständlich die Gatter, Chips und andere Bauelemente für ihren Betrieb mit entsprechenden Vorspannungen und Referenzquellen auf geeignete Weise verbunden. Zugehörige, peripher angeordnete Chips, die für den Betrieb der Mikrochips und die Ansteuerung der unterschiedlichen Widerstände, Kondensatoren und anderer Bauelemente erforderlich sind, sind ebenfalls auf jeweils geeignete Weise angeschlossen. Letztlich ist selbstverständlich der Generator 22 mit der Lastschiene 42 verbunden, um die Erzeugung von Drehstrom zu ermöglichen, obwohl dies nicht dargestellt ist.
In Fig. 3 ist ein Diagramm funktionaler Blöcke für die Verbindung zwischen, unter anderem, dem Mikroregler 30.1, der Bedienungseingabe 36, Anzeigen 35 und überwachten Parametern von Sensoren 22a des Motors 21 und Leitungen 27 und 28 dargestellt. Der magnetische Abnehmer 51 ist mit der Hochgeschwindigkeits-I/O-Einheit HSIO 36 über einen Nulldurchgangsdetektor 52 verbunden. Die Leitungen von den Sensoren 22a sind mit einem Anschluß c eines I/O-Erweiterungschips 58 verbunden.
Signale der Sensoren 22a gehen unter anderem an bzw. betreffen den Leerlaufschalter, Kühlmittelstand, Betriebsraum-Luftreiniger, Batterie-Aufladung, A/C-Schütz geschlossen und hohes/niedriges Spannungspotential (was anzeigt, ob Generator 22 in Serie oder parallel er Wicklungsanordnung geschaltet ist.). Das I/O-Erweiterungschip 58 ist mit dem Adressen- und Datenbus des Mikroreglers 30.1 verbunden. Der Mikroregler 30.1 liest oder-schreibt Informationen an eine dem Anschluß des I/O-Erweiterungschips entsprechende Adresse und empfängt oder liefert auf dem Wege Informationen von den Sensoren 22a und, unter anderem, der Bedienungs-Ein/Ausgabe 41. Das I/O-Erweiterungschip 58 wird eingesetzt, um eine größere Anzahl von Ein- und Ausgaben des Mikroreglers 30.1 zu ermöglichen; seine Verwendung ist im Stand der Technik bekannt und wird darum hier nicht näher beschrieben.
Es sind acht Digitalkanäle von der Bedienungs-Eingabe 36 mit einem Anschluß a des I/O-Erweiterungschips 58 verbunden. Anschluß b des I/O- Erweiterungschips 58 ist mit dem Mikroreglerchip 30.1 auf etwas andere Weise verbunden als die Anschlüsse a und c. Anschluß b des I/O-Erweiterungschips 58 ist mit einem 16-Kanal-Multiplexerchip 55 über fünf digitale Steuerleitungen (A bis D und Sperre) verbunden. Diese Anordnung ermöglicht es, daß der Mikroregler 30.1 sechzehn weitere Analogkanäle über den gemeinsamen Kanal des Multiplexerchips 55 in den Abschnitt 46 des A/D-Wandlers einlesen kann.
Weiterhin sind in Fig. 3 die acht A/D-Kanäle des Wandlerabschnitts 46 als ΦA bis 7A bezeichnet. Die Eingänge ΦA, 1A und 2A sind mit den drei Phasen des Generators 22 über Leitung 27 zur Spannungsmessung verbunden. Die Eingänge 3A, 4A und 5A des A/D-Wandlers 46 sind mit den drei Phasen des Generators 22 zum Messen der Ströme verbunden. Mit diesen drei Phasen der Leitung 24 sind ebenfalls Phasenverschiebungsdetektorschaltungen 54a verbunden. Da der Regler 30.1 mehrere andere Analogsignale überwachen muß, wird das Multiplexerchip 55 zusammen mit Anschluß b des I/O-Erweiterungschips 58 eingesetzt, um wahlweise diese anderen, unterschiedlichen Eingänge zu überwachen. Dazu gehören die Ausgänge der Phasenverschiebungsdetektorschaltung 54a, Eingänge von den Sensoren 22a, Informationen der Lastschiene 42, ein Spannung und Frequenz anpassendes Potentiometer 57, Informationen über die Synchronisation vom Proportional-Integral-Kompensationsnetz 68 und Lastverteilungsinformationen von zusätzlichen Generatoranlagen 40.
Wie erwähnt, wird dem Multiplexerchip 55 ein Eingangssignal vom synchronisierenden Proportional-Integral-Kompensationsnetz 68 "PI Comp" zugeleitet. Mit dem PI Comp 68 ist eine Phasendetektorschaltung 54b verbunden, die wiederum mit zwei Nulldurchgangsdetektoren ZCD 56 verbunden ist, die Eingangssignale auf den Leitungen 27 bzw. 28 empfangen. Ebenso sind Präzisionsfilter und Gleichrichter 57 dargestellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind sieben solche Präzisionsfilter und Gleichrichter 57 vorgesehen, einer für jede Spannungs- und Stromphase des Generators 22 und einer für die Lastspannung.
Weiter ist mit der CPU 30.1 ein I/O-Erweiterungschip 59 verbunden, das ebenfalls drei Anschlüsse (a, b und c) mit je acht Leitungen hat und digitale Ausgangssignale unter anderem an die Störungsanzeigen 35, die Motor-Hilfsmittel 25 und den Schaltungsunterbrecher 26 liefert.
Vier Ausgangssignale der HSIO-Einheit 36 werden vom Mikroregler 30.1 verwendet. In der bevorzugten Ausführungsform werden sie als Impulsbreitenmodulatoren eingesetzt und umfassen einen Impulsbreitenmodulator für GCM 600, einen Impulsbreitenmodulator für die Wirklastverteilungsdaten, die dem Block 53 zugeleitet werden, einen Impulsbreitenmodulator für die Blindlastverteilungsdaten, die dem Block 53 zugeleitet werden, und eine Vorratseinheit. HSIO 43 wird vom PWMM-800-Modul geregelt. Das Ausgangssignal des im Gerät vorhandenen Hardware-Impulsbreitenmodulators 45 wird der Regelausgangsstufe 29 zugeführt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die I/O-Erweiterungschips üblicherweise 8255-Chips; das Multiplexerchip ist üblicherweise ein 4067-Chip. Es wird ein Off-Chip Erasable Programmable Read Only Memory (EPROM) Chip (nicht dargestellt) zum Speichern der logischen Programmflußschritte des Regelsystembetriebs verwendet. Diese Schritte könnten in einem Read Only Memory gespeichert werden, oder in einen Random Access Speicher geladen werden oder von einer anderen CPU übermittelt werden. Das verwendete EPROM ist ein 2764-Chip, wie es unter anderem von Intel hergestellt wird.
Als Drittes folgt die Beschreibung der verschiedenen peripheren Schaltungen.
Die Fig. 4 und 5 sind schematische Darstellungen der Phasenverschiebungsdetektorschaltungen 54. Zu diesen gehören zwei verschiedene Schaltungen; in Fig. 4 ist die Schaltung für die Leistungsberechnung und die Lastverteilung und in Fig. 5 für die Synchronisierung und zulässige Parallelschaltung dargestellt.
Die in Fig. 4 vereinfacht dargestellte Leistungsberechnungsschaltung enthält zwei Komparatoren, 70a und 70b, von denen jede ein Rechteckwellenausgangssignal von 50% des Tastverhältnisses mit einem Wechselstrom-Spannungseingang von V1in und V2in, wie im Stand der Technik bekannt, erzeugt. Diese Rechteckwellenausgangssignale werden von einem Exklusiv-ODER-Gatter 71 kombiniert; dieses Gatter liefert ein hohes Ausgangssignal, wenn eines seiner Eingangssignale hoch ist, jedoch ein niedriges Ausgangssignal, wenn mehr als eines seiner Eingangssignale hoch ist. Bei dieser Anordnung ist das Tastverhältnis des Ausgangs des Exklusiv-ODER-Gatters 71 proportional zu der Phasendifferenz seiner Eingangssignale. Das Ausgangssignal vom Exklusiv-ODER-Gatter 71 wird von einem Widerstand-Kondensator-Netz 72 gefiltert, das den der Phasendifferenz proportionalen Gleichstrom liefert. Die Spannung am Punkt 72a ist darum größer, wenn die beiden Eingangssignale phasenverschoben sind.
Die Spannung am Punkt 72a liefert jedoch nicht die Information, die erforderlich ist, um zu bestimmen, ob der Strom der Spannung voreilt oder nacheilt. Diese Information wird zur Stromverteilung sowie für die Feststellung benötigt, ob eine Rückstromstörung aufgetreten ist (d. h. Strom aus der Lastschiene 42 in die Generatoranlage 20 fließt). Aus dem Grunde ist ein D-Flip-Flop 73 vorgesehen, um zu bestimmen, ob V1in gegenüber V2in vor- oder nacheilt. Der Dateneingang zum D-Flip-Flop 73 wird vom Rechteckwellentastverhältnis des Komparators 70b geliefert, während das Taktgeber-Eingangssignal vom Komparator 70a geliefert wird. Da es nach bekannter Art eines D-Flip-Flops funktioniert, verriegelt D-Flip-Flop 73 an seinem Dateneingang entweder eine Φ oder eine 1, abhängig davon, ob V1in gegenüber V2in voreilt oder nacheilt. Die verriegelten Daten werden VLL für den Mikroregler 30.1 zugeführt.
Die Synchronisierphasenschaltung 54b in Fig. 5 weist als Eingang zwei Nulldurchgangsdetektoren 56 auf. Der erste Nulldurchgangsdetektor empfängt als Eingangssignal die Phasenspannung der überwachten Lastschiene 42, während der zweite die Phasenspannung des geregelten Generators 22 als Eingangssignal empfängt. Die Nulldurchgangsdetektoren 56 liefern 50% Rechteckwellen-Tastverhältnis. Diese Wellen werden dann der Phasendetektorschaltung 54b zugeleitet. Die Schaltung 54b besteht aus einem Inverter 75 und zwei monostabilen Vorrichtungen 76. Zuerst wird die Ausgangsrechteckwelle des Nulldurchgangsdetektors 56a invertiert, um den Nulldurchgang der monostabilen Schaltung um 180º zu verschieben. Normalerweise wäre das Ausgangssignal der monostabilen Vorrichtung linear von null Volt bei 0º, zweieinhalb Volt bei 180º und fünf Volt bei 360º. Da jedoch bei der bevorzugten Ausführungsform ein Bereich von -180º bis +180º erwünscht ist, wird eine 180º-Phasenverschiebung vorgenommen, indem das Signal invertiert wird.
Das invertierte Signal wird dann an eine monostabile Vorrichtung 76a (bekannt als Type 54HC4538) geleitet. Diese monostabile Vorrichtung 76a ist so angeschlossen, daß sie einen langen Impuls liefert, der von der positiven Flanke der invertierten Impulsfolge ausgelöst wird. Die monostabile Vorrichtung 76a empfängt einen Löschbefehl von einer zweiten, identischen monostabilen Vorrichtung, 76b. Die zweite Vorrichtung, 76b, empfängt ihr Eingangssignal von einem Nulldurchgangsdetektor 56b für die geregelte Spannung des Generators 22. Die zweite monostabile Vorrichtung, 76b, ist so eingestellt, daß sie Impulse von sehr kurzer Dauer liefert.
Im Betrieb liefert die erste monostabile Vorrichtung, 76a, ein hohes Ausgangssignal immer dann, wenn das invertierte Signal hoch ist, wie dies in Fig. 5 bei den Zeitpunkten t&sub1; und t&sub2; dargestellt ist. Das Signal der monostabilen Vorrichtung 76a bleibt hoch, bis die Vorrichtung vom Signal der zweiten monostabilen Vorrichtung, 76b, gelöscht wird, wie dies in Fig. 5 bei den Zeitpunkten t&sub3; und t&sub4; dargestellt ist. Das zweite Signal wird hoch, wenn die geregelte Spannung des Generators 22 angestiegen ist. Auf diese Weise wird ein Rechteckwellen-Tastverhältnis als Ausgangssignal der ersten monostabilen Vorrichtung 76a an das Filter 77 geliefert. Das Tastverhältnis ist der Phasendifferenz zwischen der Lastschiene 42 und der Generatoranlage 20 proportional.
Das Rechteckwellen-Tastverhältnis wird dann von einem Puffer- und Widerstand-Kondensatornetz 77 gefiltert, das das Tastverhältnis auf einen Gleichstromspannungspegel filtert. Das Ausgangssignal des Filters bei Punkt 77a ist gleich zweieinhalb Volt, wenn die beiden Wellen synchronisiert wurden; null Volt, wenn die beiden Wellen in der Phase um -180º voneinander abweichen, und fünf Volt, wenn die Wellen in der Phase um +180º voneinander abweichen. Zwischen diesen Punkten verändert sich die Spannung linear.
Der der Phasendifferenz am Punkt 77a proportionale Gleichspannungspegel wird dann an ein PI-Kompensationsnetz geleitet, das aus Widerständen 78 und 79a, Kondensator 79b und Operationsverstärker 79c besteht. Dieses Netz vergleicht den Phasendifferenz-Gleichspannungspegel mit einer festgelegten Spannung (bei der bevorzugten Ausführungsform: zweieinhalb Volt). Wird eine Spannungsdifferenz festgestellt, liefert das Netz ein Fehlersignal, das aus Gründen der Stabilität einen Integralanteil enthält, an den Regler 30.
Das Signal des PI-Kompensationsnetzes wird als Analogspannungskanal an den Mikroregler 30.1 übermittelt. Der Mikroregler tastet den Kanal ab, konvertiert das Analogsignal in ein Digitalsignal und liefert die Information an das GCM, um die Generatoranlage 20 entsprechend zu beschleunigen oder zu verlangsamen.
In Fig. 6 ist eine automatische Spannungsregelstufe 29 schematisch dargestellt. Ein Eingang vom Impulsbreitenmodulator 45 wird über eine Diode 80 und einen Widerstand 81 mit einem positiven Spannungspotential V+ verbunden. Met der Kathode der Diode 80 ist eine Zenerdiode 82 verbunden, deren Anode an Erde angeschlossen ist. Der Impulsbreitenmodulator 35 ist ebenfalls, über einen Widerstand 84, mit zwei C-MOS- Schmitt-Triggergattern 83 verbunden, die von Motorola hergestellt werden und die Teilenummer 40106 haben. Diese positive Leitung von Vpwm ist über eine Diode 85 ebenfalls mit Masse verbunden. Der negative Eingang von PWM 45 ist mit Masse verbunden und ebenfalls mit der Diode 85. Die Triggergatter 83 sind parallelgeschaltet und mit dem Kondensator 87 und der Zenerdiode 89 verbunden, die parallel mit Masse verbunden sind. Die Triggergatter 83 sind dann über einen Widerstand 88 mit den Gattern von zwei parallelgeschalteten MOSFETS 89 verbunden, wobei ihr Source-Anschluß mit dem gemeinsamen Punkt X und der Drain-Anschluß mit der Feldwicklung verbunden ist. Mit Masse ist ebenfalls ein Operationsverstärker 90 als Inversionsverstärker geschaltet, der die Spannung über einen im Rückführpfad des Stromes it&sub1; angeordneten Strommeßwiderstand 91 mißt. Der Spannungsabfall am Meßwiderstand 91 ist abhängig vom Inversionseingang des Operationsverstärkers 90 und von den Rückkopplungswiderständen 94a und 94b. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 90 wird über einen Filterwiderstand 92 an den Kondensator 93 und die Feldstromleitung VFC gegeben. Der Kondensator 93 ist auch mit Masse verbunden. Zwischen einem Punkt Y und dem Drain-Anschluß von MOSFET 89a ist eine Diode 95 angeordnet. Zwischen den Punkten x und y ist ein gleichgerichtetes Quadraturwicklungseingangssignal VQ angeschlossen.
Die Funktion der Leistungsstufe 29 wird nachfolgend beschrieben. Der Mikroregler 31.1 liefert mit Hilfe des Impulsbreitenmodulators 45 variable Tastverhältnisse an mit Vpwm bezeichnete Anschlüsse. Diode 80, Widerstand 84 und Diode 85 sind vorgesehen, um Übergangsspitzen zu unterdrücken. Das Signal des Impulsbreitenmodulators 45 wird den Schmitt-Triggergattern 83 zugeführt, um das Eingangssignal zu puffern. Kondensator 87, Zenerdiode 89 und Widerstände 88 sorgen für ein filtern des den parallel angeschlossenen MOSFETS 89 zugeführten Signals. Das invertierte Signal wird den MOSFETS 89 so zugeführt, daß zum Zeitpunkt t&sub1; des zugeführten Signals des Impulsbreitenmodulators 45 die MOSFETS leitend werden. In der bevorzugten Ausführungsform sind die MOSFETS 89 bei 10 Volt leitend. Wenn die MOSFETS 89 leitend sind, baut sich durch die Feldwicklung 29.5 ein Strom it1 auf, wobei die Diode 95 in Sperrichtung vorgespannt ist. VQ ist eine durch Vollweggleichrichtung gleichgerichtete Wellenspannung, deren Quelle die Quadraturwicklung des Generators 22 ist. Zum Zeitpunkt t&sub2; schalten die MOSFETS 89 ab. Da die Wicklung 29.5 als Induktivität wirkt, fließt der Strom normalerweise weiter, wodurch ein Strom it2 in einer Schleife durch die Feldwicklung 29.5 und Diode 95 etabliert wird.
In Fig. 7 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Geschwindigkeitssteuerstufe nach Fig. 1 dargestellt. Ein Eingang dieser Geschwindigkeitssteuerstufe 24 ist mit der Hochgeschwindigkeitsausgangsstufe HSO.O des Mikroreglers 31.1 verbunden. Dieser Eingang, der in Fig. 4 mit Vpwm bezeichnet ist, ist mit einem npn-Transistor 103 über einen Widerstand 102 verbunden. Der Emitter des Transistors 103 ist mit Masse verbunden, und sein Kollektor mit einem in Serie geschalteten Zener-Diodenpaar 104 verbunden. Der Kollektor ist mit dem Seriendiodenpaar verbunden, das mit einem Widerstand 105 und Impulstransformator 106 parallelgeschaltet ist.
Eine positive Spannungsquelle V+ ist über einen Widerstand 108 mit der Anode der Zener-Diode 104b verbunden. Die Sekundärwicklung des Transformators 106 ist mit der Source- und Gate-Elektrode des Leistungs- MOSFET 107 verbunden. Der Drain-Anschluß dieses MOSFET 107 ist mit der parallelgeschalteten Gruppe von Kondensatoren 110, Widerstand 111 und den Kathode/Kathode-Serien-Zener-Dioden 112 (insbesondere mit der Anode von Diode 112a) verbunden. MOSFET 107 ist ebenfalls mit der Gate- Elektrode des Leistungs-MOSFET 113 verbunden. Die Source-Elektrode von MOSFET 113 ist mit dem Gate-Anschluß von MOSFET 107 verbunden. Die Spannungsquelle V+ ist über ihre Anode mit der Source-Elektrode von MOSFET 113 verbunden und über ihre Kathode mit der Kathode der Diode 114 und der Wicklung des Betätigungsgliedes 24.5 für den Motor 21.
Im Betrieb liefert der Mikroregler 30.1 ein variables Tastverhältnis, indem er die Hochgeschwindigkeits-IO-Einheit 43 als Impulsbreitenmodulatorantrieb verwendet. Das sich ergebende Tastverhältnis wird Vpwm zugeführt. Über den vorspannenden Widerstand 102 wird die Impulsbreite dem Transistor 103 zugeführt, der sich wie ein klassischer Transistor verhält, d. h. der Transistor ist gesättigt, wenn der Eingangspegel hoch ist und dadurch an seinem Kollektor eine niedrige Spannung erzeugt wird, und schaltet ab, wenn die Eingangsspannung niedrig ist und dadurch an seinem Kollektor eine hohe Spannung erzeugt wird. Der Strom der Spannungsquelle V+ wird vom Widerstand 108 begrenzt, wenn der Transistor 103 anschaltet. Widerstand 105 gibt im Impulstransformator 106 gespeicherte Energie ab. Das Zenerdiodenpaar 104 wirkt als Spannungsklemmvorrichtung, wenn der Transistor 103 abschaltet und der Impulstransformator 106 zurückkehrt.
Das Ausgangssignal des Impulstransformators 106 ist bei Punkt V&sub1; als eine Serie von Impulsen angegeben, die bei jedem Wechsel der Eingangsspannung Vpwm exponentiell abfallen. Der beim Zeitpunkt t&sub1; vom Transformator 106 erzeugte positive Impuls wird dem Ladungskondensator 110 über die Intrinsic-Diode des MOSFET 107 zugeführt und schaltet dadurch MOSFET 113 an.
Der Impuls V&sub1; fällt auf Null ab, aber MOSFET 113 bleibt leitend, weil Kondensator 110 geladen ist. Am Zeitpunkt t&sub2; schaltet der Transistor 103 ab und ein Freilaufstrom fließt vom Impulstransformator 106 durch die Kombination von Widerstand 105 und Dioden 104. Es wird ein negativer Impuls erzeugt, der MOSFET 107 anschaltet, was zu einer Entladung des Kondensators 110 führt und MOSFET 113 abschaltet.
Das Ausgangssignal des MOSFET 107 an seinem Drain-Anschluß ist bei V&sub2; angedeutet. Das Zenerdiodenpaar 112 ist vorhanden, um kurzzeitige Spitzen zu unterdrücken. Das sich an Punkt V&sub2; ergebende Tastverhältnis wird dem Gatter des MOSFET 113 zugeführt und schaltet ihn an und ab, wie oben beschrieben. Zur Zeit t&sub1; wird dementsprechend ein Strom it1 in der Schleife aus Spannungsquelle 116, Betätigungsglied 24.5 und MOSFET 113 aufgebaut. Schaltet MOSFET 113 ab, wirkt das Betätigungsglied 24.5 als Induktivität und der Strom fließt weiter um die Schleife durch die Diode 114, wie bei it2 dargestellt.
In Fig. 8 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Nulldurchgangsdetektors 52 und 56 dargestellt. Die der Schaltung zugeführte Spannung Vin wird dem Widerstand 118 zugeführt, der mit dem parallelgeschalteten Kondensator 119 und Diode 120 mit Masse und dem Widerstand 121 verbunden ist. Widerstand 121 ist über die Parallelschaltung von Diode 122 und Widerstand 123 mit einer Spannungsquelle V+ verbunden. Die Spannungsquelle ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 129 über Widerstand 124 verbunden. Über diesen nicht invertierenden Eingang des Komparators 124 ist Widerstand 128 mit einem Masse/Referenz-Potential und einem Hysterese-Widerstand 127 verbunden. Der Hysterese-Widerstand 127 ist mit dem Ausgang des Komparators 124, Vout und V+ verbunden, mit V+ über den Widerstand 125. Widerstände 118, 121, 123, 124 und 128 sind vorgesehen, um die Verwendung der Schaltung als Nulldurchgangsdetektor mit einer einzigen Speisespannung zu ermöglichen.
Im Betrieb wird Vin vom Komparator 124 so mit einer Spannung verglichen, daß, wenn die Eingangsspannung größer ist als null Volt, das Ausgangssignal Vout Null oder niedrig ist. Ist die Eingangsspannung geringer als Null, so ist Vout hoch. Die Ausgangsspannung ändert sich von niedrig auf hoch oder von hoch auf niedrig immer dann, wenn die Eingangsspannungswellenform durch Null geht. Ein Schwanken von Vout wird durch das Hinzufügen des Hysterese-Widerstandes 127 vermieden.
In Fig. 9 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Präzisiongleichrichters und -filters 57 dargestellt. Die Spannung Vin wird dem Widerstand 130 zugeführt, der über die Zenerdiode 131 mit Masse verbunden ist, über Widerstand 132 mit Operationsverstärker 134 und dem Rückkopplungswiderstand 133. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 134 wird der Anode der Diode 135 zugeführt, die über den Widerstand 136 mit Masse, mit dem Rückkopplungswiderstand 133 und dem Widerstand 137 verbunden ist. Letzterer wird dann mit dem Kondensator 138, mit Masse und über einen Pufferverstärker mit der Verstärkung Eins mit Vout verbunden.
Im Betrieb ist der Operationsverstärker 134 wie ein invertierender Verstärker geschaltet, der nicht betätigt wird, wenn Vin positiv ist; die sich ergebende Wellenform bei V&sub1; wird der Eingangswellenform Vin proportional angepaßt, wobei die Widerstände 130, 133 und 137 als Spannungsteiler dienen. Ist Vin negativ, wirkt der Operationsverstärker 134 wie ein invertierender Verstärker. Das Ergebnis bei V&sub1; ist eine gleichgerichtete Vollwellenspannung. Im Betrieb isoliert die Diode 135 den Operationsverstärker 134 während des positiven Abschnittes der Vin- Wellenform. Widerstand 130 und Zenerdiode 131 sichern Schutz vor Spannungsspitzen. Die gleichgerichtete Welle wird dann von der Kombination aus Widerstand 137 und Kondensator 138 gefiltert. Schließlich wird die gefilterte Welle vom Puffer 139 ausgegeben, der eine Verstärkung von Eins aufweist.
In Fig. 10 ist dargestellt, daß AGS 40 mit der Lastschiene 42 parallelgeschaltet sind und der Regler 30 automatisch kompensiert, so daß jede Generatoranlage 20 und zusätzliche Generatoranlage 40 Wirk- und Blindleistung teilen. Die Geschwindigkeitssteuerstufe 24 des Reglers 30 ist so eingestellt, daß die Wirkleistung verteilt wird, und der automatische Spannungsregler 29 so, daß die Blindleistung verteilt wird. Die von allen Generatoranlagen 20, 40 gelieferte Leistung ist gleich der Leistung multipliziert mit cos β plus der Leistung multipliziert mit sin β; wobei cos β die Wirkleistung und sin β die Blindleistung ist. Um die Wirkleistung zu berechnen, wird darum die mit der Amplitude des Phase-A-Stroms multiplizierte Amplitude der Phase-A- Spannung mit dem Kosinus des Winkels zwischen jener Spannung und dem Strom multipliziert. Auf ähnliche Weise wird die Blindleistung errechnet, indem die Phase-A-Spannung mal dem Phase-A-Strom mit dem Sinus der Phasendifferenz zwischen jener Spannung und dem Strom multipliziert wird. Dies wird in ähnlicher Weise auch für die beiden anderen Phasen durchgeführt. Diese Informationen liefert PWRM 200 an PWMM 800 zur Bildung eines Ausgangssignal in Impulsbreitenform an den Wirkleistungsmesser 37 und PCM 700, das wiederum die Leistungsinformation an VRM 400 und GCM 600 zur Leistungsverteilung sowie an MCM 150 zur Rückleistungsfehleranalyse liefert.
Das vereinfachte Modell der Parallelschaltung, das in der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, ist am besten aus der Fig. 10 ersichtlich. Zu der Generatoranlage 20 gehört eine Stromquelle 230, die einen der Wirkleistung für die Spannung-Generatoranlage 20 proportionalen Strom erzeugt. Das Eingangssignal der Stromquelle 230 wird von einem Rechteckwellen-Tastverhältnis bestimmt, das vom Hochgeschwindigkeits-IO 43 erzeugt wird, dem wiederum Informationen vom PWRM 200 zugeführt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das impulsbreitenmodulierte Eingangssignal Vkw1 der Leistung proportional. Vkw1 wird gefiltert, um einen Gleichstrom-Spannungspegel zu liefern. Ein Widerstand 231 ist direkt über die Stromquelle geschaltet. Ebenso sind eine entsprechende Stromquelle 240 und ein Widerstand 241 für die zusätzliche Generatoranlage AGS 40 vorgesehen. Die Spannung Vp1 und Vp2 an den Widerständen 231 bzw. 241 werden Differential-Operationsverstärkern 232 bzw. 242 zugeführt. Vkw1 wird ebenfalls dem Operationsverstärker 232 und Vkw2 dem Operationsverstärker 242 zugeführt. Es sind Relais 233 vorgesehen, die vom PCM 700 - wie weiter unten beschrieben - betätigt werden. Generell kann gesagt werden, daß die Relais 233 nur schließen, wenn die Generatoranlage 20 im Parallelbetrieb ist und die Generatoranlage mit der Lastschiene 42 synchronisiert ist (d. h., nachdem die Lastverteilung ermöglicht worden ist).
Sind im Betrieb die Spannungen Vkw2 gleich, dann liefern die Stromquellen 230 und 240 identische Ströme. In dem Fall sind die an den Widerständen liegenden Spannungen Vp1 und Vp2 identisch, und es entsteht kein Stromfluß Ip durch die Parallel-Leitungen zwischen den Generatoranlagen 20 und AGS 40. Ist jedoch die Last an einer Anlage, 20 oder 40, größer als die Last an der anderen, dann bildet sich ein Strom Ip und liefert eine gleiche Spannung Vp an den Widerstand, wobei ein kleinerer Strom von der Zweitstromquelle durch ihn hindurchfließt. Da an einer Anlage Vpn größer ist als Vkwn und kleiner an der anderen, liefern die entsprechenden Differential-Operationsverstärker 232, 242 entsprechende Spannungen VILSN an ihre jeweiligen Regler zur Verarbeitung. Wie von Fachleuten ohne weiteres zu ersehen ist, ist in der Modellschaltung VILS gleich Vp minus Vw. Um sowohl Wirk- als auch Blindleistung zu verteilen, sind doppelte Schaltungen erforderlich.
Wenn beispielsweise die Wirkleistung an der zusätzlichen Generatoranlage 40 sich erhöht, erhöht sich die Spannung Vkw2 ebenso wie der von der Stromquelle 240 erzeugte Strom. Da die Widerstände 231 und 241 parallelgeschaltet sind, muß die an ihnen anliegende Spannung gleich sein. Darum würde Strom Ip wie in Fig. 10 dargestellt fließen, um das System auszugleichen. Da Vp1 größer wäre als Vkw1, wäre VILS1 positiv. Dagegen wäre bei dem angeführten Beispiel VILS2 negativ.
Dieses VILS1-Signal wird dem A/D-Konvertermodul ADM 300 zugeführt, das diese Information an das PCM 700 liefert. GCM 600 gleicht die Wirkleistung aus, indem es diese Information zur Modifizierung seiner Referenzfrequenz nutzt, wie es weiter unten beschrieben wird. Zur gleichen Zeit mißt die zusätzliche Generatoranlage AGS 40, daß die Spannung am Widerstand 241 kleiner ist als Vkw2. Diese Information wird wiederum an ihren Regler geliefert, um eine entgegengesetzte Korrektur zu erreichen.
Auf diese Weise kann jede Anzahl von zusätzlichen Generatoranlagen AGS 40 an den Generatorregler 30 so parallel angeschlossen werden, daß die Wirk- und Blindleistung verteilt wird. Außerdem kann bei Verwendung eines solchen parallelen Modells diese Parallelfunktion auch bei existierenden analogen Systemen angewendet werden.
Wie oben gesagt, ist in Fig. 1 der Informationsfluß zwischen den verschiedenen Modulen dargestellt. Die Module repräsentieren unterschiedliche funktionale Charakteristika des Reglers 30. In einer nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebauten bevorzugten Ausführungsform können diese Module Software-Instruktionslogik verwenden. Das logische Flußdiagramm einer Ausführungsform der Programmlogik, wie sie im Systemregler 30 vorhanden sein kann, ist in den Fig. 11 bis 17 dargestellt. In Fig. 11 ist ein logisches Flußdiagramm der Schritte dargestellt, die der Regler 30 unternimmt, um die Generatoranlage aus einem Sperrzustand in einen Arbeitszustand zu ändern. Nachfolgend wird der Funktionsprozeß der Generatoranlage 20 in Verbindung mit den verschiedenen logischen Flußfiguren beschrieben.
Nach dem Start bei Block 201 schaltet der Regler 30 zur Initialisierung seiner variablen Register und Speicher nach Block 202 weiter. Der Regler 30 muß anfangs die Unterbrechungen der A/D-Konverter und die Hochgeschwindigkeits-Ausgangssignale erzwingen. SER 34 und HSI 43 müssen ebenfalls wirksam geschaltet sein.
Nach der Initialisierungsperiode führt die bevorzugte Ausführungsform bei Block 203 eine serielle Zeitausgabe-Überprüfung durch. Da SER 34 im Unterbrechungssystem betrieben wird, muß die CPU 31 prüfen, ob der SER-34-Puffer gelöscht werden muß, damit er eine Nachricht empfangen kann.
Bei Block 204 schaltet der Regler 30 auf die Motorregelung-Monitorroutine MCM 150. Nach Rückkehr von dieser Routine 150 bei Block 205 kehrt der Regler zur seriellen Zeitausgabe-Überprüfung zu Block 203 zurück, um den Vorgang zu wiederholen. Auf diese Weise fährt der Prozessor 30 fort, bis er von einem der asynchronen Unterbrecher unterbrochen wird, oder die Bedienungsperson den Regler 30 entweder anders einstellt oder ihn von der Stromversorgung trennt. Selbst im Sperrzustand fährt der Regler 30 mit diesem Verfahren fort. Die asynchronen Unterbrechungen treten nach Empfang von Informationen vom SER-Anschluß 34, der Impulsbreiten-Modulatorroutine für die HSIO-Einheit 36 und von der HSIO-Einheit 36 über die Drehzahl des Motors auf.
Anhand der Fig. 1 und 19 werden nachfolgend die asynchronen Unterbrechungen beschrieben, um den Betrieb der Generatoranlage 20 deutlicher darzustellen. Die erste asynchrone Unterbrechung wird vom SER-34- Modul und SER-48-Modul erzeugt. Wird über SER-Leitungen 34 eine Nachricht empfangen, wird ein Unterbrechungssignal von der Unterbrechungsregelung 44 erzeugt, um die ankommende Nachricht zu bearbeiten. Es wird auf eine Unterbrechungs-Handhabungsroutine (nicht dargestellt) umgeschaltet, um die serielle Information zu bearbeiten. Die Information wird verarbeitet und der Regler 30 kehrt an die Stelle zurück, die er vor der Unterbrechung innehatte. Aus Fig. 18 geht hervor, daß die zur Durchführung der Routine erforderliche Zeit üblicherweise unter 80 Mikrosekunden liegt. Während der Initialisierungsphase, Block 201, wird ein Kommunikationsanschluß 48 hergestellt, indem ein Byte in ein Register geschrieben wird, in dem der Modus angegeben wird, in dem der Anschluß betrieben werden soll.
Die zweite asynchrone Unterbrechung ist die Impulsbreiten-Modulationsroutine für HSIO 43. Diese Unterbrechung tritt ursprünglich auf, nachdem sie im Initialisierungsblock 201 "erzwungen" wurde. Zu dem Zeitpunkt wird HSIO 43 "mitgeteilt", daß nach drei Millisekunden zu unterbrechen und zu dem Zeitpunkt anzuschalten ist (d. h., daß ein Zustand hoher Ausgangsspannung zu erzeugen ist). Das Modul errechnet das Tastverhältnis, das an die Geschwindigkeitssteuerstufe 24 des Motors, Meter 37 und das Parallel-Signal für sowohl Wirk- als auch Blindleistung übermittelt werden soll. Wie aus Fig. 18 hervorgeht, beträgt die zur Durchführung der Routine erforderliche Zeit üblicherweise weniger als 80 Mikrosekunden. Das Modul signalisiert nach Berechnung des Tastverhältnisses an HSIO 43, um es nach einer Zeitspanne abzuschalten, jedoch nach drei weiteren Millisekunden wieder anzuschalten und zu unterbrechen. Auf diese Weise unterbricht das Modul sequentiell das Hauptprogramm alle drei Millisekunden.
Die dritte asynchrone Unterbrechung ist HSIO 43 vom magnetischen Abnehmer 51. Das Ausgangssignal des magnetischen Aufnehmers 51 ist eine Folge von Spannungsimpulsen. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist der Abnehmer 51 100 Zähne auf und die Generatoranlage rotiert mit 1800 Umdrehungen pro Minute (30 Umdrehungen pro Sekunde) im normalen Betriebszustand. HSI 36 erzeugt nach jedem achten Impuls bzw. etwa 375 mal pro Sekunde eine Unterbrechung. Dies entspricht einer Unterbrechung etwa alle 2,67 Millisekunden. Wie aus Fig. 18 hervorgeht, ist die zur Durchführung der Routine erforderliche Zeit üblicherweise geringer als 80 Mikrosekunden. Die Unterbrechungssteuer-Routine (nicht dargestellt) errechnet die Zeitspanne zwischen der Durchführung der letzten Unterbrechung und dem derzeitigen Abrufzeitpunkt. Ist die Zeitspanne einmal bekannt, kann die Frequenz leicht berechnet werden.
Die A/D-Serviceroutine ist ab Block 300 in Fig. 15 dargestellt. Bei Block 301 ermöglicht die A/D-Serviceroutine die Unterbrechung für die Hochgeschwindigkeitsausgabe 43. Dies hat zwei Gründe. Das Ermöglichen der HSO-43-Unterbrechung sorgt erstens für einen größeren Impulsbreitenbereich der Hochgeschwindigkeitsausgabe 43, und zweitens sind normalerweise in einer Unterbrechungsroutine weitere Unterbrechungen nicht möglich, so daß diese Unterbrechung besonders erlaubt werden muß. Als nächstes berechnet die A/D-Service-Routine 300 bei Block 302, wann die nächste A/D-Unterbrechung auftreten sollte. Bei Block 303 wird der nächste A/D-Kanal in der Schlange von 23 analogen Kanälen gelesen. Bei Block 304 wird ein logisches UND durchgeführt zwischen dem A/D-Index und der Binärzahl drei, um festzustellen, ob das Ergebnis gleich Null ist oder gleich zwei. Ist es gleich Null, wird VRM 400 bei Block 305 durchgeführt. Gleicht die logische Operation jedoch zwei, wird GCM 600 bei Block 306 durchgeführt. Ergibt die logische Operation jedoch weder Null noch Zwei, dann wird Block 307 ausgeführt, um den A/D-Zeiger auf den korrekten Referenzwert der Tabelle zu vergrößern (d. h. aus einer der vier vorhandenen Referenzwerttabellen, die in Tabelle 1 dargestellt sind). Bei Block 308 wird der größte Strom der drei vom Generator 22 kommenden Phasen bestimmt, indem der zuletzt gespeicherte Strom berücksichtigt wird. Bei Block 309 wird der größte Strom mit 300% des Nennstromes der Generatoranlage 20 verglichen. Ist er größer als 300%, dann wird die A/D-Servicetabelle geändert, um den größten vom Generator 22 kommenden Strom zu regeln. Die A/D-Servicetabelle ist als Tabelle 1 nachfolgend dargestellt. Tabelle 1 Mikroregler-Abtastsequenz Spannungsregelung Stromregelung Leitung 0 - Spannung Phase 1 1 - Spannung Phase 2 2 - Spannung Phase 3 3 - Strom Phase 1 4 - Strom Phase 2 5 - Strom Phase 3 6 - Wasser in Treifstoffspannung 7 - Phasenwinkel 1 8 - Phasenwinkel 2 9 - Phasenwinkel 3 10 - V Reg. Anpassung 11 - Frequenzanpassung 1 12 - Frequenzanpassung 2 13 - Lastseitig. Spannung Phase 3 14 - Winkeldiff. (Phase 3 Leitung und Last) 15 - VILS - ILS Spannung 16 - KVAR - KVAR Verteilung Spannung 17 - Frei 18 - Frei 19 - Frei 20 - Frei 21 - Frei 22 - Frei
Ist der größte Strom geringer als oder gleich 300%, dann vergleicht die A/D-Service-Routine 300 den A/D-Index mit einer Konstanten, um festzustellen, ob das PWRM 200, das Parallel-Modul 700 oder das Schaltungsunterbrechermodul CIM 500 zur Anwendung kommen soll. Dies geschieht, indem bei Blöcken 311, 313 und 315 der A/D-Index mit verschiedenen Konstanten verglichen wird. Ist der A/D-Index gleich der Konstanten in dem zugehörigen Modul, dann kommt das Modul bei Block 312, 314 oder 316 zur Anwendung. Auf diese Weise kommt eines der drei Module einmal zum Einsatz während des Lesezyklus der 23 A/D-Kanäle. Bei Block 317 wird der nächste Off-Chip-Analogkanal adressiert. Schließlich wird bei Block 318 der A/D-Index vergrößert, und das Programm kehrt von der durch die A/D-Serviceroutine 300 erzeugten Unterbrechung zurück zu dem Punkt des logischen Flußdiagramms, an dem es unterbrochen wurde.
MCM 150 ist das folgende Basisregelprogramm, das während des Durchlaufens der in Fig. 11 dargestellten Hauptregelschleife ausgeführt wird. Es regelt das Lesen der Bedienungseingabe, womit der Schaltungsunterbrecher 26 zur Verbindung der Generatoranlage 20 mit der Lastschiene 42 geregelt wird, und ruft CIM 20, PWRM 200, PCM 500 und das Prüfdrehzahl-Meßmodul (nicht dargestellt) auf.
In Fig. 12 ist ein logisches Flußdiagramm einer Programmausführungsform dargestellt, wie es im Regler 30 vorhanden sein kann. Anhand des logisches Flußdiagramms 150 werden die Schritte dargestellt, die zur Durchführung des Basis-Regelprogramms für die Generatoranlage 20 vorgesehen sind. Das Programm beginnt bei 151 nach Aufruf durch Block 203 und verzweigt zur Überwachungsregelung, dargestellt in Fig. 11. Am Beginn eines Durchlaufs durch Modul 150 wird der Überwachungszeitgeber 47 am Mikroregler 30.1 bei Block 151 neu eingestellt. Bei Block 152 prüft Regler 30 auf Vorrangstatus für Fehler und Fehler am Generator 22 oder Motor 21. Bei Block 153 prüft MCM 150, ob Bedienungseingaben 36 wie Beleuchtungstest/-fehler-Einstellungen vorliegen. Ist eine Antwort erforderlich, gibt der Regler 30 die geeigneten Signale ab. Bei Block 154 überprüft der Prozessor 30 auf Fehler und eine "O.K. zum Schließen"-Variable vom PCM 700. Sind beide positiv und die Bedienungsperson hat den Schaltungsunterbrecherschalter (nicht dargestellt) geschlossen, dann ist der Schaltungsunterbrecher 26 geschlossen.
Bei Block 155 des logischen Flußdiagramms 150 prüft der Prozessor 30 den Status der Schaltungsunterbrecher-Flag. Wurde die Flag gesetzt, führt Prozessor 30 bei Block 156 CIM 500 aus. CIM wird später beschrieben.
Ist die Flag nicht gesetzt, fährt Prozessor 30 fort, bei Block 157 den Status der Leistungsberechnungs-Flag zu prüfen. Ist die Leistungsberechnungs-Flag gesetzt, kommt PWRM 200 bei Block 158 zur Ausführung. Die Ausführung von PWRM (Logikfluß nicht dargestellt) erfolgt mit Hilfe einer Tabelle zur Speicherung des Wertes von sinus β; wobei β gleich Winkeln von 0 bis 180º ist. Da cosinus 90º phasenverschoben ist, kann diese Tabelle auch zur entsprechenden Berechnung eingesetzt werden, wie im Stand der Technik bekannt.
Ist die Flag des Moduls nicht gesetzt, schaltet Prozessor 30 weiter zur Prüfung der Parallelbetrieb-Flag bei Block 159. PCM 700 wird weiter unten beschrieben. Ist die Parallelbetrieb-Flag gesetzt, wird bei Block 160 PCM 700 vom Prozessor 30 ausgeführt; ist die Parallelbetrieb-Flag nicht gesetzt, schaltet er weiter nach Block 161.
Bei Block 161 wird vom Prozessor 30 die Drehzahl-Flag geprüft; er schaltet weiter zur Prüfung des Prüfdrehzahlmoduls (nicht gezeigt) bei Block 162, wenn die Flag gesetzt ist. Das Prüfdrehzahlmodul bestimmt anhand der letzten Werte, ob die Drehzahl der Generatoranlage 20 zu hoch ist. Prozessor 30 kehrt dann zur Hauptprogrammschleife, von Block 164 nach Block 204, zurück, nachdem er Fehler der verschiedenen Module bei Block 163 verriegelt hat.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Analog/Digital-Prüfroutine 300 bei der bevorzugten Ausführungsform synchron jede halbe Millisekunde unterbricht. Außerdem sind die Flags von Schaltungsunterbrecher, Leistungsberechnung, Parallelschaltung und Drehzahl ebenfalls synchron, so daß diese Module nach einer vorgegebenen Anzahl von Iterationen der Analog/Digital-Prüfroutine 300 unterzogen werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird jedes Modul alle 16 Millisekunden geprüft. Wenn darum, wie aus Fig. 12 hervorgeht, Prozessor 30 eines der Module bei den Blöcken 156, 158, 160 oder 162 ausführt, so heißt dies, daß eine bestimmte Anzahl von Zyklen durchgeführt worden ist.
In Fig. 13 ist das logische Flußdiagramm für eine Ausführungsform des Moduls GCM 600 dargestellt. In diesem Flußdiagramm sind die Schritte angegeben, die zur Berechnung des an PWMM 800 zu sendenden Wertes aus den Signalen erforderlich sind, die von SSM 350 und PCM 700 empfangen wurden.
Das Computerprogramm wird allgemein mit 600 bezeichnet. Es beginnt bei Block 601, nachdem es bei Block 306 vom Modul 300 für die A/D-Prüfroutine gerufen wurde. Bei Block 602 werden als erstes die Unterbrechungen gesperrt. Bei Block 603 wird ein Frequenzfehler, V&sub1;, berechnet, indem die tatsächlich von SSM 350 übermittelte Frequenz von einem eingestellten Referenzwert (GREF) subtrahiert wird. Wie bereits beschrieben, verwendet GCM 600 eine Drei-Modus-Regelung, die als PID-Regler (Proportional, Integration, Differential) bekannt ist. Zur Lösung der PID-Regelgleichung bestimmt Regler 30 bei Block 604 Zwischenergebnisse, die für den vom Regler 30 und das Ausgangssignal U&sub1; verwendeten PID-Algorithmus erforderlich sind. Dann wird bei Block 605 des logischen Flußdiagramms 600 das bei Block 604 berechnete Ausgangssignal mit den Maximal- und Minimalausgangssignalen verglichen und so korrigiert (begrenzt), daß es sich zwischen diesen beiden Werten befindet, wenn es darüber hinausging. Das Ausgangssignal wird dann an PWMM 800 gegeben, um über HSIO 43 an die Geschwindigkeitssteuerstufe 24 übermittelt zu werden. Diese Stufe 24 funktioniert wie weiter oben beschrieben und basiert auf dem Tastverhältnis, das das Betätigungsglied 24.5 steuert, um die Drehzahl des Motors 21 zu bestimmen.
Bei Block 606 werden weitere Zwischenergebnisse berechnet. Diese Ergebnisse werden berechnet, nachdem U eingegrenzt und der Wert übermittelt wurde, um eine Ausgangsberechnung zu haben, deren Echtzeit dem Zustand des Motors 21 näher ist. Bei Block 607 wird die Basisreferenzfrequenz mit allen Anpassungen der Bedienungsperson verglichen und als Zwischenergebnis gespeichert.
Bei Block 608 bestimmt der Regler 30, ob ein "weicher" Start erforderlich ist. War der Motor 21 im gesperrten Zustand und beginnt dann Rotationsenergie an den Generator 22 zu übertragen, hat jedoch noch nicht die gewünschte Systemfrequenz erreicht, dann ermöglicht die Weichstartroutine dem Motor 21, seine Frequenz langsamer zu erhöhen, ohne über das Ziel hinauszuschießen. Um das zu erreichen, wird jedesmal, wenn im logischen Flußdiagramm 600 Block 609 passiert wird, die Weichstartreferenzfrequenz schrittweise angepaßt, bis sie nach einer gewissen Anzahl von Zyklen gleich der gewünschten Geschwindigkeitsreferenz ist. Bei Block 610 wird der Geschwindigkeits-Zwischenreferenz die parallel verschobene Zahl vom parallelen PCM 700 hinzugefügt, um die Generatoranlage 20 mit der Lastschiene 42 zu synchronisieren und die Wirkleistung mit zusätzlichen Generatoranlagen 40 zu teilen. Bei Block 611 endet GCM 600 und kehrt zum A/D-Prüfroutinenmodul 300 bei Block 307 der Fig. 15 zurück.
In Fig. 14 ist ein logisches Flußdiagramm einer Ausführungsform des Programmoduls für die Spannungsregelung dargestellt, wie es im Regler 30 vorhanden sein kann. Mit dem logischen Flußdiagramm 400 werden die Schritte illustriert, die zur Ausführung der PID-Regelgleichung für die Regelung von Spannung und Strom getan werden. Das Programm 400 gleicht dem logischen Flußdiagramm von GCM 600, jedoch verwendet das Spannungsregel-Logikflußdiagramm 400 anstelle von Frequenz als Eingangsgröße die phasenverschobene Spannung des Generators 22 als Eingangsgröße. Wie in Fig. 14 bei 401 dargestellt, werden alle Unterbrechungen zuerst gesperrt, ausgenommen HSO 43, der bereits bei Block 301, Fig. 15, aktiviert wurde (um einen größeren Impulsbreitenbereich zu schaffen). Als nächsten Schritt stellt das logische Flußdiagramm 500 bei 402 zuerst fest, ob die Spannung oder der größte Strom durch Vergleich des Stromes mit einer vorbestimmten strombegrenzenden Referenzzahl geregelt werden soll. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Strombegrenzungszahl 300% des Nennstromes des Generators 22. Diese Referenzzahl wird verwendet, um zu bestimmen, ob der Stromregelmodus erforderlich ist.
Liegt der Strom über der Stromreferenzgrenze, schaltet Regler 30 nach Block 403, stellt die Stromgrenzenreferenzzahl auf 150% des Nennstromes von Generator 22 und ändert die Spannungsregelung auf weichen Start. Geht der Strom unter die neue Stromgrenzenreferenzzahl oder ist ihr gleich, dann kehrt Regler 30 zur Spannungsregelung bei Block 402 zurück, wie dies unten beschrieben wird. Indem für die Stromgrenzenreferenzzahl ein anderer Wert verwendet wird, wird in das Programm eine "Hysterese" eingeführt, um zu verhindern, daß Regler 30 bei aufeinanderfolgenden Ausgangssignalen durch VRM 400 schnell hin und her schaltet. Bei Block 404 stellt Mikroprozessor 30 fest, ob es der erste Durchgang durch den Stromregelmodus ist. Trifft dies zu (d. h. erste Äußerung im Stromregelmodus), dann werden bei Block 405 die Koeffizienten für die regelnde PID-Gleichung geändert, um die Systemleistung während des Stromregelmodus zu erhöhen. Nach Änderung der Koeffizienten schaltet Regler 30 weiter nach Block 406. Befindet sich das System bereits im Stromregelmodus, wird Block 405 nach Block 404 übergangen und direkt nach Block 406 weitergeschaltet. Bei Block 406 berechnet Prozessor 30 dann das Fehlersignal, indem von einem Referenzstrom die tatsächliche Amplitude des geregelten Stromes subtrahiert wird. Das Ergebnis ist ein Zwischenwert, V&sub1;, der in der PID-Gleichung verwendet wird. An diesem Punkt vereinigt sich die Stromregelung wieder mit dem Spannungsregelhauptpfad bei Block 409.
Ist bei Block 402 der Strom nicht größer als die zum Vergleich herangezogene Referenzgrenze, stellt Regler 30 die Stromregelung bei Block 407 wieder auf 300% und ändert die PID-Koeffizienten für die Spannungsregelung. Als nächstes stellt der Regler 30 bei Block 408 des logischen Flußdiagramms 400 die Fehlerspannung fest, indem von einer Referenzspannung die tatsächliche geregelte Spannung subtrahiert wird. Das Ergebnis ist V&sub1;, ein Wert, der in der PID-Gleichung bei Block 409 verwendet wird.
Bei Block 409 werden für den Algorithmus erforderliche Zwischenwerte der PID-Gleichung berechnet und es wird das Ausgangssignal V&sub1; für PWMM 850 bestimmt. Bei Block 410 wird als nächstes das Ausgangssignal mit der vom Impulsbreitenmodulator 45 erlaubten maximalen und minimalen Impulsbreite verglichen und entsprechend begrenzt (begrenzt), um im Maximal- bzw. Minimalbereich zu liegen. Bei Block 411 werden weitere Zwischenwerte berechnet. Bei Block 412 wird eine Zwischenreferenzspannung gesetzt, die gleich der gespeicherten Basisspannung plus einem Spannungseingangspegel ist, der von der Bedienungsperson eingegeben wird. VRM 400 kann eine Digitalangabe der Einstellung eines Spannungseinstell-Potentiometers (nicht dargestellt) akzeptieren. Dieses Eingangssignal wird verwendet, um den Spannungsreferenzzwischenwert anzupassen, was der Bedienungsperson eine Anpassung der Referenzspannung ermöglicht, ohne in die Software hineinzugehen. Bei Block 413 wird die Weichstart-Referenzspannung mit dem bei Block 412 berechneten Spannungsreferenzzwischenwert verglichen. Ist die Weichstart-Referenzspannung geringer als die Spannungsreferenz, wird die Weichstart-Referenzspannung bei Block 414 schrittweise vergrößert und Regler 30 schaltet nach Block 415. Ist jedoch die Weichstart-Referenzspannung größer als die Spannungsreferenz, dann ist der Weichstart erfolgt und die Weichstartreferenz wird nicht vergrößert, sondern der Regler schaltet direkt nach Block 415. Die Weichstartfunktion wird betätigt, wenn die Generatoranlage aus dem gesperrten Zustand das erste Mal in den Arbeitsbetriebszustand geschaltet wird, wie es oben beschrieben wurde. Die Referenzspannung beginnt bei Null und wird dann langsam schrittweise auf die Basisreferenzspannung (bei der bevorzugten Ausführungsform 120 V) vergrößert. Die Vorrichtung wird auf diese Weise betrieben, um zu verhindern, daß die Spannung beim Anfahren über die Spannungsreferenz hinausschießt.
Bei Block 415 stellt Prozessor 30 fest, ob die Drehzahl (Frequenz) des Motors sich verringert-hat. Ist ein solcher Abfall eingetreten (beispielsweise weil eine schwere Last Wirkleistung von der Generatoranlage 20 abzieht), erniedrigt Prozessor 30 auch die Spannung, um es dem Motor 20 zu ermöglichen, die geeignete Referenzdrehzahl wieder zu erreichen. Bei anderen Systemen vermindert sich die Spannung nicht, wenn eine schwere Last an den Motor angeschlossen wird und die Motordrehzahl sich verringert. In einigen Fällen führt das zu einem Schleifen oder Abwürgen des Motors. Bei einem Verringern der Spannung bei abfallender Drehzahl des Motors 20 wird die Belastung reduziert und der Motor 20 kann die geeignete Referenzfrequenz wieder erreichen. Dieses Verhältnis von reduzierter Spannung zu Motordrehzahl ist eine lineare Funktion (d. h. die Spannung wird linear zur Drehzahlfrequenz abgesenkt). Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Spannung unabhängig von der Frequenz, wenn diese über 59 Hz liegt. Unter 59 Hz wird die Spannung linear um etwa 2 V pro Hz verringert.
Bei Block 416 wird festgestellt, ob die Frequenz abgefallen ist, und wenn dem so ist, ob sie kleiner ist als die Weichstartreferenz. Die Spannungsreferenz wird dann bei Block 417 bzw. 418 auf den niedrigeren der Werte von Frequenzreferenz und Weichstartreferenz eingestellt. Der Prozessor 30 schaltet dann weiter nach Block 419, wo die nächste Referenzspannung mit dem geringeren Wert von Frequenzreferenz oder Weichstartreferenz gleichgestellt wird. Zusätzlich werden zur reaktiven Lastverteilung die Parallel-Ausgleichwerte vom PCM 700 hinzugefügt. Bei Block 420 kehrt Prozessor 30 zur A/D-Prüfroutine 300 zum Block 305 der Fig. 15 zurück.
Das in den Parallelbetrieb schaltende Steuermodul 700, das bei Block 160 des logischen Flußdiagramms 150, dargestellt in Fig. 12, ausgeführt wird, wird anhand eines logischen Flußdiagramms einer Ausführungsform der Routinelogik erläutert, wie sie im Regler 30 vorhanden sein kann. Im logischen Flußdiagramm 700 werden die Schritte dargestellt, die unternommen werden, um einen erlaubten Parallelschaltprozeß zwischen einer Mehrzahl von Generatoranlagen durchzuführen. Das Programm beginnt bei Block 701 und fährt bei Block 702 fort, wo es feststellt, ob Prozessor 30 sich im Einzel- oder Parallelmodus befindet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform geschieht dies durch einen physischen Zweipolschalter. Befindet sich die Generatoranlage 20 im Parallelmodus, schaltet Prozessor 30 weiter nach Block 703, wo er feststellt, ob die Lastschiene 42 Strom führt. Ist dies nicht der Fall, dann gibt Regler 30 die Zustimmung bei Block 708, die Flag für das Schütz zu schließen, und kehrt zum Überwachungsregelmodul MCM 150, Block 161 der Fig. 12, zurück. Führt die Lastschiene Strom, dann stellt Prozessor 30 bei Block 704 fest, ob das Schütz offen ist. Ist das Schütz offen und die Lastschiene 42 führt Strom, dann muß vor dem Schließen des Schützes die Synchronisiervorrichtung in Betrieb gesetzt werden. Dies geschieht bei Block 705, indem der Wert von x = 2,5-Vout bestimmt wird, wobei Vout von der in Fig. 5 dargestellten Schaltung geliefert wird. Der sich ergebende Wert x wird an Block 610 der Fig. 13 geliefert, um die Generatoranlage 20 entsprechend zu beschleunigen oder zu verlangsamen.
Ist das Schütz geschlossen, stellt Regler 30 fest, ob bei Block 706 eine zulässige Parallelschaltung existiert. Ist dies der Fall, dann stellt Prozessor 30 bei Block 707 fest, ob die Generatoranlage 20 für einen eingestellten Zeitabschnitt zulässige Parallschaltungsstandard erreicht hat; bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt der vorgegebene Zeitabschnitt eine halbe Sekunde. Es ist eine Zeitverzögerung erforderlich, um sicherzustellen, daß die Generatoranlage 20 tatsächlich mit der Lastschiene 42 synchron ist und nicht nur für einen Moment synchron erschien. Liegt die Zeit im Bereich des vorgegebenen Zeitabschnitts, dann wird der Status des Schützes bei Block 709 ein weiteres Mal festgestellt. Ist das Schütz bereits geschlossen, dann wird bei Block 710 die Lastverteilung zugelassen, indem VILS von 2,5 V (vom Nullpunkt, wenn die Sätze ausgeglichen sind) subtrahiert werden und das Parallelschaltungsrelais 233 geschlossen wird. Ist das Schütz nicht geschlossen, ist die "Zustimmung zum Schließen"-Schütz-Flag zu setzen und bei Block 711 das Parallelschaltungsrelais 233 zu öffnen. In jedem Fall kehrt das Programm zum MCM 150 zurück.
In dem Fall, wo bei Block 706 die eine Parallelschaltung zulassenden Standards nicht vorhanden sind, kehrt Prozessor 30 zum Überwachungssteuerprogramm bei Block 719 zurück. Ist bei Block 706 eine zulässige Parallelschaltung nicht vorhanden, dann gibt Regler 30 bei Block 712 nicht die Zustimmung zum Schließen der Schütz-Flag und stellt die Zeitverzögerung neu ein. Daraufhin kehrt Regler 30 zum MCM 150 zurück.
Bei Block 702 stellt Regler 30 dann, wenn der physische Schalter (nicht dargestellt) im Einzelbetriebmodus ist, die Zeitverzögerung bei Block 713 neu ein, damit, wenn der Schalter in die Parallelschaltposition bewegt wird, der Regler 30 bereit ist, festzustellen, ob die eine Parallelschaltung zulassenden Bedingungen erfüllt sind. Dann schaltet Regler 30 weiter nach Block 714, wo Prozessor 30 feststellt, ob die Lastschiene Strom führt. Ist dies nicht der Fall, dann wird bei Block 715 die "Zustimmung zum Schließen"-Flag des Schützes gesetzt und Prozessor 30 kehrt zum Überwachungssteuerprogramm bei 717 zurück. Liegt an der Schiene ein Spannungspotential an, setzt der Prozessor 30 bei Block 716 die Schütz-Flag "Keine Zustimmung zum Schließen" und kehrt zum Überwachungssteuerprogramm bei 717 zurück.
CIM 500 wird bei Block 156 von MCM 150 in Fig. 12 aufgerufen. In Figur 17 ist ein logisches Blockdiagramm dargestellt, das Logik enthält, wie sie im Regler 30 für CIM 500 vorgesehen sein kann.
Regler 30 beginnt CIM 500 bei Block 501 und schaltet nach Block 502 weiter, um festzustellen, ob der vom Generator 22 abgenommene größte Strom 400 Prozent des Nennstromes für die Generatoranlage 20 überschreitet. Überschreitet der größte Strom einen Wert von 400 Prozent, schaltet Regler 30 weiter nach Block 503, um den Unterbrecher zu öffnen und an der Bedienungsanzeigetafel 35 einen Fehler anzuzeigen. Regler 30 kehrt dann zum MCM 150 bei Block 505 zurück. Ist der Strom jedoch nicht größer als 400 Prozent des Nennstromes der Generatoranlage 20, dann wird bei Block 504 eine CIM-Variable auf einen Basis-Nachschlagtabellenwert eingestellt und eine zweite Variable, Auslösezeitgeberzählung genannt, wird initialisiert. Als nächstes stellt Regler 30 bei Block 506 fest, ob der Laststrom größer ist als der Prozent- Nennwert der Nachschlagtabelle für die entsprechende Auslösezählung. Ist dies nicht der Fall, schaltet Regler 30 weiter nach Block 507, um festzustellen, ob die Auslösezeitgeberzähler größer ist als Null. Ist er das nicht, schaltet Regler 30 weiter nach Block 512. Ist die Auslösezeitgeberzählung größer als Null, schaltet Regler 30 jedoch nach Block 508, um den Auslösezählzeitgeber zu vermindern. Ist bei Block 506 der Strom größer als der Nennprozentsatz aus der Nachschlagtabelle, schaltet Regler 30 weiter nach Block 509 und inkrementiert den Auslösezählzeitgeber. Bei Block 510 wird bei Block 511 die CIM-Flag gesetzt, wenn die Zählung in der Nachschlagtabelle größer ist als die in der Nachschlagtabelle gespeicherte Auslösezahl. Ist jedoch bei Block 510, wo die Zählung mit der Auslösezahl verglichen wird, die Zählung nicht größer als die Auslösezahl, dann schaltet Regler 30 weiter fort nach Block 512. Bei Block 512 endlich stellt Regler 30 fest, ob alle Tabellenwerte überprüft worden sind. Ist dies nicht der Fall, kehrt Regler 30 nach Block 506 zurück und wiederholt den Vorgang des Fortschaltens durch die Blöcke 506 bis 512, bis alle Nachschlagtabellenwerte überprüft worden sind.
Auf diese Weise überprüft CIM 500 wiederholt jeden Tabellenwert, um festzustellen, ob der Strom über dem Nennverhältnis Zeit/Strom der Generatoranlage 20 - wie in Fig. 19 dargestellt - gelegen hat. Dies geschieht, indem der Auslösezählerzeitgeber bei jedem Wiederholungsdurchgang durch die CIM-500-Schleife, bei dem der Strom größer ist als der Nennprozentwert der Nachschlagetabelle, inkrementiert wird. Hat diese Inkrementierung des Auslösezeitgebers eine festgelegte Anzahl von Malen stattgefunden, die die Auslösezahl der Nachschlagetabelle für die Schleifendurchgänge übersteigt, dann wird bei Block 511 die CIM-Flag gesetzt.
Ist andererseits der Strom nicht größer als der Nennprozentsatz aus der Nachschlagtabelle bei Block 506, wird der Auslösezählzeitgeber für jene Werte verringert, solange er größer ist als Null, und die CIM- Flag wird nicht gesetzt, wenn sie nicht vorher gesetzt worden ist.
Wenn nach der Prüfung jedes Tabellenwertes Regler 30 von Block 512 weiterschaltet, stellt er bei Block 513 fest, ob die CIM-Flag gesetzt worden ist. Ist sie nicht gesetzt worden, kehrt Regler 30 zum MCM bei Block 514 zurück. Ist die Flag jedoch gesetzt worden, stellt Regler 30 fest, ob eine Überlastung oder ein Kurzschluß aufgetreten ist und setzt dementsprechend die Überlast- oder Kurzschluß-Rückkehr-Flag. Bei Block 516 wird das Schutz 26 geöffnet. Bei Block 517 kehrt Regler 30 schließlich zum MCM 150 zurück.
Obgleich Regler 30 mit Ausdrücken wie weiterschalten, zurückkehren und fortschalten charakterisiert wurde, erkennen Fachleute, daß diese Ausdrücke verwendet werden, um den Betrieb des Reglers 30 zu beschreiben, während die verschiedenen Programmschritte, die durch die unterschiedlichen logischen Flußdiagramme illustriert werden, bearbeitet werden.
Es wird darauf hingewiesen, daß, obgleich zahlreiche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung in der voraufgehenden Beschreibung mit Details von Aufbau und Funktion dargelegt wurden, die Beschreibung lediglich illustrativen Charakter hat und Detailänderungen vorgenommen werden können, insbesondere in bezug auf die Regelung verschiedener Phasen des Generators 22, das Verwenden von synchronen oder asynchronen Unterbrechungen für die unterschiedlichen Module, die Methode oder Reihenfolge der Abnahme der unterschiedlichen Systemparameter, der Verwendung positiver oder negativer Logik und die unterstützende Hardware und die Software-Routine und den Datenaufbau, die volle Reichweite von der breiten allgemeinen Bedeutung der beigefügten Ansprüche bestimmt wird.

Claims

1. Regelsystem für die Regelung von Spannungs- und Stromausgangssignalen eines Generators (22) mit ersten, mit dem Generator (22) wirksam verbundenen Sensormitteln (27, 300) zum Messen von Spannungs- und Stromausgangssignalen des Generators und zum Erzeugen eines Spannungsmeßsignals und eines Strommeßsignals; und ersten Regelmitteln (400), die mit dem Generator und den ersten Sensormitteln zum Empfangen der Spannungsmeß- und Strommeßsignale wirksam verbunden sind, zum Regeln der Spannungs- oder Stromabgabe des Generators (22);

dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Regelmittel (400) so ausgelegt sind, daß sie die Spannungs- oder Stromausgangssignale des Generators (22) entsprechend der Größe des Stromausgangssignals selektiv regeln; die ersten Regelmittel (30) die Spannungs- oder Stromausgangssignale entsprechend einer Regelprozeßgleichung mit Koeffizienten regeln, wobei die Koeffizienten der Regelprozeßgleichung abhängig davon geändert werden, ob Spannungs- oder Stromsignale geregelt werden.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Regelmittel (400) die Spannungs- und Stromausgangssignale in Echtzeit wahlweise regeln.

3. Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Regelmittel (400) normalerweise das Spannungsausgangssignal regeln und die Regelung des Stromausgangssignals beginnt, wenn die Größe des Stromausgangssignals einen ersten Stromschwellenwert überschreitet.

4. Regelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Regelmittel (400) wahlweise zum Regeln des Spannungsausgangssignals zurückkehren, wenn die Größe des Stromausgangssignals unter einem zweiten Stromschwellenwert liegt, der niedriger ist als der erste Stromschwellenwert, wodurch die ersten Regelmittel mit Hysterese arbeiten.

5. Regelsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Regelmittel (400) einen Mikroprozessor (31) enthalten.

6. Regelsystem nach Anspruch 1 mit einem Schaltkreisunterbrecher (26) zum Öffnen eines zwischen dem Generator (22) und einer elektrischen Lastschiene (42) in Reihe angeordneten Schalters entsprechend besonderen Unterbrechungsdaten durch Überwachen einer elektrischen Charakteristik der vom Generator (22) an die Lastschiene (42) gelieferte Wellenform, zu welchem System folgende Einheiten gehören:

- Speichermittel für Unterbrechungsdaten zum Speichern von Unterbrechungsdaten in einem vorbestimmten Datenformat, wobei die Unterbrechungsdaten Vergleichswerte enthalten, die mit der überwachten elektrischen Charakteristik im Zusammenhang stehen, sowie Zeitwerte, die den Vergleichswerten entsprechen;

- Datenverarbeitungsmittel, die mit den Speichermitteln für Unterbrechungsdaten, dem Generator (22) und dem Schalter (26) in kooperierender Weise verbunden sind und die

(i) Mittel zum Überwachen der elektrischen Charakteristika der Wellenform,

(ii) erste Vergleichsmittel zum wiederholten Vergleichen der Vergleichswerte und der elektrischen Charakteristika der Wellenform,

(iii) Mittel zur wahlweisen Vergrößerung oder Verringerung eines mit den verglichenen Werten im Zusammenhang stehenden Zeitgabewertes basierend auf dem Ergebnis der ersten Vergleichsmittel,

(iv) zweite Vergleichsmittel zum Vergleichen des Zeitgabewertes und der Zeitwerte und

(v) Mittel zum Öffnen des in Reihe angeordneten Schalters (26) abhängig von den Ergebnissen der zweiten Vergleichsmittel, was ein Abschalten des Generators (22) von der Lastschiene (42) bei geöffnetem in Reihe angeordneten Schalters (26) bewirkt, enthalten.

7. Regelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor folgende Teile enthält:

- Regelgleichungsspeichermittel zum Speichern einer Regelprozeßgleichung,

- Koeffizientenspeichermittel zum Speichern einer Mehrzahl von Koeffizientensätzen, die wahlweise bei Definition eines ersten Satzes von Koeffizienten dem Regeln von Spannungsausgangssignal und bei Definition eines zweiten Satzes von Koeffizienten dem Regeln des Stromausgangssignals entsprechen,

- Datenverarbeitungsmittel mit Mitteln zum Berechnen der Regelprozeßgleichung, wenn das gemessene Spannungsausgangssignal das Eingangssignal ist, Mitteln zum Ändern der Koeffizienten der Regelprozeßgleichung in die des zweiten Satzes, wenn die Größe des Stromausgangssignals den ersten Stromschwellenwert übersteigt, Mitteln zum Berechnen der Regelprozeßgleichung, wenn das gemessene Stromausgangssignal das Eingangssignal ist, und Mitteln zum Ändern der Koeffizienten der Regelprozeßgleichung in die des ersten Satzes, wenn die Größe des Stromausgangssignals unter dem zweiten Stromschwellenwert liegt.

8. Regelsystem nach Anspruch 1, bei dem die Ausgangsspannung des Generators (22) eine Wellenform aufweist, deren Frequenz von der Drehzahl eines den Generator (22) antreibenden Motors (21) bestimmt wird, welches Regelsystem weiter zweite Regelmittel (600) aufweist, die mit dem Motor (21) zur Regelung der Motorausgangsdrehzahl simultan zu den die Spannungs- oder Stromausgangssignale regelnden ersten Regelmitteln (400) wirksam verbunden sind.

9. Regelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

- zweite Sensormittel (51, 350) mit dem Motor (21) zur Abgabe eines der Ausgangsfrequenz des Generators (22) entsprechenden Drehzahlmeßsignals des Motors (21) zusammenwirkend verbunden sind, und

- zweite Regelmittel (600) mit dem Motor (21) und den zweiten Sensormitteln (51, 359) zum Empfangen des Drehzahlmeßsignals zusammenwirkend verbunden sind zur Regelung der Drehzahl des Motors (21), wobei die Ausgangsfrequenz des Generators und entweder das Stromausgangssignal oder das Spannungsausgangssignal gleichzeitig geregelt werden.

10. Regelsystem nach Anspruch 9, das Synchronisiermittel (700) enthält, die mit den ersten Sensormitteln (27, 300), den zweiten Regelmitteln (600) und einem Lastleiter zum Synchronisieren der Generatorausgangswellenform mit einer am Lastleiter vorhandenen Wellenform zusammenwirkend verbunden sind.

11. Regelsystem nach Anspruch 10, bei dem die Synchronisiermittel (700)

- Wellenformdetektormittel enthalten, die mit dem Generator (22) und dem Lastleiter zum Erzeugen von auf den Nulldurchgang des Generators (22) und die Lastleiterwellenformen ansprechende Signale zusammenwirkend verbunden sind,

- Tastverhältnismittel enthalten, die mit den Wellenformdetektormitteln zum Erstellen eines Impulsfolgesignals zusammenwirkend verbunden sind, dessen Tastverhältnis dem Abstand zwischen Generatorwellenform und Lastleiterwellenform proportional ist, und

- einen Mittelwert bildende Mittel enthalten, die mit den Tastverhältnismitteln und den zweiten Regelmitteln zum Abgeben eines Spannungsmittelwertpegels des erstellten Impulsfolgesignals an die zweiten Regelmittel (600) zusammenwirkend verbunden sind, wobei die zweiten Regelmittel (600) die Drehzahl des Motors (21) mit Hilfe einer Proportional-Integral-Regelung so angleichen, daß die Ausgangswellenform des Generators mit der am Lastleiter vorhandenen Wellenform synchron ist.

12. Regelsystem nach Anspruch 9 oder 11, bei dem die ersten und zweiten Regelmittel (400, 600) einen Mikroprozessor (31) enthalten.

13. Regelsystem nach-Anspruch 12, bei dem der Generator (22) mit dem Lastleiter verbunden ist und weiterhin umfaßt:

- ein zwischen Generator (22) und Lastleiter in Reihe geschaltetes Schütz (26), das mit dem Mikroprozessor (31) zusammenwirkend verbunden ist, und

- dritte, mit dem Lastleiter zusammenwirkend verbundene Sensormittel (28, 300) zum Messen der Spannung am Lastleiter und Erzeugen eines Spannungsmeßsignals, wobei der Mikroprozessor das Schütz (26) in offener Position hält, bis zulässige Parallelbedingungen erreicht sind, die eine Synchronisation mit einer am Lastleiter vorhandenen Wellenform zulassen.

14. Regelsystem nach Anspruch 9, dessen erste und zweite Regelmittel (400, 600) einen Mikroprozessor (31) enthalten und weiterhin mit dem Mikroprozessor (31) zusammenwirkend verbundene Leistungsverteilungsmittel (200) zum Erzeugen eines Signals, das die von dem Generator (22) abgegebene Leistung darstellt, und zum Empfangen eines Leistungssignals, das die von einem zweiten, mit einem Lastleiter verbundenen Generator (40) abgegebene Leistung anzeigt, welcher Mikroprozessor (31) die erzeugten Leistungssignale empfängt und durch Anpassen der Drehzahl des Motors (21) oder Erregung des Generators (22) zu einem Ausgleich der Leistungsabgabe des Generators (22) und des zweiten Generators (40) tendiert.

15. Regelsystem nach Anspruch 9, bei dem erste und zweite Regelmittel (400, 600) einen Mikroprozessor (31) enthalten und der Mikroprozessor dem Drehzahl- und das Ausgangsspannungssignal eine Rampenform gibt, wenn aus einem Ruhe- in einen In-Betrieb-Zustand gewechselt wird.

16. Regelsystem nach Anspruch 1 oder 9, bei dem für die Regelprozeßgleichung die folgenden Gleichungen verwendet werden:

A = (K&sub1;) (V&sub1;)

B = (K&sub2;) (X&sub1;)

C = (K&sub3;) (X&sub2;)

D = (K&sub4;) (X&sub2;)

X&sub1; = X&sub1; + A

X&sub2; = A + B + C

U&sub1; = A + B - D

wobei A, B, C, D, X&sub1; und X&sub2; sechs Variable sind, die zum Speichern von Zwischenergebnissen definiert sind, V&sub1; der Eingangswert der genannten Regelprozeßgleichung, U&sub1; der Ausgangswert der genannten Regelprozeßgleichung ist, und K&sub1;, K&sub2;, K&sub3; und K&sub4; einen Satz von Regelprozeßgleichungskoeffizienten umfassen.

17. Regelsystem nach Anspruch 6, bei dem die überwachte elektrische Charakteristik Strom oder Leistung ist.

18. Verfahren zum automatischen Regeln von Spannungs- und Stromausgangssignalen eines Generators (22) mit den Schritten:

(a) Messen von Spannungs- und Stromausgangssignalen des Generators (22),

(b) Erzeugen eines Spannungsmeßsignals und eines Strommeßsignals,

(c) Empfangen des Spannungsmeßsignals und Strommeßsignals, gekennzeichnet durch

(d) wahlweises Regeln des Spannungs- oder Stromausgangssignals des Generators (22) entsprechend der Größe des Stromausgangssignals unter Verwendung einer Regelprozeßgleichung mit Koeffizienten und

(e) Ändern der Koeffizienten der Regelprozeßgleichung entsprechend der jeweils durchzuführenden Regelung von Spannung oder Strom.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Regelungsschritt die Anwendung der genannten Regelprozeßgleichung mit den Gleichungen