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Kapazitiver Spannungswandler
Beim Überschreiten bestimmter Spannungswerte, insbesondere bei Schalthandlungen im Netz, neigen bekanntlich kapazitive Spannungswandler in ihrem Messkreis dazu, untersynchrone Spannungen zu erzeugen. Dies sind Eigenschwingungen des Niederspannungskreises, der aus der niederspannungsseitigen Teilerkapazität, aus der im Messkreis vorhandenen Resonanzdrossel und der Querinduktivität des Zwischenwandlers im Messkreis besteht. Es ist bekannt, solche Unterschwingungen durch eine Drossel zu bedämpfen, die primär- oder sekundärseitig an den Zwischenwandler angelegt wird und so dimensioniert ist, dass sie bei normaler Betriebsfrequenz nur einen kleinen Magnetisierungsstrom aufnimmt, der noch durch Parallelkondensatoren kompensiert werden kann.
Treten jedoch untersynchrone Spannungen auf, so wird der induktive Widerstand dieser Drossel kleiner. Durch diese Widerstandsverringerung gerät die Drossel bei entsprechender Dimensionierung in Sättigung, was ein erhebliches Anwachsen der durch die Drossel gebildeten Bürde zur Folge hat.
Die Unterschwingungen selbst entstehen jedoch durch die Eisensättigung des Zwischenwandlers und der Resonanzdrossel, deren Induktivitäten so verkleinert werden, dass der durch den Niederspannungskondensator einerseits und die Resonanzdrossel mit der Induktivität des Zwischenwandlers anderseits gebildete Schwingkreis gerade eine solche Eigenfrequenz erhält, dass die Netzfrequenz ein Vielfaches dieser Eigenfrequenz wird. Daher kann die als Dämpfungsmassnahme vorgesehene Drosselspule ihrerseits infolge ihrer Induktivität Anlass zu Unterschwingungen in diesem Messkreis sein, wie dies durchMessungen festgestellt wurde. Die Drosselspule ist also kein universelles Mittel zur Beseitigung untersynchroner Spannungen.
Weiterhin ist es bekannt, eine Dämpfung am Zwischenwandler durch einen parallelgeschalteten ohmschen Widerstand zu erreichen. Diese Möglichkeit scheidet jedoch in den meisten Fällen deshalb aus, weil der für eine wirksame Dämpfung notwendige Widerstand klein sein müsste und somit bei Wandlern hoher Genauigkeit eine unzulässig grosse Grundbürde darstellen würde, die die Messgenauigkeit stark beeinträchtigt.
Alle diese Nachteile werden bei einem kapazitiven Spannungswandler mit einem zum Zwischentransformator im Messkreis parallelliegenden ohmschen Widerstand zur Unterdrückung untersynchroner Spannungswellen, der in Abhängigkeit von der Spannung und/oder der Frequenz gesteuert wird erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass zur Einschaltung des ohmschen Widerstandes 19 ein mittels einer Resonanzschaltung 15 frequenzabhängig gesteuerter Transduktor 18 vorgesehen ist, oder dass der verwendete ohmsche Widerstand selbst ein spannungsabhängiger Widerstand 8 ist. Damit lässt sich erreichen, dass der Ohmwiderstand nur in dem erforderlichen Betriebsfall voll zur Wirkung gelangt, nämlich dann, wenn untersynchrone Spannungen im Messkreis auftreten.
Es wird ausdrücklich auf die Einschaltung eines ohmschen Widerstandes besonderer Wert gelegt, weil aus energetischen Gründen die Dämpfung von selbsterregten Schwingungen nur durch einen Energieentzug aus dem zu betrachtenden Schwingkreis möglich ist. Ein Blindwiderstand kann diese Aufgabe niemals zur vollen Zufriedenheit lösen, da er keinen Wirkleistungsentzug zur Folge hat.
Da der Ohmwiderstand gemäss der Erfindung nunmehr im normalen Betriebsbereich kaum zur Geltung kommt, so ergibt sich auch keine nennenswerte Beeinträchtigung der Messgenauigkeit des Wandlers.
Eine spannungsabhängige Einschaltung eines Widerstandes erfolgt am einfachsten durch einen soge-
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nannten spannungsabhängigen Widerstand, wie er beispielsweise aus der Technik der Überspannungsablei- ter bekannt ist. Das verwendete Widerstandsmaterial besitzt eine Widerstandscharakteristik gemäss der bei zunehmender Spannung der Widerstand stark absinkt. Legt man den Widerstand so aus, dass er bei den maximal vorkommenden Betriebsspannungen nur einen sehr kleinen Strom aufnimmt, so wird dadurch die Messgenauigkeit des Wandlers nicht beeinflusst. Da in vielen Fällen die untersynchronen Spannungen wesentlich grössere Amplituden als diejenigen der Betriebsspannung besitzen, so werden diese Unterspannungen durch den spannungsabhängigen Widerstand stark gedämpft.
Ein solcher spannungsabhängiger Widerstand kann sowohl auf der Primärseite, als auch auf der Sekundärseite des Zwischenwandlers galvanisch oder induktiv angeschlossen sein.
Sind Wandler in nicht starr geerdeten Netzen eingesetzt, so müssen diese längere Zeit auch im Erdschlussfall mit erhöhter Spannung arbeiten können. Bei solchen Wandlern könnte der spannungsabhängige Widerstand und der Wandler selbst überlastet werden. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung wird daher der spannungsabhängige Widerstand mit einem zeitabhängigen Schaltglied in Reihe geschaltet, das die Aufgabe hat, den spannungsabhängigen Widerstand bei einer langandauernden höheren Spannung als die Betriebsspannung abzuschalten, um dadurch den erheblichen Messfehler zu vermeiden und den spannungsabhängigen Widerstand vor Überlastung zu schützen. Ein solches zeitverzögerndes Schaltglied wird am einfachsten durch einen Bimetallauslöser verwirklicht.
Eine weitere Möglichkeit, auftretende Unterschwingungen wirksam zu dämpfen, ohne die geschilderten Nachteile auftreten zu lassen, besteht darin, einen Ohm widerstand nur dann einzuschalten, wenn solche unerwünschte Spannungswellen auftreten. Dies wird erreicht, wenn man in Reihe mit dem Ohmwiderstand ein abhängig von der Frequenz wirkendes Schaltelement legt. Da jede Art mechanischer Schalter in diesem Zusammenhang unerwünscht wäre, wegen der mangelnden Betriebssicherheit und des Anstosses von eigenerregten Schwingungen, eignet sich hiezu am besten ein abhängig von der Frequenz ausgesteuerter Transduktor.
Beispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. An Hand dieser Ausführungsbeispiele werden noch weitere Gedanken der Erfindung näher erläutert. In Fig. 1 ist die kapazitive Teilerkette durch die beiden Kapazitäten 1 und 2 versinnbildlicht. An der niederspannungsseitigen Teilerkapazität 2 liegt der Messkreis, der im allgemeinen aus der Resonanzdrossel 3, dem Zwischentransfor- mator 4 und der Bürde 5 besteht. Um bei Überströmen z. B. durch Kurzschluss auf der Sekundärseite des Zwischenwandlers ein unzulässiges Ansteigen der Spannung an der Resonanzdrosselspule zu verhindern, ist es bekannt, die Resonanzdrosselspule mit einer Sekundärwicklung 6 zu versehen, die eine Sättigungsdrossel 7 speist.
Gelangt die Drossel 7 in Sättigung, so wird der Resonanzkreis, in dem die Drosselspule 3 liegt, verstimmt, und der ÜjbjLStrom dadurch abgeschwächt.
Nach der Erfindung ist nun an den sekundären Klemmen A und B des Zwischentransformators 4 ein spannungsabhängiger Widerstand 8 angeschlossen, der bei einer auftretenden Überspannung im Messkreis diese Überspannung abführt. Durch sein ohmsches Verhalten hat er keinerlei Einfluss auf irgendwelche Resonanzschwingungen im Messkreis. Ausserdem gewährleistet seine Spannungsabhängigkeit, dass die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt wird, trotz hoher Wirksamkeit bei auftretenden untersynchronen Überspannungen. Zur Sicherung des spannungsabhängigen Widerstandes gegen langandauernde Überspannungen, die einen ebenso langandauernden hohen Strom zur Folge hätten, liegt in Reihe zu dem spannungsabhängigen Widerstand 8 ein Bimetallauslöser oder eine Sicherung 9. Dadurch wird auch im Erdschlussfall eine genaue Messung ermöglicht.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung zeigt Fig. 2. An den Klemmen A und B des Zwischenwandlers liegt ein spannungsabhängiger Widerstand, der in die beiden Teile 10 und 11 aufgeteilt wurde. Parallel zum Teil 11 liegt ein rückgekoppelter magnetischer Verstärker 12 mit einem bistabilen Verhalten, wodurch eine schalter ähnliche Wirkung erzielt werden kann. Dieser magnetische Verstärker ist in normalem Betriebsfall geöffnet, d. h. er überbrückt den spannungsabhängigen Widerstand 11. Bei auftretenden Überspannungen dämpft diese der Widerstand 10. Tritt nun ein Erdschluss auf, so steigt die Spannung auf das 1, 73-fache an.
Dieser erhebliche Spannungsanstieg wird dazu benutzt, den magnetischen Verstärker 12 zu schliessen, so dass nunmehr beide spannungsabhängigen Widerstände 10 und 11 in Reihe geschaltet sind und bei entsprechender Auslegung auch in diesem Fall die ursprüngliche Zweckbestimmung voll erfüllen. Die Sperrung des magnetischen Verstärkers 12 wird mit einer Sättigungsdrossel 13 mit möglichst rechteckiger Magnetisierungskennlinie erreicht, die ebenfalls an den Sekundärklemmen A und B des Zwischenwandlers liegt und deren Strom nach erfolgter Gleichrichtung einer Steuerwicklung 14 des magnetischen Verstärkers 12 zugeführt wird.
Die Sättigungsdrossel 13 ist nun so dimensioniert, dass sie bei der im Erdschluss auftretenden Spannung gesättigt ist und dadurch einen hohen Strom durch die Steuerwicklung 14 treibt, die die Sperrung des magnetischen Verstärkers 12 bewirkt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 3. Die Klemmen A und B sind wieder an die Sekundärwicklung des Zwischenwandlers angeschlossen. Parallel zur Sekundärwicklung des Zwischenwandlers liegt nun ein Reihenresonanzkreis 15, der auf die Netzfrequenz abgestimmt ist, d. h. also, dass dieser Resonanzkreis bei Netzfrequenz seinen höchsten Strom führt.
Dieser Strom wird nun im Gleichrichter 16 gleichgerichtet und der Steuerwicklung 17 einesrückgekoppelten magnetischen Verstärkers 18 mit bistabilem Verhalten gemäss Fig. 4 in sperrendem Sinne zugeführt. In der Fig. 4 ist die Abhängigkeit des Ausgangsstromes vom Steuerstrom des magnetischen Verstärkers 18 aufgezeichnet. Man erkennt deutlich, dass ein solcher magnetischer Verstärker nur zwei sta- bile Betriebsbereiche hat, während der Übergang zu diesen beiden Bereichen instabil ist. Daher bezeichnet man eine solche Verhaltensweise mit bistabil. Der magnetische Verstärker erhält diese Kennlinie durch entsprechende Rückkopplung mit Hilfe derer die Steilheit, die Breite und die Parallelverschiebung zur Ordinatenachse eingestellt werden kann.
Führt man nun der Steuerwicklung 17 des magnetischen Verstärkers 18 den Strom durch die Resonanzschaltung 15 in gegenerregendem Sinne zu, so wird dadurch der Arbeitspunkt C erreicht. In diesem Bereich sperrt jedoch der Verstärker 18, d. h. sein Widerstand ist sehr gross. Nimmt nun der Resonanzstrom durch auftretende Unterwellen ab, so springt der Ausgangsstrom des magnetischen Verstärkers bei Erreichen des Punktes D plötzlich auf den Punkt E. Dieses Sprungartige verleiht dem magnetischen Verstärker schalterähnliche Eigenschaften. Vom Punkt E ab ist der Widerstand des magnetischen Verstärkers klein, so dass er von da an den nahezu konstanten Maximalstrom führt.
Bei einer Zunahme des Steuerstromes in der Wicklung 18 wird nun vom geöffneten Zustand her der linke Ast der Schleife sprungartig durchfahren, d. h. die Sperrung erfolgt bei einem etwas grösseren Steuerstrom als die Öffnung. Die Breite dieser Schleife kann, wie schon angedeutet, durch den Grad der Rückkopplung verändert werden. Bei Vorhandensein der normalen Netzfrequenz wird demnach der Verstärker 18 gesperrt sein. Treten nun untersynchrone Spannungen auf, die eine niedrigere Frequenz als die Netzfrequenz haben, so wird der Strom durch den Resonanzkreis 15 kleiner, wodurch die Sperrwirkung des magnetischen Verstärkers 18 aufgehoben wird.
Der magnetische Verstärker ist nun geöffnet, so dass die Dämpfung der untersynchronen Spannungen über diesen magnetischen Verstärker erfolgen kann, mit dem ein Ohmwiderstand 19 in Reihe geschaltet ist. Damit wird also der Ohmwiderstand nur dann zur Wirkung gebracht, wenn dies die Betriebsverhältnisse erfordern. Der Widerstand 19 selbst kann wiederum spannungsabhängig sein, so dass die gesamte Unterwellendämpfung frequenz-und spannungsabhängig ist.
Tritt nun ein Erdschluss auf, so erhält sich die Spannung, wie schon beschrieben, um etwa 730/0.
Würden nun gleichzeitig noch Unterwellen vorhanden sein, so wäre der magnetische Verstärker 18 ge- öffnet, ein Betriebszustand, der bei erhöhter Spannung nicht erwünscht ist, da dies sowohl dem Widerstand 19, als auch der Messgenauigkeit erheblich abträglich wäre. Aus diesem Grunde besitzt der Magnetverstärker 18 eine zweite Steuerwicklung 20, die, wie schon im Beispiel der Fig. 2 angegeben, durch eine Sättigungsdrossel 21 mit rechteckiger Magnetisierungskennlinie so gesteuert wird, dass sie bei überhöhter Spannung den Magnetverstärker 18 ganz oder teilweise sperrt.
Da der Ohmwiderstand zur Dämpfung der untersynchronen Spannungen in manchen Fällen klein sein kann, um eine ausreichende Bedämpfung zu erhalten, genügt unter Umständen der Ohmwiderstand des Magnetverstärkers 18 für die Dämpfung der Unterwellen. In diesem Fall könnte dann der besondere Widerstand 19 entfallen.
Durch eine entsprechende Resonanzschaltung kann der Transduktor auch so beeinflusst werden, dass er bei auftretenden Unterwellen öffnet, wodurch er im Normalbetrieb bei Netzfrequenz gesperrt ist. Dies wird einfach dadurch erreicht, dass ein auf d ! eunterwellenfrequenz abgestimmtersaugkreis vorhanden ist, dessen Strom einer Steuerwicklung des Transduktors in öffnendem Sinne zugeführt wird, während eine zweite Steuerwicklung. einen möglichst konstanten Strom führt, durch den der Transduktor im Normalbetrieb gesperrt ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kapazitiver Spannungswandler mit einem zum Zwischentransformator im Messkreis parallelliegenden ohmschen Widerstand zur Unterdrückung untersynchroner Spannungswellen, der in Abhängigkeit von der 0Spannung und/oder der Frequenz gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einschaltung des ohmschen Widerstandes (19) ein mittels einer Resonanzschaltung (15) frequenzabhängig gesteuerter Transduktor (18) vorgesehen ist, oder dass der verwendete ohmsche Widerstand selbst ein spannungsabhängiger Widerstand (8) ist.