AT393421B - Stromwandleranordnung fuer dreileiter- drehstromsysteme zur stromistwerterfassung - Google Patents

Description

AT 393 421B

Gegenstand der Erfindung ist eine Stromwandleranordnung für Dreileiter-Drehstramsysteme zur Stromistwerterfassung, insbesondere zur drehstromseitigen Stromistwerterfassung für geregelte, stromrichtergespeiste Gleichstromverbraucher.

In der Antriebsregelung ist der netzgeführte Stromrichter mit steuerbaren Halbierten ein wichtiges Stellglied. Bei Einsatz von Stromrichtern für geregelte Gleichstromantriebe steht fast ausschließlich ein Drehstromnetz zur Verfügung. Dabei erfüllt der Stromrichter zwei Aufgaben, nämlich die Umformung von Drehstrom in Gleichstrom bei Gleichrichterbetrieb oder die Umformung von Gleichstrom in Drehstrom beim Wechselrichterbetrieb, sowie die Verstärkung des Leistungsniveaus der Regler auf das der Maschine. Die zu regelnde Größe ist der zwischen Stromrichter und Maschine fließende Gleichstrom.

Zum Messen oder Erfassen dieses Gleichstroms können bei größeren Anlagen mit notwendiger Potentialtrennung Shunts mit Potentialtrennung (Shuntwandler), Magnetverstärker (Krämerwandler), Hallsonden mit und ohne Modulatorverstärker oder Feldsonden verwendet werden. Bei Stromrichterspeisung wird jedoch allgemein die Messung über einen äquivalenten Drehstrom vorgenommen u. zw. mittels Drehstromwandler. Durch den Drehstromwandler ist eine Potentialtrennung gegeben. Bei einer Stromrichterschaltung besteht ein streng proportionaler Zusammenhang zwischen Drehstrom und Gleichstrom. Bei einem im Stand der Technik allgemein bekannten Meßprinzip für eine Drehstrombrückenschaltung wird der Drehstrom über drei herkömmliche Wandler erfaßt, die für 0,1 A, 1 A oder 5 A sekundären Nennstrom ausgelegt sind. Der Sekundärstrom wird gleichgerichtet und über einen Bürdenwiderstand geleitet, an dem eine proportionale Gleichspannung abgegriffen werden kann. Nachteilig ist hier der große Aufwand an Transformatoreisen und Wicklungskupfer für die drei Stromwandler, die daher schwer, voluminös und teuer sind. Dieser Aufwand ist auch bei der allgemein bekannten Zwei-Strom-Wandler-V-Schaltung noch groß. Diese weist dazu den Nachteil auf, daß sich die Wandler bei der Abmagnetisierung gegenseitig beeinflussen, da ihre Abmagnetisierungsbedingungen schwanken. Dies kann zu Pendelungen der Regelung führen.

Es ist im Stande der Technik auch noch ein Meßprinzip bekannt, bei dem nur ein Stromwandler verwendet wird, der im weiteren Sinne als Drehstromwandler bezeichnet werden kann (SU-PS 748 528). Es ist dies der sogenannte Nullstromtransformator, der seit vielen Jahren bei den Fehlerstromschutzschaltem (Fl-Schaltem) verwendet wird. Bei diesen werden die drei Phasenströme über vollkommen symmetrisch angeordnete Primärwicklungen einem nachgeschalteten Verbrauchemetz zugeführt, wobei bei ungestörten Netzverhältnissen im Wandler die Summendurchflutung Null auftritt und daher keine Sekundärspannung induziert wird. Im Fehlerfall tritt jedoch eine Sekundärspannung auf, die zur Netzabschaltung dient, die jedoch nicht als Abbild der einzelnen Phasenströme geeignet ist. Dieser Nullstromtransformator ist daher zur Stromistwerterfassung nicht verwendbar.

Eine Anordnung, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Stromwandler in Form eines an sich bekannten Durchsteckstromwandlers vorgesehen ist und daß nur zwei der drei Phasenleiter durch den Stromwandler gefädelt oder durchgesteckt sind, daß dabei zur Vermeidung des Auftretens einer resultierenden Durchflutung vom Betrag Null die beiden Phasenleiter mit gleicher definierter Durchsteckrichtung und einem Windungszahlverhältnis von 1:2 oder mit gleicher definierter Durchsteckrichtung und gleicher Windungszahl, jedoch mit in einem Phasenleiter durch einen Shunt halbiertem Strombetrag oder mit gleichen Windungszahlen, jedoch mit zueinander entgegengesetzter definierter Durchsteckrichtung durch den Stromwandler gefädelt oder durchgesteckt sind, daß der aufgrund des dabei auftretenden doppelten Wertes der resultierenden Durchflutung sekundärseitig auftretende doppelte Betrag der Meßspannung durch eine Korrekturschaltung auf seinen halben Wert reduziert wird, und daß die Befehle zum Ein- und Ausschalten der Korrekturschaltung aus Ansteuerimpulsen für die Ventile des Stromrichters abgeleitet sind.

Der erzielbare Vorteil liegt in der beträchtlichen Reduktion des Aufwandes für lediglich einen Stromwandler, wobei die notwendige, wenig aufwendige Korrekturelektronik aus der Stromversorgung für die Regler mitversorgt werden kann.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Zeichnungen näher erläutert Es zeigen:

Fig. 1 den Blockschaltplan eines herkömmlichen Einquadrantantriebes mit Stromregelkreis und Drehzahlregelkreis

Fig. 2, 3 und 4 im Prinzip gleichartige Anordnungen für den Stromwandlerteil einer eifindungsgemäßen Schaltung

Fig. 5 den bekannten Schaltplan einer Drehstrombrückenschaltung mit zugehörigem Spannungsstem

Fig. 6 und 7 das zeitliche Auftreten der Stemspannungen, Ansteuerimpulse, Thyristorströme sowie der maßgebenden sekundären Größen und die

Fig. 8 und 9 zwei Ausführungsformen der elektronischen Korrekturschaltung.

Die Fig. 1 zeigt den Blockschaltplan eines herkömmlichen Einquadrantantriebes mit Stromregelkieis und Drehzahlregelkreis. Zum Leistungsteil gehören ein Ihyristorstromrichter (1) in Drehstrom-Brückenschaltung, Kommutierungsdrosseln (2), ein Gleichstrommotor (3), ein Ankerstrommeßgeber in Form von im Drehstromkreis angeordneten Stromwandlem (4) und ein Drehzahlmeßgeber (5) in Form einer mit dem Gleichstrommotor (3) gekoppelten Tachometermaschine. Zum Steuer- und Regelteil gehören ein sechspulsiger Steuersatz (6), ein Stromregler (7), ein Drehzahlregler (8) und ein Sollwertgeber (9) in Form eines Potentiometers, in bekannter Funktion. Dem Steuersatz (6) ist eine Zündimpulsendstufe (49) mit Verteilerlogik nachgeschaltet, die zur Eizeugung der für jeweils zwei aufeinanderfolgend stromführende Thyristoren erforderlichen Ansteuerimpulse -2-

AT 393 421B dient In dieser Stufe (49) findet auch die ImpulsQberkopplung auf den jeweils vorher im leitenden Zustand befindlichen Thyristor statt

Die Regelung eines Antriebes erfordert am Eingang des Reglers die Führungsgröße (Sollwert) und die Regelgröße (Istwert). Die Führungsgröße (Sollwert) wird als Gleichspannung vorgegeben. Die Regelgröße (Istwert), die mit einem Meßgeber erfaßt wird muß mittels eines Gleichrichters (10) auf eine für den Reglereingang geeignete Gleichspannung umgeformt werden. Die Wahl des Meßgebers richtet sich nach den Forderungen, die an den Antrieb gestellt werden. Bei den üblichen Netzspannungen von 380/500 V oder höher ist es zweckmäßig, den Steuer- und Regelkreis vom Leistungskreis galvanisch zu trennen. Die bei Antrieben verwendeten Meßgeber sind daher im allgemeinen potentialtrennend ausgeführt. Der Strom kann bei vollgesteuerten Brückenschaltungen grundsätzlich auf der Gleichstrom- oder der Wechselstromseite erfaßt werden. Der normale Wechselstromwandler, wie er zum Anschluß von Wechselstrom-Meßgeräten allgemein verwendet wird, ist auch als Meßgeber geeignet.

Die Fig. 2,3 und 4 zeigen im Prinzip gleichartige Anordnungen für den Stromwandlerteil einer erfindungsgemäßen Schaltung. Verwendet wird hier ein sogenannter Durchsteckstromwandler. Durchsteckstromwandler die handelsüblich sind und für höhere Stromstärken viel verwendet werden, weisen eine vom Eisenkern (11) vollständig umschlossene Durchstecköffnung (12) auf. Für höhere Stromstärken wird nicht die ebenfalls vorhandene, an Klemmen geführte Primärwicklung, sondern ein ein- oder mehrfach durch die Durchstecköffnung (12) des Stromwandlers (4) geführter Primärstromleiter benützt, der z. B. für 100 A Nennwert des Primärstromes 6 mal oder für 600 A Nennwert des Primärstromes 1 mal durchgeführt wird, um die erforderliche Nenndurchflutung von z. B. 600 AW zu erreichen. Die Sekundärwicklung (13) ist meist für 5 A (1 A, 0,1 A) Nennstrom ausgelegt. Als Primärwindungen zählen nur die Gänge im Inneren der Durchstecköffnung (12). Natürlich hängt es von der Stromflußrichtung ab, ob der AW-Beitrag eines Leiters als positiv oder negativ zu werten ist. Während herkömmlich zur Drehstrommessung meist 3 derartige Stromwandler oder, in der Zwei-Stromwandler-V-Schal-tung, zumindest 2 Stromwandler verwendet werden, wobei letztere Schaltung wegen ungleicher Abmagnetisierungsbedingungen für die beiden Stromwandler zu Reglerschwingungen führen kann, wird erfindungsgemäß nur ein Durchsteckstromwandler benützt. Dadurch ist eine große Einsparung an Gewicht, Volumen und Kosten gegeben.

Aus den Fig. 2, 3 und 4 ist erkennbar, daß nur jeweils zwei der insgesamt drei Phasenleiter des Drehstromsystems durch die Durchstecköffnung (12) des Stromwandlers (4) durchgeführt sind und zwar in den nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Arten. Bei der Anordnung nach Fig. 2 wird das was wesentlich ist, nämlich das Auftreten einer resultierenden Durchflutung vom Betrag Null und damit ein Lücken des Sekundärstromes zu verhindern, dadurch erzielt, daß die beiden Leiter (R), (S) mit zueinander entgegengesetzter Durchsteckrichtung durch die Durchstecköffnung (12) des Stromwandlers (4) geführt and. Selbstverständlich müssen die je nach auftretender Stromstärke erforderlichen Schleifenzahlen berücksichtigt werden. Der dritte Leiter (T) wird außen am Eisenkern (11) des Stromwandlers (4) vorbeigeführt.

In Fig. 4 ist ein Leiter, z. B. (S) einfach und ein Leiter z. B. (R) unter Ausbildung einer Rückführschleife zweifach durchgesteckt. Dabei weisen beide Leiter die gleiche definierte Durchsteckrichtung auf. Der dritte Leiter (T) wird ebenfalls außen am Eisenkern (11) des Stromwandlas (4) vorbeigeführt.

In Fig. 3 wird das erfindungsgemäße erforderliche AW-Verhältnis von 2:1 dadurch erzielt, daß zwei Leiter einfach durchgesteckt sind, bei einem Leiter jedoch der halbe Strom durch einen Shunt (15) außen am Eisenkern (11) des Stromwandlers (4) vorbeigeführt wird. Dazu ist es selbstverständlich erforderlich, daß der Shunt (15) und das gestundete Leiterstück gleiche Impedanz aufweisen. Außerdem ist hier im Falle einer Eichung eine andere Umrechnungskonstante anzuwenden. Die bei Stromfluß in den beiden durchgesteckten Leitern jeweils verursachte resultierende Durchflutung erzeugt in der Sekundärwicklung (13) einen eingeprägten Strom, der über den angeschlossenen Bürdenwiderstand (14) fließt Der Verlauf der resultierenden Durchflutungen (AW) sowie der diesen proportionalen Sekundärströme, die aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Leiter und der in diesen fließenden Leiterströme erzeugt werden, wird in den folgenden Figuren gezeigt

Die Fig. 5 zeigt den bekannten Schaltplan einer Drehstrombriickenschaltnng (16), die aus den beiden dreipulsigen Sternschaltungen (17), (18) besteht Sie weist sechs Thyristoren (21 - 26) auf, die symmetrisch an den Phasen (R), (S), (T) angeschlossen sind. Darunter ist der Spannungsstem der sechs jeweils unter 60° aufeinanderfolgenden Spannungen aufgezeichnet In dieser Reihenfolge müssen die Thyristoren nacheinander gezündet werden. Die Ziffern (21 - 26) am Spannungsstem, die mit den Bezugsziffem für die Thyristoren überein-stimmen, geben diese Reihenfolge an.

In Fig. 6 sind die drei Stemspannungen (Uj), (U2), (U3) der beiden dreipulsigen Sternschaltungen (17), (18), aus denen die Drehstrom-Brückenschaltung (16) besteht beim Zündwinkel α = 0° in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt Diese ergeben, in Reihe geschaltet die resultierende Spannung (Ujj). Darunter ist die zeitliche Zuordnung der Zündimpulse für die einzelnen Thyristoren (21 - 26) angegeben, die schräg schraffiert dargestellt sind sowie die Blöcke der dabei fließenden Thyristorströme, diese zur vereinfachten Erläuterung des Prinzips in schematisierter Form. Durch weitere Schraffur sind die Thyristorstromblöcke nach ihrer Bedeutung für das erfindungsgemäße Anordnungsbeispiel nach Fig. 4 hervorgehoben. Da die Zuleitungen (R) und (S) durchgesteckt sind und daher die in ihnen fließenden Ströme Durchflutungen positiver und negativa Art, jedoch -3-

AT 393 421B mit um djn Faktor 2 unterschiedlichen Beträgen erzeugen, sind die einfach wirkenden Stromblöcke, die in der Zuleitung (S) und somit abwechselnd in den Thyristoren (23) und (26) fließen, durch horizontale Schraffur gekennzeichnet und die doppelt wirkenden Stromblöcke, die in der Zuleitung (R) und somit abwechselnd in den Thyristoren (21) und (24) fließen, durch vertikale Schraffur. Die Stromblöcke durch die Thyristoren (22) und (25) sind ohne Einfluß. Durch geometrische Addition der gleichzeitig auftretenden Stromblöcke ergibt sich der unten gezeichnete Linienzug für die gerichtete Größe der resultierenden Durchflutung, die von den in positiver oder negativer Zählrichtung die Durchstecköffnung (12) durchsetzenden Strömen erzeugt wird, der in einem anderen Maßstab der in der Sekundärwicklung (13) fließende Meßstrom bzw. die am Bürdenwiderstand (14) auftietende Bürdenspannung=Meßspannung entspricht. Der Linienzug läßt die lückenlose und vorzeichenrichtige Erfassung aller Primärströme erkennen. Allerdings tritt noch ein Sekundärstrom mit seinem doppelten Wert auf und zwar ausschließlich in dem Zeitabschnitt, in dem gleichzeitig ein Stromfluß durch den doppelt durchgesteckten Leiter (R) und den nichtdurchgesteckten Leiter (T) »folgt, d. h. durch die Thyristoren (21) und (22) bzw. (24) und (25). Da zu dem die für die Regler (7), (8) nicht brauchbaren negativen Stromwerte auftreten, werden mittels nachfolgend beschriebener Schaltungen die erforderlichen Korrekturen vorgenommen. Die gleiche Form des Linienzuges ergibt sich auch für die Anordnung gemäß Fig. 3 jedoch, wie schon bei der Beschreibung dies»: Figur erwähnt, mit um den Faktor 2 geänderten Maßstabsverhältnissen.

In Fig. 6 sind die Sekundärstrom- bzw. AW-Verhältnisse für die Anordnung gemäß Fig. 4 angegeben. Der Linienzug ist aufgrund der zuvor gebrachten Hinweise einfach zu konstruieren, wobei anzum»rken ist, daß hier die beim Stromfluß durch den doppelt durchgesteckten Leiter (R) und die Thyristoren (21) bzw. (24) auftretenden Stromblöcke vertikal schraffiert h»vorgehoben sind.

Die Korrekturschaltung nach Fig. 8 zeigt den Bürdenwiderstand (14), der über einen Gleichrichter (10) an die Sekundärwicklung (13) des Stromwandlers (4) angeschlossen ist. Dem Bürdenwiderstand (14) wird während der Zeitspanne doppelter AW-Zahl ein gleichgroßer Widerstand (27) über einen Transistor (28) parallelgeschaltet. Dadurch steht dem mit seinem doppelten Wert auftretenden Meßstrom nur ein Bürdenwiderstand mit dem halben resultierenden Ohmwert zur Verfügung, sodaß die erwünschte Korrektur erfolgt. Dazu wird der Transistor (28) von einem Flip-Flop (29) in den leitenden Zustand gesteuert, der mittels des nicht überkop-pelten Ansteuerimpulses (Low) für den Thyristor (22) bzw. (25) gesetzt und mittels des jeweils darauffolgenden nicht überkoppelten Ansteuerimpulses für den Thyristor (23) bzw. (26) rückgesetzt wird. Dazu sind die Ansteuerleitungen für die Thyristoren (22) und (25) auch an die Eingänge einer AND-Stufe (30) geschaltet, deren Ausgang mit dem Setzeingang des Flip-Flop (29) verbunden ist. In gleicher Weise sind die Ansteuerleitungen für die Thyristoren (23) und (26) auch an die Eingänge einer AND-Stufe (31) geschaltet, deren Ausgang mit dem Rücksetzeingang des Flip-Flop (29) verbunden ist Die Gleichrichtung des Meßstromes erfolgt in bekannter Weise mittels des Gleichrichters (10). Bei anderer Anordnung der Leiter (R), (S), (T) bezüglich des Stromwandlers (4) muß, wie schon früher ausgeführt, eine andere Reihenfolge der zum Setzen und Rücksetzen des Flip-Flop (29) dienenden Ansteuerimpulse verwendet werden. Dies gilt selbstverständlich auch für eine Anordnung der Leiter nach Fig. 2, bei der erfindungsgemäß zwei der drei Primärleiter mit zueinander entgegengesetzter Durchsteckrichtung durch die Durchstecköffhung (12) des Stromwandlers (4) geführt sind. Ein doppelter Betrag der resultierenden AW bzw. des Sekundärstromes tritt, aus Fig. 7 »kennbar, dann auf, wenn beide durchgesteckten Leiter gleichzeitig stromführend sind, d. h. im Beispiel die Leiter (R) und (S) und die zugehörigen Thyristoren (21) und (26) bzw. (23) und (24). Es werden also hier die Ansteuerimpulse für die Thyristoren (21) und (24) auch zum Setzen und die jeweils darauffolgenden Ansteuerimpulse für die Thyristoren (22) und (25) auch zum Rücksetzen des Flip-Flop (29) heranzuziehen sein. Hier ist erkennbar und auch hervorzuheben, daß die resultierend»! Linienzüge immer in der selben Form auftreten, die Lage der doppelten AW- bzw. Sekundärstromwerte jedoch je nach Anordnung der Leiter bezüglich des Stromwandlers (4) unterschiedlich ist.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, daß bei dem doppelt erfaßten Strom der Eisenkern (11) des Stromwandlers (4) nicht doppelt so hoch aufmagnetisiert wird, da in diesem Fall der resultierende Bürdenwiderstand (141127) mit dem halben Ohmwert auftritL Der zusätzliche Magnetisierungsaufwand liegt nur im Kup-ferinnenwiderstand der Sekundärwicklung (13). Dadurch ist keine höhere Typenleistung des Stromwandlers (4) erforderlich.

Eine Korrekturschaltung mit einer etwas aufwendigeren Elektronik ist in Fig. 9 angegeben. In dieser ist es durch die Verwendung eines Operationsverstärkers (32) möglich, den Stromwandler (4) nur mit einer sehr kleinen Bürdenspannung zu belasten. Dem Operationsverstärker (32) ist ein Impedanzwandler (33) nachgeschaltet, um für den Operationsverstärker (32) eine Type geringer Stromtragfähigkeit verwenden zu können.

Am Bürdenwiderstand (34) fällt die Bürdenspannung ab, die über einen Vollweg-Meßgleichrichter oder Absolutwertbildner in bekannter Schaltung gleichgerichtet wird. Sein erster, als invertierender Gleichrichter arbeitender Operationsverstärker (35) ist mit den Widerständen (36) und (37), die untereinander gleiche Ohmwerte aufweisen sowie mit Dioden (38) und (39) beschältet. Sein zweiter, als invertierender Verstärker arbeitender Operationsverstärker (40) ist mit den untereinander gleiche Ohmwerte aufweisenden Widerständen (41 - 45) in der gezeigten Weise beschältet

Durch einen elektronischen Schalter (46) kann seine Verstärkung zwischen ihrem vollen und halben Wert umgeschaltet werden. Die Ansteuerung dieses Schalters (46) erfolgt wieder durch das Ausgangssignal des in -4-

Claims (1)

1. AT 393 421B Fig. 8 gezeigten Flip-Flops (29). Die Zenerdioden (47), (48) dienen zur Ableitung des Bürdenstromes und damit zum Überspannungsschutz für den Operationsverstärker (32) für den Fall, daß in der Sekundärwicklung (13) des Stromwandlers (4) Überspannungen aufitrcten, die durch hochdynamische Vorgänge im Primärstromkreis, etwa durch Schaltvoigänge oder Kurzschlüsse verursacht sind. Der Vorteil dies»1 Schaltung liegt darin, daß der Stromwandler (4) praktisch gegen die Bürdenspannung null arbeitet und daher nur ein sehr kleiner Magnetisierungsstrom auftritt. Dadurch ist diese Schaltung besonders zur momentanwertrichtigen Stromistwerterfassung mit nachgeschaltet» Stromnullmeldung über Schwellwertschalter geeignet Dies deshalb, weil der bei der Stromnullmeldung störende Magnetisierungsstrom, der bekanntlich durch das Verursachen des sogen. "Schweifes" der Abmagnetisierungsspannung die Stromnullmeldung verzögert auf einem Minimalwert gehalten werden kann. Abschließend sei noch erwähnt, daß bei rein» Stromnullmeldung, bei Strom- oder Leistungsmessungen mit Zeiger- oder Digitalinstrumenten oder bei Regelungen mit großer Glättungszeitkonstante die elektronische Korrekturschaltung nicht erforderlich ist da im ersten Fall nur das Nullwerden des Stromes interessiert und in den anderen Fällen der durch den mit doppeltem Wert auftretenden Meßstrom verursachte Fehler in die Anzeige eingeeicht bzw. ausgeglichen werden kann. PATENTANSPRUCH Stromwandleranordnung für Dreileiter-Drehstromsysteme zur Stromistwerterfassung, insbesondere zur drehstromseitigen Stromistwerterfassung für geregelte, stromrichtergespeiste Gleichstromverbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Stromwandler (4) in Form eines an sich bekannten Durchsteckstromwandlers vorgesehen ist und daß nur zwei der drei Phasenleiter durch den Stromwandler (4) gefädelt oder durchgesteckt sind, daß dabei zur Vermeidung des Auftretens einer resultierenden Durchflutung vom Betrag Null die beiden Phasenleiter mit gleicher definiert» Durchsteckrichtung und einem Windungszahlverhältnis von 1:2 oder mit gleicher definierter Durchsteckrichtung und gleich» Windungszahl jedoch mit in einem Phasenleit» durch einen Shunt (15) halbierten Strombetrag oder mit gleichen Windungszahlen jedoch mit zueinander entgegengesetzter definierter Durchsteckrichtung durch den Stromwandler (4) gefädelt oder durchgesteckt sind, daß der aufgrund des dabei auftretenden doppelten Wertes der resultierenden Durchflutung sekundärseitig auftretende doppelte Betrag der Meßspannung durch eine Korrekturschaltung auf seinen halben Wert reduziert wird und daß die Befehle zum Ein- und Ausschalten der Korrekturschaltung aus Ansteuerimpulsen für die Ventile (21 bis 26) des Stromrichters (1) abgeleitet sind. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen -5-