DD204806A1 - Schaltungsanordnung zur vollelektronischen unterbrechungsfreien umschaltung elektrotechnischer verbraucher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur vollelektronischen unterbrechungsfreien Umschaltung elektrotechnischer Verbraucher in dreiphasigen Netzen mit und ohne Nulleeiter. Die Aufgabe wird geloest, indem eine Schaltungsanordnung verwendet wird, die aus zwei dreiphasigen Thyristorschaltern ohne Zwangsloescheinrichtungen besteht. Zur Ermittlung der Stromrichtungen jeder Phase sind Stromwandler mit nachgeschalteten Messgliedern und zur Ermittlung d. Differenzspannung. zw. beiden Netzen Messtransformatoren mit nachgeschalteten Messgliedern angeordnet. Weiterhin sind pro Phase zwei UND-GLieder fuer die Umschaltung von Netz I auf Netz II und je zwei UND-Glieder fuer die Rueckschaltung zur Verknuepfung der jeweiligen Stromrichtung und jeweils zwei der Differenzspannungen der betrachteten Phase zu den benachbarten Phasen vorhanden. Die Ausgaenge der jeweils zwei UND-Glieder werden zusammen mit dem Ausgang eines zugehoerigen Stromnullgliedes auf ein ODER-Glied geschaltet, dessen Ausgang auf ein weiteres ODER-Glied gefuehrt ist, welches d. entsprechende Signal der vorangehenden Phase aufnimmt und dessen Ausgang auf die Thyristorschalter ansteuernde Elemente wirkt. Die Schaltungsanordnung gemaess der Erfindung ist ueberall dort anwendbar, wo eine stabile Versorgungsspannung benoetigt wird, insbesondere, wo als Verbraucher elektromagnetische Betaetigungsglieder gegen Spannungsabsenkungen geschuetzt werden sollen.

Description

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Titel:

Schaltungsanordnung zur vollelektronischen unterbrechungsfreien Umschaltung elektrotechnischer Verbraucher

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur ununterbrochenen Stromversorgung von Wechselstromverbrauchern in dreiphasigen Netzen mit und ohne Nulleiter durch Umschaltung auf ein Reservenetz.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Es sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen über Notstromaggregate, die im Störungsfall gestartet werden, eine Versorgung der Verbraucher bei Netzausfall erfolgt. Nachteilig ist hierbei, daß trotz der Anwendung von Schnellstartmethoden Spannungsunterbrechungen von mehreren Sekunden auftreten (DE-OS 1590623).

Weiterhin sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen bei Netzausfall die Stromversorgung von Wechselstromverbrauchern aus einem Wechselrichter vorgesehen ist, der seinerseits mit Energie aus Akkumulatoren gespeist wird. Für die Einschaltung des Wechselrichters auf das gestörte Netz werden sowohl elektromechanische als auch elektronische Schalter eingesetzt. Bei Verwendung von elektromechanischen Schaltern treten Spannungsabsenkungen auf, die Relais und Schütze zum Abfall bringen. Beim Einsatz von elektronischen Schaltern im Zusammenwirken mit einem wechselrichter ergeben sich zwar geringere Umschaltzeiten, jedoch ist der Einsatz eines Wechselrichters mit erheblichem Aufwand verbunden.

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Die Anordnung besitzt weiterhin den Nachteil, daß der Wechselrichter für eine relativ hohe Kurzschlußleistung bemessen werden muß (DE-OS 2256251).

Eine weitere bekannte elektrische Schaltung zur ununterbrochenen Stromversorgung verbindet den zu schützenden Wechselstromverbraucher über zwei Thyristorschalter mit zwei voneinander unabhängigen Stromquellen. Dabei ist ein Thyristorschalter eingeschaltet. Die Einschaltung des anderen Thyristorschalters im Falle einer Störung in der ersten Stromquelle wird von der Sperrung des bisher leitenden Thyristorschalters abhängig gemacht. Dazu werden die Spannungen über den Thyristorschaltern gegen ein Bezugspotential (Nulleiter) überwacht. Die Umschaltung wird nur dann zugelassen, wenn alle Spannungen mindestens gleich einer vorgegebenen Bezugsspannung sind..Es sind jedoch Fälle möglich, bei denen die gestörte Stromquelle kurzschlußbehaftet ist. Hierbei würde die Umschaltung auf die ungestörte Stromquelle verzögert werden, da in diesem Moment der Thyristorschalter durch die in den vorhandenen Induktivitäten des Lastkreises gespeicherte Energie noch leitend bleibt. Damit ergeben sich durch das Abklingen des Stromes relativ lange Umschaltzeiten (DE-OS 2256251).

Um diesen Nachteil zu umgehen, ist in einer weiteren bekannten Schaltung (DE-AS 1956486) eine Zwangskommutierung der Thyristorschalter vorgesehen. Der hierfür erforderliche technische Aufwand ist erheblich, da zu jedem Thyristor ein separater Löschkreis erforderlich ist. Außerdem benötigen die bekannten Lösungen einen Nulleiter als Bezugspotential, der nicht in allen Drehstromnetzen vorhanden ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mittels einer Schaltungsanordnung eine unterbrechungsfreie Stromversorgung von Verbrauchern in Drehstromnetzen mit und ohne belastbarem Nulleiter zu ermöglichen und zu gewährleisten, daß angeschlossene Verbraucher (z.B. Schütze und Relais) in ihrer Funktion nicht

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beeinträchtigt und die Nachteile der bekannten Lösungen vermieden werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung:

- Die technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine einfache Schaltungsanordnung zu entwickeln, die die Speisung von Verbrauchern aus jeweils einem von zwei völlig getrennten Drehstromnetzen durch vollelektronische Umschaltung sichert, wobei im Störungsfall des speisenden Netzes die Verbraucher unterbrechungsfrei auf das zweite Netz umgeschaltet werden und der zuvor leitende Thyristorschalter durch geeignete Wahl des Zündzeitpunktes der drei jeweils gegenüberliegenden Thyristorschalter unter Ausnutzung geeigneter physikalischer Zusammenhänge gelöscht wird.

- Merkmale der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß den keine Zwangslöscheinrichtung besitzenden Thyristorschaltern 5 für Netz I und 6 für Netz II zur Ermittlung der Stromrichtungen Stromwandler 10 für Netz I und 11 für Netz •II mit nachgeschalteten, die Signalanpassung vornehmenden Meßgliedern 22 für die Phase R bzw. 23 für die Phase S bzw. 24 für die Phase T des Netzes I und 25 für die Phase R bzw, 26 für die Phase S bzw. 27 für die Phase T des Netzes II zugeordnet sind und zur vorzeichenbehafteten Ermittlung der Differenzspannungen zwischen beiden Netzen Meßtransformatoren 7 und 8 mit nachgeschalteten, die Signalanpassung vornehmenden und differenzspannungsbildenden Meßgliedern 19 bzw. 20 bzw. 21 angeordnet sind und UND-Glieder 28, 31 bzw. 29, 32 bzw. 30, 33 und 37, 40 bzw. 38, 41 bzw. 39, 42 zur Verknüpfung der Stromrichtung und jeweils zwei der vorzeichenbehafteten Differenzspannungen der betrachteten Phase zu den benachbarten Phasen vorhanden sind, deren Ausgänge zusammen mit dem Ausgang eines, das je-

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weilige Signal des zugehörigen Stromnulltriggers 46 bzw. 47 bzw. 48 und 49 bzw. 50 bzw. 51 aufnehmenden Stromnullgliedes 34 bzw. 35 bzw. 36 und 43 bzw. 44 bzw. 45 auf ein ODER-Glied 52 bzw. 53 bzw. 54 und 58 bzw. 59 bzw. 60 geschaltet sind, dessen Ausgang auf ein weiteres, das entsprechende Signal des ODER-Gliedes 54 bzw. 52 bzw. 53 und 60 bzw. 58 bzw. 59 der vorangehenden Phase aufnehmendes ODER-Glied 55 bzw. 56 bzw. 57 und 61 bzw. 62 bzw. 63 geschaltet ist und dessen Ausgang auf die Thyristoren ansteuernde Elemente geführt ist.

Im Ausgangszustand der Schaltungsanordnung ist der dreiphasige Thyristorschalter 5 des Netzes I eingeschaltet und der dreiphasige Thyristorschalter 6 des Netzes II gesperrt. Damit erfolgt die Speisung des elektrischen Verbrauchers 9 aus Netz I. Die Einschaltung des dreiphasigen Thyristorschalters 5 bewirken die drei pro Phase vorhandenen ODER-Glieder 61, 62, 63, die ein Η-Signal am Ausgang führen. Dieses H-Signal resultiert aus der Tatsache, daß sowohl der Stromnülltrigger 49 bzw. 50 bzw. 51 als auch die Meßeinrichtung 18 am invertierten Ausgang ein Η-Signal aufweisen und daß dadurch am Ausgang des Stromnullgliedes 43 bzw. 44 bzw. 45 ebenfalls Η-Signal entsteht, das sich über die nachgeschalteten ODER-Glieder 58, 61 bzw. 59, 62 bzw. 60, 63 durchsetzt und die Zündimpulse für den dreiphasigen Thyristorschalter 5 freigibt.

Beim Auftreten einer unzulässigen Spannungsabsenkung im Netz I tritt am nichtinvertierten Ausgang der Meßeinrichtung 18 ein Η-Signal, am invertierten Ausgang ein L-Signal auf. Durch das L-Signal des invertierten Ausgangs werden die Zündimpulse für die Thyristorschalter 5.1, 5.2, 5.3 gesperrt. Der nichtinvertierte Ausgang der Meßeinrichtung 18 wirkt mit dem Η-Signal auf die drei pro Phase vorhandenen UND-Glieder 28, 31, 34 bzw. 29, 32, 35 bzw. 30, 33, 36 und bewirkt die Aktivierung dieser UND-Glieder.

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Eingeleitet wird die Stromübernahme durch einen oder zwei Thyristorschalter des Netzes II von einem oder zwei Thyristorschalter des Netzes I, wenn bei positiven (negativen) Stromrichtungen und

- in der Phase R bei positiver (negativer) Differenzspannung AU_RS und negativer (positiver) Differenzspannung AU_TR

- in der Phase S bei positiver (negativer) Differenzspannung

- und negativer (positiver) Differenzspannung

- in der Phase T bei positiver (negativer) Differenzspannung AU__R und negativer (positiver) Differenzspannung AU_ST

am Ausgang des jeweiligen UND-Gliedes 28, 29, 30 bzw. 31, 32, 33 bzw. 34, 35, 36 ein Η-Signal auftritt. Zum Beispiel wird bei positiver Differenzspannung AU_RS und positivem Strom im Thyristorschalter 5.1 der Phase R mit dem Einschalten der Thyristorschalter 6.1 und 6.2 in den Phasen R und S der Strom vom Thyristorschalter 5.1 auf den Thyristorschalter 6.1 kommutieren. Dabei werden durch die zusätzliche Verknüpfung der Differenzspannuhg AU__R Kurzschlüsse vermieden. Ist der Strom in einer Phase des Netzes I gleich Null, so erfolgt die Freigabe der Zündimpulse für die gegenüberliegende Phase unmittelbar. Zur Berücksichtigung des Meßfehlers der Stromnulltrigger sowie der Freiwerdezeit der Thyristoren kann die Freigabe der Zündimpulse über ein Zeitglied verzögert werden.

Im einzelnen erscheint bei Erfüllung einer der genannten Umschaltbedingungen in der jeweiligen Phase am Ausgang des entsprechenden UND-Gliedes 28 bzw. 31 bzw. 34 für Phase R; 29 bzw. 32 bzw. 35 für Phase Si 30 bzw. 33 bzw. 36 für Phase T ein Η-Signal. Das Η-Signal am Ausgang des jeweiligen UND-Gliedes setzt sich über ein pro Phase vorhandenes ODER-Glied 52 bzw. 53 bzw. 54 durch und wirkt auf ein weiteres pro Pha-' se vorhandenes ODER-Glied 55 bzw. 56 bzw. 57, in dem das entsprechende Signal des ODER-Gliedes 54 bzw. 52 bzw. 53 der

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vorangehenden Phase verknüpft ist, so daß am Ausgang des jeweiligen ODER-Gliedes ebenfalls ein Η-Signal entsteht, das die Zündimpulse für die zugehörigen Thyristorschalter freigibt. Durch die Verknüpfung am Eingang des ODER-Gliedes 55 bzw. 56 bzw. 57 werden jeweils zwei der drei Thyristorschalter gleichzeitig gezündet. Nach Einhaltung der genannten Zuschaltbedingungen erfolgt die Freigabe der Zündimpulse für den jeweils dritten Thyristorschalter. Dadurch, daß der Strom vom Netz I auf Netz II kommutiert, wird der Strom im Netz I zu Null und über das entsprechende Stromnullglied 34 bzw. 35 bzw. 36, an dessen Ausgang ein Η-Signal entsteht, werden die Zündimpulse für den dreiphasigen Thyristorschalter 6 aufrechterhalten.

Bei Vorliegen eines Η-Signals am ein Zeitverzögerungsglied enthaltenden invertierten Ausgang der Meßeinrichtung 18 erfolgt die Rückschaltung von Netz II auf Netz I bei negativen (positiven) Stromrichtungen und

- in der Phase R bei positiver (negativer) Differenzspannung AU_RS und negativer (positiver) Differenzspannung AU«»

- in der Phase S bei positiver (negativer) Differenzspannung

und negativer (positiver) Differenzspannung AU_RS

in der Phase T bei positiver (negativer) Differenzspannung und negativer (positiver) Differenzspannung

Die Verknüpfungen der UND- und ODER-Glieder zur Freigabe der Zündimpulse für die Thyristorschalter des Netzes I sind entsprechend schaltungstechnisch realisiert

Es liegt im Sinne der Erfindung, wenn die logischen Verknüpfungsglieder UND und ODER durch andere Verknüpfungsglieder wie z.B. NAND oder NOR realisiert werden.

Mit Hilfe dieser Schaltungsanordnung ist es möglich, Umschaltzeiten von<6 ms zu erreichen, wobei die Umschaltdauer von der Phasenlage beider Netze zueinander im Umschaltpunkt

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abhängig ist. Dadurch entstehende Unstetigkeiten in den Kurvenverläufen von Strom und Spannung können durch Speicherelemente, wie z.B. einen Drehstrommotor oder Drehstromgenerator vermieden bzw. vermindert werden.

Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Figur 1 zeigt das Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.

Die Schaltungsanordnung besteht aus einem Leistungsteil A und einer Steuereinrichtung B einschließlich Stromversorgung. Der Leistungsteil beinhaltet strombegrenzende Leistungsschalter 1 und 2 zum Leitungsschutz und zum Schutz der Halbleiterventile in Verbindung mit Strombegrenzungsdrosseln 3 und 4 sowie zwei dreiphasige Thyristorschalter 5 und 6. Zur potentialgetrennten Meßwerterfassung dienen die Meßtransformatoren 7 und 8 und die Stromwandler 10 und 11. Die Ansteuerung der elektronischen Thyristorschalter 5 und 6, die durch RC-Beschaltungen gegen Oberspannungen geschützt werden, wird mit Hilfe von Impulsübertragern 15 und 16 potentialgetrennt realisiert.

Zur Stromversorgung der Steuereinrichtung B werden die Trafos 7 und 8 mit verwendet, die eine Versorgung entweder aus dem Netz I oder dem Netz II bzw. parallel aus beiden Netzen sicherstellen. Es können für diesen Zweck zusätzliche Trafos oder andere Stromversorgungseinrichtungen angeordnet werden.

Die Steuereinrichtung B besteht aus folgenden Baugruppen:

- Meßwerterfassung 12

- Meßwertverarbeitung 13 τ- impulserzeugung und Verstärker 14

- Impulsübertragung 15, 16

- Stromversorgung 17

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Zur Erläuterung wird von den Prinzipschaltungen in Figur 1 und Figur 2 ausgegangen und das Vorhandensein beider Drehstromnetze vorausgesetzt. Die Leistungsschalter 1 und 2 sind eingeschaltet. Ober die Meßtrafos 7 und 8 ist die Stromversorgung der Steuereinrichtung B sichergestellt. In der Meßeinrichtung 18 wird die der Spannung im Netz I (Vorzugsnetz) proportionale Ausgangsspannung (Meßspannung) des Trafos 7 gleichgerichtet und mit einem einstellbaren Grenzwert verglichen. Der Thyristorschalter 5 sei eingeschaltet, der Thyristorschalter 6 gesperrt. Die Verbraucher 9 werden aus Netz I gespeist. Dieser Zustand ergibt sich auf Grund folgender Verknüpfungen:

Liegt die Meßspannung über dem eingestellten Grenzwert, erscheint am invertierten Ausgang der Meßeinrichtung 18 ein Η-Signal. Da der Strom im Netz II Null ist, haben die Meßglieder 49, 50, 51 ebenfalls Η-Signal. Oeweils beide Signale werden im UND-Glied 43, 44, 45 miteinander verknüpft und bewirken über ODER-Glieder 58, 61 bzw. 59, 62 bzw. 60, 63 die Einschaltung der Thyristorschalter 5.1, 5.2, 5.3.

Beim Auftreten einer unzulässigen Spannungsabsenkung im Netz I tritt am nichtinvertierten Ausgang der Meßeinrichtung 18 ein Η-Signal, am invertierten Ausgang ein L-Signal auf. Durch das. L-Signal des invertierten Ausgangs werden die Zündimpulse für die Thyristorschalter 5.1, 5.2, 5,3 gesperrt. Der nichtinvertierte Ausgang der Meßeinrichtung 18 wirkt auf die drei pro Phase vorhandenen UND-Glieder 28, 31, 34 bzw. 29, 32, 35 bzw. 30, 33, 36.

Eingeleitet wird die Stromübernahme durch einen oder zwei Thyristorschalter des Netzes II von einem oder zwei Thyristorschalter des Netzes I, wenn bei positiven (negativen) Stromrichtungen und

- in der Phase R bei positiver (negativer) Differenzspannung und negativer (positiver) Differenzspannung AUy_R

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- in der Phase S bei positiver (negativer) Differenzspannung AU_ST und negativer (positiver) Differenzspannung AU_RS

- in der Phase T bei positiver (negativer) Differenzspannung AU__R und negativer (positiver) Differenzspannung AU_gT

am Ausgang des jeweiligen UND-Gliedes 28, 29, 30 bzw. 31, 32, 33 bzw. 34, 35, 36 ein Η-Signal entsteht.

Z.B. wird bei positiver Differenzspannung AU_RS und positivem Strom im Thyristorschalter 5.1 der Phase R mit dem Einschalten des Thyristorschalters 6.1 und 6.2 in den Phasen R und S der Strom vom Thyristorschalter 5.1 auf den Thyristorschalter 6.1 komrnutieren. Dabei werden durch die zusätzliche Verknüpfung der Differenzspannung AU_TR Kurzschlüsse vermieden.

Nach Rückkehr der Spannung im Netz I wird nach Ablauf einer einstellbaren Zeitverzögerung analog die Rückschaltung von Netz II auf Netz I durchgeführt.

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Claims (3)

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   Erfindungsanspruch:

   1. Schaltungsanordnung zur vollelektronischen unterbrechungsfreien Umschaltung elektrotechnischer Verbraucher von einem Drehstromnetz auf ein zweites Drehstromnetz, das vom ersten völlig unabhängig sein kann, wobei zwei dreiphasige Thyristorschalter (5,6) und eine die Umschaltung auslösende Meßeinrichtung (18) angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß den keine Zwangslöscheinrichtung besitzenden Thyristorschaltern (5) für Netz I und (6) für Netz Il zur Ermittlung der Stromrichtungen Stromwandler (10) für Netz I und (11) für Netz II mit nachgeschalteten, die Signalanpassung vornehmenden Meßgliedern (22) für die Phase R bzw. (23) für die Phase S bzw. (24) für die Phase T des Netzes I und (25) für die Phase R bzw. (26) für die Phase S bzw. (27) für die Phase T des Netzes II zugeordnet sind und zur vbrzeichenbehafteten Ermittlung der Differenzspannungen zwischen beiden Netzen Meßtransformatoren (7) und (8) mit nachgeschalteten, die Signalanpassung vornehmenden und differenzspannungsbildenden Meßgliedern (19) bzw. (20) bzw. (21) angeordnet sind und UND-Glieder (28), (31) bzw. (29), (32) bzw. (30), (33) und (37), (40) bzw. (38), (41) bzw. (39), (42) zur Verknüpfung der Stromrichtung und jeweils zwei der vorzeichenbehafteten Differenzspannungen der betrachteten Phase zu den benachbarten Phasen vorhanden sind, deren Ausgänge zusammen mit dem Ausgang eines, das jeweilige Signal des zugehörigen Stromnulltriggers (46) bzw. (47) bzw. (48) und (49) bzw. (50) bzw. (51) aufnehmenden Stromnullgliedes (34) bzw. (35) bzw. (36) und (43) bzw. (44) bzw. (45) auf ein ODER-Glied (52) bzw. (53) bzw. (54) und (58) bzw. (59) bzw. (60) geschaltet sind, dessen Ausgang auf ein weiteres, das entsprechende Signal des ODER-Gliedes (54) bzw. (52) bzw. (53) und (60) bzw. (58) bzw. (59) der vorangehenden Phase aufnehmendes ODER-Glied (55) bzw. (56) bzw. (57) und (61) bzw. (62) bzw. (63) geschaltet ist und dessen Ausgang auf die Thyristoren ansteuernde Elemente geführt ist. - 11 -

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2. 2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine zweite die Spannung im Netz II erfassende Meßeinrichtung angeordnet ist, deren Ausgang mit dem nichtinvertierten Ausgang der Meßeinrichtung (18) vom Netz I über ein UND-Glied verknüpft ist, das den folgenden UND-Gliedern (28), (31), (34), (29), (32),

   •(35), (30), (33), (36) vorgeschaltet ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßeinrichtung (18) einen Meßtrigger besitzt, dessen Ausgang mit dem Ausgang eines die Höhe der Differenzspannung bestimmenden Meßgliedes über ein UND-Glied verknüpft ist, das den folgenden UND-Gliedern (28), (31), (34), (29). (32), (35), (30), (33), (36) vorgeschaltet ist und ein zweiter tiefer ansprechender Meßtrigger angeordnet ist, der bei Ansprechen dieses UND-Glied überbrückt.

   Hterai JLSeiten Zeichnungen