DE1055120B

DE1055120B - Kapazitiver Spannungswandler

Info

Publication number: DE1055120B
Application number: DEL29695A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Alfred Lang; Dipl-Ing Rudolf Zahorka
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1958-02-15
Filing date: 1958-02-15
Publication date: 1959-04-16
Also published as: CH372751A

Description

Beim Überschreiten bestimmter Spanmmgswerte, 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 bedampfen, 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 EiiSeneättigung des Zwischenwandlers und der Resonanzdrossel, deren Induktivitäten so verkleinert werden, daß der durch den Niederspanrmngskondensator einerseits und die Resonanzdrossel mit der Induktivität des Zwischenwandlers andererseits gebildete Schwingkreis gerade eine solche Eigenfrequenz erhält, daß die Netzfrequenz ein Vielfaches dieser Eigenfrequenz wird. Daher kann die als Dämpfungsmaßnahme vorgesehen« Drosselspule ihrerseits infolge ihrer Induktivität Anlaß zu Unterschwingungen in diesem Meßkreis sein, wie dies durch Messungen festgestellt wurde. Die Drosselspule ist also kein universelles Mittel zur Beseitigung untersynchroner Spannungen.

Weiterhin ist es bekannt, eine Dämpfung am Zwischenwandler durch einen parallel geschalteten 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 parallel liegenden Ohmwiderstand erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß Mittel vorgesehen sind, durch die der Ohmwiderstand in Abhängigkeit von der Spannung und/oder der Frequenz eingeschaltet wird, oder daß der verwendete Ohmwiderstand selbst ein spannungsabhängiger Widerstand ist. Damit läßt sich erreichen, daß der Ohm-Kapazitiver Spannungswandler

Anmelder:

LICENTIA Patent-Verwaltungs -G.m.b.H., Hamburg 36, Hohe Bleichen 22

Dr.-Ing. Alfred Lang, Eßlingen/Neckar,

und Dipl.-Ing. Rudolf Zahorka, Stuttgart-Wangen,

sind als Erfinder genannt worden

widerstand nur in dem erforderlichen Betrkbsfall voll zur Wirkung gelangt, nämlich dann, wenn untersyn-

ao chrone 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 Meßgenaragkeit des Wandlers.

Eine spanoungsabhängige Einschaltung eines Widerstandes erfolgt am einfachsten durch einen sogenannten spannungsabhängigen Widerstand, wie er beispielsweise aus der Technik der Überspannungsableiter 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 bedämpft. 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.

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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 Ohmwiderstand nur dann einzuschalten, wenn solche unerwünschten 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 hierzu 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 Zwischentransformator 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 Überstrom 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 \⁷erhalten 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 Klemmend 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 schalterähnliche 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 l,73fache 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 y4 undi? 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 S teuer wicklung 14 treibt, die die Sperrung des magnetischen Verstärkers 12 bewirkt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 3.

Die Klemmen./! undB sind wieder an die Sekundärwicklung des Zwischenwandlers angeschlossen. Parallel zur Sekundärwicklung des Zwischenwandlers liegt nun ein Reihenresonanzkreis 15j 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 eines rückgekoppelten magnetischen Verstärkers 18 mit bistabilem \^erhalten 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 stabile 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 können. Führt man nun der Steuerwicklung 17 des magnetischen Verstärkers 18 den Strom durch die Resonanzschaltung 9 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

Claims

den Resonanzkreis 15 kleiner, wodurch die Sperrwirkung des magnetischen A^erstärkers 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 erhöht sich die Spannung, wie schon beschrieben, um etwa 73%. Würden nun gleichzeitig noch Unterwellen vorhanden sein, so wäre der magnetische Verstärker 18 geöffnet, 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 die Unterwellenfrequenz abgestimmter Saugkreis vorhanden ist, dessen Strom einer Steuerwicklung des Transduktor 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 parallel liegenden Ohmwiderstand zur Unterdrückung untersynchroner Spannungswellen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die der Ohmwiderstand in Abhängigkeit von der Spannung und/oder der Frequenz eingeschaltet wird, oder daß der verwendete Ohmwiderstand selbst ein spannungsabhängiger Widerstand ist.

2. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem spannungsabhängigen Widerstand ein thermischer Auslöser geschaltet ist.

3. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Zwischenwandler ohmsche Widerstände angeschlossen sind, die frequenzabhängig von den untersynchronen Spannungen eingeschaltet werden.

4. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ohmwiderstand über einen Transduktor eingeschaltet wird.

5. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transduktor frequenzabhängig ausgesteuert wird.

6. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in Reihe mit dem Transduktor liegende Widerstand spannungsabhängig ist.

7. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transduktor durch eine auf die Netzfrequenz abgestimmte Resonanzschaltung gesperrt wird.

8. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1 und 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom eines auf Netzfrequenz abgestimmten Reihenresonanzkreises zur Sperrung des Transduktors dient.

9. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1 und 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom eines auf die Frequenz der Unterwellen abgestimmten Resonanzkreises dem Transduktor in öffnendem Sinne zugeführt wird, während dieser im Normalbetrieb gesperrt ist.

10. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1 und 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transduktor ein an sich bekanntes bistabiles Verhalten aufweist.

11. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1 und 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Dämpfungswiderstand nur der Ohmwiderstand des Transduktors einschließlich seiner Gleichrichter dient.

12. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1 und 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Transduktor (18) eine zweite Steuerwicklung erhält, die von einer Sättigungsdrossel mit rechteckiger Magnetisierungskennlinie so gespeist wird, daß der Transduktor bei gleichzeitigem Auftreten von Unterwellen und sekundärer Spannungserhöhung ganz oder teilweise gesperrt wird.

13. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungswiderstand im Normalbetrieb nur teilweise eingeschaltet ist.

14. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des D ämpfungs wider Standes durch einen Transduktor überbrückt wird, der bei normaler Betriebsspannung geöffnet und bei erhöhter Betriebsspannung gesperrt ist.

15. Kapazitiver Spannungswandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Transduktor durch eine Sättigungsdrossel mit rechteckiger Magnetisierungskennlinie ausgesteuert wird, die bei Überspannung in Sättigung gerät.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen