DE1081104B - Steuergeraet fuer Wechselstromschalter - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei Schaltern zur Unterbrechung eines Wechselstromes in der Nähe seines Nulldurchganges ist es bereits bekannt, den Schaltvorgang durch ein Synchronkommando zu steuern, das von dem Nulldurchgang einer elektrischen Hilfsgröße (Strom oder Spannung) abgeleitet ist, die dem zu unterbrechenden Strom um eine im wesentlichen konstante Zeit (Voreilzeit) voreilt. Die eigentliche Auslösung des Schaltvorganges erfolgt durch ein Asynchronkommando', das das Synchronkommando freigibt, beispielsweise durch Schließen eines Hilfsschalters von Hand. Die Voreilzeit muß ausreichen, um beispielsweise bei einem magnetisch betriebenen Schalter ein die Schaltbewegung steuerndes Magnetfeld auf- oder abzubauen und eine eventuell vorhandene Verklinkung zu lösen; *5 danach muß der Schalter noch innerhalb der Voreilzeit so weit geöffnet werden, daß der im Nulldurchgang erlöschende Lichtbogen nicht wieder gezündet wird. Die voreilende Hilfsgröße kann z. B., wie es an sich bereits bekannt ist, aus drei Komponenten zu- ^ao sammengesetzt sein, von denen die eine dem zu unterbrechenden Strom, die beiden anderen seiner ersten bzw. seiner zweiten zeitlichen Ableitung proportional sind.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Steuer- ²S gerät für einen Schalter zur Unterbrechung eines Wechselstromes i in der Nähe seines Nulldurchganges, bei dem durch ein Asynchronkommando ein Synchronkommando zur Auslösung des Schaltvorganges freigegeben wird, das von dem Nulldurchgang einer dem zu unterbrechenden Strom um eine konstante Zeit (Voreilzeit t_v) voreilenden elektrischen Hilfsgrö'ße (Spannung u_v, Strom i_v) abgeleitet ist. Das Steuergerät nach der Erfindung ist durch eine Einrichtung gekennzeichnet, die die Dauer des auf das Asynchronkommando folgenden Anstieges des absoluten Strotnbetrages mißt und die das Synchronkommando· durch ein elektrisches Signal nur dann freigibt, wenn diese Dauer größer ist als die Voreilzeit.

Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen: Wenn das Synchronkommando, wie es vielfach der , Fall ist, eine Dauer besitzt, die gegen die Voreilzeit nicht vernachlässigbar klein ist, so kann es vorkommen, daß das willkürlich oder durch ein "Relais gegebene Asynchronkommando in diesen Zeitraum hineintrifft. Der Schalter wird dann zu spät ausgelöst, da das Synchronkommando nicht mit seinem Beginn, sondern erst später wirksam geworden ist. Das kann zur Beschädigung oder Zerstörung des Schalters führen.

Die gemäß der Erfindung eingeführte Zeitmessung, durch die vor Freigabe des Snychronkommandos festgestellt wird, ob die Dauer des auf das Asynchronkommando folgenden Stromanstieges mindestens Steuergerät für Wechselstromschalter

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. rer. nat. Johannes Wegener

und Rudolf Patzelt, Berlin-Siemensstadt,

sind als Erfinder genannt worden

gleich der Voreilzeit ist, behebt diese Schwierigkeit, und zwar unabhängig von Form und Dauer des verwendetenSynchronkommandos. Wenn nämlich die Dauer des Stromanstieges, d. h. des ansteigenden Teiles einer Halbwelle, mindestens gleich der \^oreilzeit war, so> ist mit großer Wahrscheinlichkeit auch eine Dauer des abfallenden Teiles der Halbwelle zu erwarten, die mindestens gleich der Voreilzeit ist. Das heißt aber, daß das Freigabesignal der Zeitmeßeinrichtung, das spätestens im Scheitelpunkt der Halbwelle eintrifft, bereits vorhanden ist, wenn das Synchronkommando erzeugt wird. Die Auslösung des Schalters erfolgt also stets durch ein vollständiges, unverstümmeltes Synchronkommando. Unter »Halbwelle« wird hierbei jeweils eine positive bzw. negative Stromführungsperiode verstanden, wobei ausdrücklich darauf hingewiesen sei, daß die positiven und negativen Halbwellen, solange Ausgleichsvorgänge ablaufen, verschieden sind.

Es ergibt sich aus dem Vorstehenden, daß bei dem Steuergerät nach der Erfindung auf eine Auslösung des Schalters am Ende solcher Halbwellen, deren Dauer kleiner ist als etwa die doppelte Voreilzeit, verzichtet wird. Dadurch wird die Schaltsicherheit weiter erhöht. Extrem kurze Halbwellen können nämlich insbesondere dadurch entstehen, daß kurz nach

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dem. Nulldurchgang des Stromes eine Störung eintritt, die zur Folge hat, daß der Strom seine Richtung vorzeitig ändert. Besteht in einer solchen Situation ein Asynchronkommando und bleibt die Dauer des durch die Störung verursachten Stromabfalls bis zum Nulldurchgang unter der Voreilzeit, so wird der Schalter in einem falschen Zeitpunkt geöffnet, da die voreilende Hilfsgröße sich selbst dann, wenn die entsprechenden Zeitkonstanten vernachlässigbar klein sind, den neuen Verhältnissen nicht rechtzeitig anpassen kann. Diese Gefahr ist unter sonst gleichen Bedingungen um so größer, je kleiner die Dauer des der Störung vorangehenden Stromanstieges ist. Es ist daher vorteilhaft, die Möglichkeit, daß am Ende sehr kurzer Halbwellen geschaltet wird, überhaupt auszuschließen.

Die Dauer des auf das Asynchronkommando folgenden Stromanstieges (bezogen auf den Absolutbetrag des Stromes) kann nach einem weiteren Erfindungsgedanken durch die Spanunng eines Kondensators gemessen werden, der mit etwa konstantem Strom über zwei in Reihe geschaltete elektronische Schalteinrichtungen gespeist ist, von denen die eine bei positivem (negativem) i, die andere bei positivem (negativem) i' leitfähig und im übrigen gesperrt ist. Als Schalteinrichtungen dienen vorzugsweise Transistoren, deren Steuerstrecken an einen im Stromkreis i liegenden Widerstand bzw. an eine Sekundärwicklung eines im gleichen Stromkreis liegenden Lufttransformators angeschlossen sind. Im Ladekreis des Kondensators kann ferner eine elektronische Schalteinrichtung, vorzugsweise ein Transistor, liegen, die normalerweise gesperrt ist, wobei Mittel vorgesehen sind, diese Sperrung durch ein Asynchronkommando zur Auslösung des Schalters aufzuheben. Der Ausgang der Zeitmeßeinrichtung wird mit Vorteil durch einen Kippkreis gebildet, der seinen Zustand ändert und dadurch ein Freigabesignal auslöst, falls die Spannung des Zeitmeßkondensators einen vorgegebenen Betrag überschreitet. Zur Sicherung des Steuergerätes gegen unzeitiges öffnen des Schalters kann der Kippkreis durch eine Vorspannung in demjenigen Zustand festgehalten sein, in dem er kein Signal auslöst, wobei Mittel vorgesehen sind, zur Auslösung des Schalters diese Vorspannung durch das Asynchronkommando aufzuheben.

Die Aufgabe, das in jeder Halbwelle erzeugte Synchronkommando mit dem Signal der Zeitmeßeinrichtung zu kombinieren, kann in weiterer Ausbildung der Erfindung so gelöst werden, daß aus der voreilenden Hilfsgröße rechteckförmige Spannungsimpulse (bzw. entsprechende Stromimpulse) abgeleitet sind, die beim Nulldurchgang der Hilfsgröße beginnen und deren Betrag erst dann zur Auslösung des Schalters ausreicht, wenn sie einem Freigabesignal gleicher Richtung der Zeitmeßeinrichtung überlagert sind. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird demnach das Synchronkommando durch die ansteigende Flanke eines rechteckförmigen Spannungs- oder Stromimpulses gebildet. Die Summe des Synchronkommandos und des Signals der Zeitmeßeinrichtung löst dann den Schalter aus.

Zur Erzeugung eines Asynchronkommandos bei Überstrom kann das Steuergerät nach der Erfindung in an sich üblicher Weise einen Überstromauslöser enthalten. Werden nun, wie oben vorgeschlagen, in den nachgeschalteten Stufen des Steuergerätes Transistoren verwendet, so wird der Überstromauslöser vorzugsweise derart ausgebildet, daß er keine mechanischen Kontakte enthält. Dies ist dadurch begründet, daß Transistoren nur sehr kleine Steuerströme benötigen, die sich mit mechanischen Kontakten nicht zuverlässig schalten lassen. Der Überstromauslöser, kann z. B. derart ausgeführt sein, daß an eine Sekundärwicklung eines Transformators, dessen Primärspannung protortional i ist, über einen Aufladewiderstand ein Meßkondensator angeschlossen ist, dessen Spannung als Kriterium für die Abgabe des Asynchronkommandos dient, wobei die Zeitkonstante des aus

ίο Widerstand und Kondensator bestehenden Kreises groß ist gegen die Periode des Stromes i, und daß der Kondensator während jeder zweiten Halbwelle des Stromes i durch eine elektronische Schalteinrichtung kurzgeschlossen ist. Dieser Überstromauslöser spricht an, wenn das zeitliche Stromintegral einer Halbwelle einen vorgegebenen Wert überschreitet. Das hat den Vorteil, daß bei sehr kurzdauernden steilen Stromspitzen, die beispielsweise beim Zuschalten eines Kondensators auftreten und an sich keine Gefährdung des Stromkreises bedeuten, eine unnötige Auslösung des Schalters vermieden wird. Zur Entladung des Kondensators während jeder zweiten Halbwelle kann der Kondensator durch einen Transistor überbrückt sein, der durch die am Aufladewiderstand bestehende Spannung gesteuert ist. Das Asynchronkommando kann durch einen Kippkreis gegeben werden, der seinen Zustand ändert, wenn die Spannung des Meßkondensators einen vorgegebenen Wert überschreitet.-

Zweckmäßig befinden sich die Hilfsorgane des Steuergerätes und die Auslöseeinrichtungen des Schalters auf dem Potential des zu unterbrechenden Stromleiters, das unter Umständen hoch sein kann. Dadurch entsteht die Aufgabe, die Spannungen zur Speisung dieser Organe ebenfalls auf dieses Potential zu bringen,. Diese Aufgabe kann gemäß der weiteren Erfindung dadurch gelöst werden, daß zur Stromversorgung eine Wechselspannungsquelle mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1000 bis 10000 Hz dient, die über einen Isoliertransformator an eine Gleichrichteranordnung, vorzugsweisemitp-n-Flächengleichrichtern auf Silizium- oder Germaniumbasis, angeschlossen ist. Bei einer derartig hohen Frequenz der primären Spannungsquelle ist· der Aufwand für den Isoliertransformator wesentlich kleiner als bei einer normalen Frequenz von 50 Hz/ Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, zur Stromversorgung einen auf hohem- Potential befindlichen elektrischen Energiespeicher (Kondensator, vorzugsweise Akkumulator) zu -benutzen, der über einen Gleichrichter an die isolierte Sekundärwicklung eines primär vom Strom i gespeisten Sättigungswandlers angeschlossen ist. Der Sättigungswandler -ist dann so bemessen, daß er auch bei dem kleinsten- betriebsmäßigen Strom i in die Sättigung gelangt; der Wandler liefert dann sekundär nach Gleichrichtung stets die. gleiche Spannung, die den Energiespeicher geladen hält-

Für die Ausführung' der Erfindung sind Schalter erforderlich, deren Eigenzeit kleiner ist als eine Viertelperiode des zu unterbrechenden Wechselstromes, also bei einer Netzfrequenz von 50Hz kleiner als 5 ms. Nach dem heutigen Stand der Technik stehen magnetisch betriebene Schalter mit einer Eigenzeit von etwa 2 ms zur Verfügung.

Die Fig. 1 und 2 der Zeichnungen stellen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bzw. eine wahlweise einzuführende Form der Stromversorgung dar. Die Fig. 3 dient zur Erläuterung einzelner Funktionen der Schaltung nach Fig. 1.

Die Schaltung nach. Fig. 1 läßt sich in eine Reihe von Einheiten unterteilen, die den folgenden Funktionen dienen:

A: Erzeugung einer voreilenden Hilfsspannung, B: Erzeugung des Synchronkommandos durch die Hilfsspannung und Übermittlung des Synchronkommandos an die Auslöseeinrichtungen des Schalters,

C: Messung der Dauer des Stromanstieges, D: Erzeugung eines Asynchronkommandos bei Überstrom (Überströmauslöser),

E: Stromversorgung für die Hilfseinrichtungen und die Auslöseeinrichtungen des Schalters über die Sammelanschlüsse P und N.

Die Wirkungsweise der Schaltung im ganzen läßt sich etwa wie folgt zusammenfassend darstellen:

In jeder Halbwelle des zu unterbrechenden Stromes wird durch die Einheit^ eine voreilende Hilfsspannung erzeugt, die in der Einheit B in ein Synchronkommando umgewandelt wird. Das Synchronkommando ist jedoch so bemessen, daß es für sich allein nicht ausreicht, den Schalter auszulösen. Ferner wird nach Einführung des Asynchronkommandos die Dauer des auf dieses Kommando folgenden Anstieges des absoluten Strombetrages durch die Einheit C gemessen. Ergibt diese Messung eine Dauer des Stromanstieges von mindestens der Voreilzeit, so liefert die Einheit C ein Signal, dem das Synchronkommando überlagert wird und das mit diesem zusammen ausreicht, den Schalter auszulösen.

Im folgenden werden die genannten Einheiten in der angegebenen Reihenfolge beschrieben.

A: Erzeugung einer voreilenden Hilfsspannung u_v

Der zu unterbrechende Strom i fließt durch einen Leiter 1; der Pfeil 2 möge die positive Richtung des Stromes bezeichnen. In dem Leiter 1 liegen ein ohmscher Widerstands und die Primärwicklung5 eines Lufttransformators 4. An der Sekundärwicklung 6 des Transformators 4 tritt eine Spannung auf, die der ersten zeitlichen Ableitung i' des Stromes i proportional ist. Eine weitere Sekundärwicklung 7 des Transformators 4 speist über einen ohmschen Widerstand 13 einen zweiten Lufttransformator 10 mit einer Sekundärwicklung 12. Der Betrag des Widerstandes 13 ist groß gegen den induktiven. Widerstand des· Lufttransformators-10; die an der Sekundärwicklung 12 abgenommene Spannung ist daher nahezu proportional der zweiten zeitlichen Ableitung i" des Stromes i. An dem stark ausgezogenen Leitungszug zwischen den Punkten α und b liegt demnach eine aus drei Komponenten zusammengesetzte Spannung, wobei diese Komponenten praktisch dem Strom i (Widerstand 3), seiner ersten Ableitung V (Sekundärwicklung 6) und seiner zweiten zeitlichen Ableitung i" (Sekundärwicklung 12) proportional sind. Zwischen den Punkten α und b tritt somit eine Spannung etwa folgender Form auf:

u_v ~ i + C₁ i' + c₂ i".

In dieser Gleichung bedeutet der Strich die Ableitung nach dem elektrischen Winkel, d. h.

Ai Amt'

A {ω ψ

(cü = 2 π f = Kreisfrequenz).

Durch geeignete Wahl der Konstanten C^ und c₂ kann die Funktion u_v der durch die Eigenzeit des Schalters bedingten Voreilzeit angepaßt werden; in Fig. 3 ist beispielsweise angenommen, daß diese Vor-» eilzeit 2 ms beträgt. Gleichzeitig können die Konstanten so· bestimmt werden, daß sich die Voreilzeit innerhalb des Zeitkonstantenbereiches der im Netz ,5 üblichen Ausgleichsvorgänge nur um wenige Prozent ändert.

B: Erzeugung des Synchronkommandos durch die Hilfsspannung und Übermittlung des Snychronkommandos an die Auslöseeinrichtungen des Schalters

Die zwischen den Punkten α und b auftretende Spannung u_v wird in beiden Halbwellen durch antiparallel geschaltete Schwellwertgleichrichter 106 begrenzt. Die begrenzte Spannung tritt an der Reihen-

¹S schaltung der Widerstände 107 und 107' auf, die jeweils mit der Steuerstrecke der Transistoren 108 bzw. 108' parallel geschaltet sind. Beim Nulldurchgang der voreilenden Spannung u_v wird je nach Richtung des Nulldurchganges entweder der Transistor 108 oder der Transistor 108' leitfähig. Wird beispielsweise der Transistor 108 leitend, so fließt ein Strom vom positiven Leiter P über den Leiter 109, den Leiter 110, Emitter und Kollektor des Transistors 108, die Widerstände 112 und 111 und den Leiter 114 zum negativen Leiter N. Den Transistoren 108 bzw. 108' sind weitere Transistoren 115 und 116 nachgeschaltet, die die Speisung des Auslösers 118 aus der Stromversorgungseinrichtung B (Anschlüsse P und N) steuern.

Der Widerstand 111 wird von rechteckförmigen Stromimpulsen durchflossen, deren vordere (ansteigende) Flanken die Synchronkommandos darstellen. Die Widerstände 112 und 111 sind jedoch so bemessen, daß der durch den Strom des Transistors 108 bzw. 108' verursachte Spannungsabfall für sich allein nicht genügt, den Transistor 115 leitfähig zu machen. Dazu ist eine zusätzliche Speisung des Widerstandes 111 erforderlich, die von der Einrichtung zur Messung der Stromanstiegsdauer (C)

4-0 geliefert wird, falls diese Messung einen genügend großen Zeitwert ergeben hat.

C: Messung der Dauer des Stromanstieges

An den Widerstand 3 ist ein Isoliertransformator 119 mit zwei Sekundärwicklungen 120 und 120' angeschlossen. Jede Sekundärwicklung ist einer Halbwelle des Stromes zugeordnet. Die Spannung der Sekundärwicklung' 120, die dem Strom i proportional ist, wird durch Schwellwertgleichrichter 121 begrenzt und steuert einen Transistor 122, der leitfähig ist, solange der Strom i positiv ist. In Reihe mit der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 122 liegt die Emitter-Kollektor-Strecke eines weiteren Transistors 123, der durch die Sekundärwicklung 8 des Lufttransformators 4 gesteuert wird. Da die Spannung der Wicklung 8 der ersten zeitlichen. Ableitung i' proportional ist, ist der Transistor 123 leitfähig, solange i' positiv ist. Die Reihenschaltung der Transistoren 122 und 123 ist also nur dann leitfähig, wenn sowohl der Strom wie seine erste zeitliche Ableitung positiv sind, also während des ansteigenden Teiles jeder positiven Halbwelle. In dieser Zeit wird ein Kondensator 124 durch einen Strom aufgeladen, der vom positiven Leiter P über den Transistor 130, den Leiter 131, das Ventil 132, den Widerstand 133, die Transistoren 122 und 123, den Leiter 134, den Transistor 135 und den Leiter 136 zum negativen Leiter JV fließt, sofern die Transistoren 130 und 135, die dem Überstromauslöser D angehören, leitfähig sind. Die Transistoren 130 und 135 sind, wie später erläutert

werden wird, nur dann leitfähig, wenn willkürlich oder durch den Überstromauslöser ein. Asynchronkommando zur Auslösung des Schalters gegeben wurde. Der Kondensator 124 und der Widerstand 133 sind so bemessen, daß die Spannung am Kondensator stets klein bleibt gegen die zwischen P und N bestehende Spannung, so daß der Ladestrom des Kondensators praktisch konstant ist. Die Spannung des Kondensator 124 ist daher ein Maß für die Zeit, beginnend mit dem vorhergehenden Nulldurchgang des Stromes oder, wenn das Asynchronkommando nach dem Nulldurchgang des Stromes eintrifft, vom Asynchronkommando an gerechnet.

Durch die am Kondensator 124 auftretende Spannung wird ein Kippkreis 125 gesteuert. Der Kippkreis 125 umfaßt zwei Transistoren 125 a und 125 b. Zunächst ist der Transistor 125 α leitfähig, der Transistor 125 & gesperrt. Sobald jedoch der Kondensator

124 eine Spannung erreicht, die einer Dauer des Stromanstieges im Betrag der Voreilzeit t_v entspricht, erhält die Basis des Transistors 125 b, die mit der negativen Platte des Kondensators verbunden ist, ein negatives Potential, so daß der Transistor 125 b leitend und der Transistor 125 α gesperrt wird. Sobald der Transistor 125 b leitfähig wird, fließt ein Strom vom Leiter P über den Leiter 140, den Widerstand 141, Emitter und Kollektor des Transistors

125 b, den Leiter 142, den Widerstand 111 und den Leiter 114 zum negativen Leiter N. Dadurch entsteht am Widerstand 111 ein zusätzlicher Spannungsabfall, so daß nunmehr bei Eintritt des Synchronkommandos die Summe beider Spannungsabfälle ausreicht, den Transistor 115 leitfähig zu machen, also den Schalter auszulösen.

Erreicht die Dauer des ansteigenden Teiles der Halbwelle des Stromes i nicht die Voreilzeit t_v, so bleibt die Spannung des Kondensators 124 unter dem Wert, der erforderlich ist, den Zustand des Kippkreises 125 zu ändern. Das Signal der Zeitmeßeinrichtung C fällt dann aus. Der Schalter wird dann im allgemeinen in der zweiten, mit großer Wahrscheinlichkeit übernormal langen Halbwelle entgegengesetzten Vorzeichens ausgelöst. Inzwischen entlädt sich der Kondensator 124 über den parallel geschalteten Widerstand, so daß er in der dritten Halbwelle wieder zur Zeitmessung zur Verfügung steht, falls auch in der zweiten Halbwelle keine Auslösung zustande gekommen ist.

Der Kippkreis 125 ist nur dann bistabil, wenn der Punkt 143 über den Leiter 131 und den Transistor 130 mit dem positiven Leiter P verbunden ist. Solange der Transistor 130 gesperrt ist, hat der Kippkreis 125 nur eine stabile Lage, in der der Transistor 125 a leitend ist. Bei Einführung eines Asynchronkommandos zur Auslösung des Schalters wird der Transistor 130 leitfähig, wie später erläutert werden wird. Der Kippkreis 125 ist dann bistabil, so< daß er in der Lage ist, ein Signal der Zeitmeßeinrichtung C, falls die Dauer des ansteigenden Teiles der Halbwelle größer ist als die Voreilzeit, an die Schaltung B zu leiten.

Für die Messung der Dauer der negativen Halbwelle sind die Transistoren 122', 123' und der Kondensator 124' vorgesehen, wobei der Transistor 122' durch die Wicklung 120' des Transformators 119 und der Transistor 123' durch die Wicklung 9 des Transformators 4 gesteuert wird.

Die Ausgangsströme des Kippkreises 125 bzw. des der anderen Halbwelle zugeordneten gleichartigen Kippkreises 125' sind so geschaltet, daß sie stets denjenigen Widerstand 111 bzw. .111' speisen, der den Rechteck-Stromimpuls, der von der voreilenden Hilfsspannung abgeleitet ist, noch nicht führt. Das Signal der Zeitmessung trifft, wenn überhaupt, spätestens im Scheitelzeitpunkt der Halbwelle von i ein, der Reehteek-Stromimpuls, der das Synchronkommando darstellt, frühestens im Scheitelzeitpunkt. Da der Transistor 115 nur dann leitfähig wird, wenn beide Signale in einem der Widerstände 111 bzw.

ίο 111' einander überlagert sind, wird der Schalter stets in dem Augenblick ausgelöst, in dem das Synchronkommando auf ein bereits vorhandenes Signal der Zeitmeßeinrichtung trifft.

Das Zusammenwirken des Signals der Zeitmeßeinrichtung und des Synchronkommandos ist in Fig. 3 in Zeitdiagrammen dargestellt. Das oberste Diagramm dieser Figur zeigt den Verlauf des Stromes i, seiner ersten zeitlichen Ableitung i' und der zwischen den Punkten α und b der Fig. 1 auftretenden voreilenden Hilfsspannung u_v. Dem Diagramm liegt die Annahme zugrunde, daß das Synchronkommando AS vor dem Beginn einer »kleinen« Halbwelle eintrifft, die nicht viel größer ist als die doppelte Voreilzeit. Das Eintreffen des Asynchronkommandos AS hat zunächst nur die Folge, daß die im Ladekreis des Kondensators 124 liegenden Transistoren 135 und 130 leitfähig werden; der von i' gesteuerte Transistor 123 ist beim Eintreffen des Asynchronkommandos ebenfalls bereits leitfähig, während der Transistor 122 noch gesperrt ist. Mit dem Nulldurchgang des Stromes im Zeitpunkt i₀ wird auch der Transistor 122 leitfähig, so daß von diesem Augenblick an die Aufladung des Kondensators 124 beginnt. Den Spannungsverlauf an diesem Kondensator zeigt-die Kurve Ji₁₂₄, Die ausgezogene Kurve stellt hierbei den tatsächlichen Verlauf der Kondensator spannung dar, während der gestrichelte Verlauf sieh ergeben würde, wenn der Ladestrom nicht im Scheitelzeitpunkt t_s der Halbwelle unterbrochen würde. Die Spannung Ji₁₂₄ steigt nach einer e-Funktion mit einer Zeitkonstante, die groß ist gegen die Periode des zu unterbrechenden Stromes, so daß der Anstieg zu Beginn der Kurve etwa linear ist. Sobald der Kondensator eine Spannung erreicht, die einer Dauer des Stromanstieges von 2 ms entspricht, ändert der Kippkreis 125 seinen Zustand in dem Sinne, daß der Transistor 125 b leitfähig wird und ein Strom über den Widerstand 111 fließt. Dadurch entsteht am Widerstand 111 eine Spannung z, die das Signal des Zeitmeßkreises darstellt. Die Spannung am Kondensator 124 steigt zunächst noch weiter, und zwar bis zum Zeitpunkt t_s, in dem der Transistor 123 gesperrt wird. Von diesem Zeitpunkt an entlädt sich der Kondensator über den parallel geschalteten Widerstand nach einer ^-Funktion.

Das Signal s der Zeitmeßeinrichtung liegt noch unter der Ansprechspannung M₁₁₅, die erforderlich ist, den Transistor 115 leitfähig zu machen. Beim Nulldurchgang der voreilenden Hilfsspannung u_v wird jedoch der Transistor 108 leitfähig, so daß infolgedessen ein weiterer Strom über den Widerstand 111 fließt, dessen ansteigende Flanke das Synchronkommando darstellt und der einen zusätzlichen Spannungsabfall s am Widerstand 111 verursacht. Die Summe der Signale ζ und s ergibt die in Fig. 3 dargestellte Kurve V₁₁₁. Die Kurve W₁₁₁ hat nach dem Eintreffen des Synchronsignals J Werte, die über dem Ansprechwert U₁₁₅ liegen. Daraus ergibt sich ein Strom i₁₁₅ über den Transistor 115 gemäß dem untersten Diagramm der Figur und ein entsprechender Strom über die Auslöseemrichtungen 118 des Schalters.

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Im rechten. Nulldurchgang der betrachteten Halb- der Stromanstiegsdauer beginnt; durch das Leitwelle wird der Schalter geöffnet, so daß Strom i fähigwerden des Transistors 130 werden außerdem unterbrochen wird und die Hilf sströme abklingen, wie die Kippkreise 125 bzw. 125' bistabil, so daß sie in es aus dem obersten Diagramm der Fig. 3 ersieht- der Lage sind, das Resultat der Zeitmessung an die Hch ist. 5 Schaltung B weiterzuleiten.. Der Ansprechwert des

Überstromauslösers ist durch die Einstellung des D: Erzeugung eines Asynchronkommandos bei Über- Widerstandes 154 bestimmt.

strom (Überstromauslöser) Zur willkürlichen Auslösung der Schalteinrichtung

ist eine Taste 170 vorgesehen, die die EmitterrKolIek-

An den Widerstands ist ein weiterer Isoliertrans- io tor-Strecke des Transistors 156a überbrückt und da.-formator 150 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung durch den Kippkreis 156 zum Kippen bringt. Die über die Widerstände 149 und 149' in Mittelpunkt- weiteren Vorgänge sind die gleichen, wie sie in der schaltung mit zwei Kondensatoren 151 und 152 ver- oben beschriebenen Weise beim Ansprechen des bunden ist. Parallel zu den Kondensatoren 151 bzw. Überstromauslösers eintreten.

152 liegt die Emitter-Kollektor-Strecke je eines Tran- 15 Nach Auslösung des Schalters kann der Überstromsistors 153 bzw. 153'. Die Basis jedes Transistors ist auslöser durch Schließen einer Rückstelltaste 171 in jeweils über einen Widerstand an das zugehörige den Ausgangszustand gebracht werden. Das Schlie-Ende der Sekundärwicklung angeschlossen. Die KoI- ßen der Rückstelltaste hat die Wirkung, daß die lektoren liegen an der Mittelanzapfung. Spannung am Transistor 1565 zusammenbricht und

Solange die Sekundärwicklung die bezeichnete 20 daraufhin der Transistor 156a wieder gesperrt wird. Polarität hat, wird der Kondensator 151 über den Das hat zur Folge, daß auch die Transistoren 130, Widerstand 149 mit seiner oberen Platte positiv ge- 135 und 157 gesperrt werden. Die Sperrung des laden, während der Transistor 153 gesperrt ist. Der Transistors 130 bewirkt, daß der Kippkreis 125 seine Widerstand 149 und die Kapazität des Kondensators Kippeigenschaften verliert und in seine nunmehr ein-

151 sind so· groß gewählt, daß die Zeitkonstante des 25 zige stabile Lage zurückkehrt, in der der Transistor Ladekreises groß ist gegen die Stromperiode, so daß 125 α leitend ist.

also die Spannung am Kondensator 151 nur einen Die Rückstelltaste 171 kann auch beispielsweise mit kleinen Bruchteil der an der oberen Hälfte der Sekun- dem Schalter verbunden sein, so daß die Rückstellung därwicklung auftretenden Spannung beträgt. Kurz automatisch nach dem Öffnen des Schalters erfolgt, bevor das Potential des oberen Endes der Sekundär- 30 Die Tasten 170 bzw. 171 können auch durch Isolierwicklung Null ereicht, hört die Aufladung auf; bei transformatoren ersetzt werden, durch die den Trannegativem Potential entsteht zwischen dem Emitter sistoren 156 α und 156 b Spannungsimpulse zugeführt und der Basis des Transistors 153 eine solche Span- werden, die kurzzeitig die Emitter-Kollektor-Spannung, daß der Transistor leitfähig wird. Dadurch ent- nung dieser Transistoren aufheben und dadurch ein lädt sich der Kondensator 151 sehr schnell über 35 Kippen des Kreises 156 bewirken. Emitter und Kollektor des Transistors 153. Während

der weiteren Dauer der negativen Halbwelle bleibt E: Stromversorgung für die Hilfseinrichtungen

der Kondensator 151 ungeladen. Mit der nächsten _{und die} Auslöseeinrichtungen des Schalters

positiven Halbwelle wiederholt sich der gleiche Vor- _{über die} Sammelanschlüsse P und JV

gang. Die Wirkung des Kondensators 152 und des 40

Transistors 153' ist in den Halbwellen entgegen- Die erforderlichen Ströme und Spannungen für die

gesetzter Polarität die gleiche. Die maximale Span- Auslöseschaltung und zur Lieferung der Ausschalt-

nung der Kondensatoren 151 bzw. 152 ist demnach energie des Schalters werden einem Transformator

ein Maß für die Stromzeitfläche der betreffenden 180 entnommen. Der Transformator 180 speist eine

Halbwelle. 45 Gleichrichteranordnung 181, die einen Kondensator

Durch die Spannung der Kondensatoren 151 bzw. 182 auflädt. Die Spannung des. Kondensators 182

152 wird ein weiterer Transistor 155 (n-p-n) wird durch einen Transistor-Wechselrichter 183 in kontinuierlich gesteuert, dessen Emitter-Kollektor- eine hochfrequente Wechselspannung umgeformt, Strecke über den Widerstand. 162 mit den Leitern P deren Frequenz durch die Dimensionierung eines und N verbunden ist. Durch den Spannungsabfall am 50 Schwingungskreises 184 bestimmt wird und etwa Widerstand 162 wird ein Kippkreis 156. gesteuert, 5000 Hz beträgt. Die hochfrequente Wechselspannung dem die Transistoren 156a und 156 & angehören. Der speist einen Isoliertransformator 185, dessen Sekun-Tranistor 156 α ist normalerweise gesperrt, der Tran- därseite über eine Gleichrichteranordnung 186 mit den sistor 156 b normalerweise leitfähig. Überschreitet der Leitern P und N verbunden ist. Außerdem ist als durch den verstellbaren Widerstand 154 .begrenzte 55 Energiespeicher ein Kondensator 187 mit großer Emitterstrom des Transistors 155 einen bestimmten Kapazität vorgesehen. .

Wert, so wird der Spannungsabfall am Widerstand Eine weitere Möglichkeit, die Stromversorgung 162 so groß, daß der Kippkreis 156 seinen Zustand durchzuführen, zeigt FIg. 2. Nach dieser -Figur liegt ändert und-der Transistor 156 a leitfähig und der im Zuge des Leiters!, der den Strom i führt, ein Transistor 156 & gesperrt wird. Dadurch werden die ffo Sättigungswandler 200, der so bemessen ist, daß sein Basen des Transistors 135 und eines weiteren Tran,- Kern auch bei dem kleinsten betriebsmäßigen Strom % sistors 157 über die Leiter 158 bzw; 159, den Leiter in die Sättigung gelangt. Die Sekundärwicklung 201 160, den Transistor 156 a und den Leiter 161 mit dem________ des Wandlers liefert infolgedessen bei allen betriebspositiven Leiter P verbunden. Da die Transistoren mäßigen Zuständen nach Gleichrichtung durch den 135 und 157 n-p-n-Transistoren sind, werden' sie da- 65 Gleichrichter 202 eine konstante Spannung, die über durch leitfähig. Der Transistor 157 verbindet die einen Widerstand203 einer Akkumulatorenbatterie204 Basis des Transistors 130 mit dem negativen Leiter N, zugeführt wird. Die Batterie 204 speist die Leiter P so daß auch der Transistor 130 leitfähig wird. Der und N, an die die Hilfseinrichtungen des Steuergerä-Eintritt der Leitfähigkeit der Transistoren 135 und tes und die Auslöseeinrichtungen des Schalters ange-130 bewirkt, daß in der Schaltung C eine Messung 70 schlossen sind.

,...,.. . ...... ;.. 009 508/312

Bei dreiphasigen, ungeerdeten Systemen ist in jedem Phasenleiter ein Schalter und ein Steuergerät gemäß der Erfindung vorzusehen.

Die Erfindung ist an sich zur Steuerung beliebiger Schalter, wenn sie nur genügend schnell sind, anwendbar. Die Auslöseeinrichtung 118 nach Fig. 1 kann beispielsweise die Sperrwicklung eines Sperrmagnetschalters sein, bei dem ein Anker durch einen Dauermagnetfluß gehalten wird. Die Erregung der Sperrwicklung hat die Wirkung, daß der Eisenweg des Halteflusses lokal gesättigt wird, so daß der Fluß in einen magnetischen Nebenweg gedrängt wird und der Anker abfällt. Bei Hochspannungssystemen ist die Verwendung von Vakuumschaltern von Vorteil.

Claims (14)

15 Patentansprüche:

1. Steuergerät für einen Schalter zur Unterbrechung eines Wechselstromes i in der Nähe seines Nulldurchganges, bei dem durch ein Asynchronkommando ein Synchronkommando zur Auslösung des Schaltvorganges freigegeben wird, das von dem Nulldurchgang einer dem zu unterbrechenden Strom um eine konstante Zeit (Voreilzeit f_v) voreilenden elektrischen Hilfsgröße (Spannung ii_v, Strom i_v) abgeleitet ist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die die Dauer des auf das Asynchronkommando folgenden Anstieges des absoluten Strombetrages mißt und die das Synchronkommando durch ein elektrisches Signal nur dann freigibt, wenn diese Dauer größer ist als die Voreilzeit.

2. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zeitmessung ein Kondensator mit etwa konstantem Strom über zwei in Reihe geschaltete elektronische Schalteinrichtungen gespeist ist, von denen die eine bei positivem (negativem) i, die andere bei positivem (negativem) i' leitfähig und im übrigen gesperrt ist.

3. Steuergerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronische Schalteinrichtungen Transistoren dienen, deren Steuerstrecken an einen im Stromkreis i liegenden Widerstand bzw. an eine Sekundärwicklung eines im gleichen Stromkreis liegenden Lufttransformators angeschlossen sind.

4. Steuergerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Ladekreis des Kondensators eine elektronische Schalteinrichtung, vorzugsweise ein Transistor, liegt, die normalerweise gesperrt ist, und daß Mittel vorgesehen sind, diese Sperrung durch das Asynchronkommando aufzuheben.

5. Steuergerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Kippkreis, der seinen Zustand ändert und dadurch ein Freigabesignal auslöst, falls die Spannung des Zeitmeßkondensators einen vorgegebenen Betrag überschreitet.

6. Steuergerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Aufbau des Kippkreises aus miteinander gekoppelten Transistoren.

7. Steuergerät nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß der Kippkreis normalerweise durch eine Vorspannung in demjenigen. Zustand festgehalten ist, in dem er kein Signal auslöst, und daß Mittel vorgesehen sind, diese Vorspannung durch das Asynchronkommando aufzuheben.

8. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der voreilenden Hilfsgröße rechteckförmige Spannungsimpulse (bzw. entsprechende Stromimpulse) abgeleitet sind, die beim Nulldurchgang der Hilfsgröße beginnen und deren Betrag erst dann zur Auslösung des Schalters ausreicht, wenn sie einem Freigabesignal gleicher Richtung der Zeitmeßeinrichtung überlagert sind.

9. Steuergerät nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Asynchronkommandos bei Überstrom (Überstromauslöser), dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Transistoren in den nachgeschalteten Stufen des Steuergerätes der Überstromauslöser als elektronisches Relais ausgebildet ist.

10. Steuergerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Sekundärwicklung eines Transformators, dessen Primärspannung proportional i ist, über einen Aufladewiderstand ein Meßkondensator angeschlossen ist, dessen Spannung als Kriterium für die Abgabe des Asynchronkommandos dient, wobei die Zeitkonstante des aus Widerstand und Kondensator bestehenden Kreises groß ist gegen die Periode des Stromes i, und daß der Kondensator während jeder zweiten Halbwelle des Stromes i durch eine elektronische Schalteinrichtung kurzgeschlossen ist.

11. Steuergerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator durch einen Transistor überbrückt ist, der durch die am Aufladewiderstand bestehende Spannung gesteuert ist.

12. Steuergerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kippkreis vorgesehen ist, der seinen Zustand ändert und dadurch ein AsynchronkommandtT erzeugt, wenn die Spannung des Meßkiondensators einen vorgegebenen Wert überschreitet.

13. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stromversorgung seiner Hilfsorgane und zur Lieferung der Auslöseenergie des Schalters eine Wechselspannungsquelle mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1000 bis 10 000 Hz dient, die über einen Isoliertransformator an eine Gleichrichteranordnung, vorzugsweise mit p-n-Flächengleichrichtern auf Siliziumoder Germaniumbasis, angeschlossen ist.

14. Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stromversorgung seiner Hilfsorgane und zur Lieferung der Auslöseenergie des Schalters ein elektrischer Energiespeicher (Kondensator, vorzugsweise Akkumulator) dient, der über einen Gleichrichter an die isolierte Sekundärwicklung eines primär vom Strom i gespeisten Sättigungswandlers angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 665 797, 757 251,
745, 877 925.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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