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Überwachungseinrichtung für Phasenspannungsänderungen in Mehrphasennetzen
Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Überwachungseinrichtung für Phasenspannungsänderungen
in Mehrphasennetzen, die bei Ausbleiben einer Phasenspannung oder bei Absinken einer
Phasenspannung auf einen kleineren Wert als die übrigen Phasenspannungen eine Meldung
gibt oder einen Schaltvorgang auslöst, insbesondere in mit Drehstrom gespeisten
Trockengleichrichtergeräten.
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Wie allgemein bekannt ist, treten bei elektrischen Maschinen und Geräten,
die normalerweise mit Dreh-Strom betrieben werden, sehr häufig Schäden infolge Überlastung
auf, wenn eine der Zuleitungen unterbrochen wird (z. B. bei Durchbrennen einer Sicherung),
weil die übrigen Phasen jetzt die Leistung für die ausgefallene Phase mit aufbringen
müssen. Um diese Überlastung zu vermeiden, gibt es verschiedene Überwachungseinrichtungen,
die den Verbraucher meist automatisch abschalten. Hierzu gehören z. B. Schütze mit
thermischer Überstromauslösung, die bei Wegfall einer Phasenspannung leicht ansprechen.
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Thermische überstromauslöser haben aber eine noch verhältnismäßig
lange Ansprechzeit. Bei Geräten mit Trockengleichrichtern kommt es jedoch wegen
der geringen Wärmekapazität der Gleichrichtersäulen auf eine rasche Ab- bzw. Umschaltung
an. Fällt nämlich von dem das Gleichrichtergerät speisenden Drehstrom eine Phase
aus, so arbeitet der Drehstromtransformator als Einphasentransformator weiter. Die
Gleichspannung und damit der Gleichstrom bleiben damit zwar, insbesondere bei selbstregelnden
Geräten, im wesentlichen bestehen, weil der von der Gleichspannung gesteuerte Regler
den Transformator so beeinflußt, daß er eine entsprechend höhere Wechselspannung
auf die Gleichrichtersäulen gibt. Da aber für gleiche effektive Gleichspannung die
gleichzurichtende Spannung an den Gleichrichtersäulen bei Drehstrom niedriger ist
als bei Einphasenwechselstrom, sind die Gleichrichtersäulen für eine niedrigere
Spannung ausgelegt. Bei Ausfall einer Phase werden daher die Gleiehrichtersäulen
spannungs- und strommäßig überlastet oder gar zerstört. Zur Vermeidung dessen ist
deshalb besonders bei geregelten Geräten eine sofortige Umschaltung erforderlich.
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Anordnungen mit primärseitig eingebauten Relais, von denen jedes eine
Phasenspannung überwacht, lösen zwar den Schaltvorgang schnell aus, arbeiten aber
nicht sicher genug, da derartige Relais nur bei Spannungsausfall ansprechen. Bei
Phasenausfall kann aber eine Rückspannung über angeschlossene Verbraucher in der
gestörten Phase auftreten, die zwar niedriger ist als die übrigen Phasenspannungen,
aber, das Ansprechen des Relais verhindern. Die Überwachungseinrichtung muß daher
schon bei Absinken einer Phasenspannung auf einen Wert, der einem bestimmten Verhältnis
zu den übrigen Phasenspannungen entspricht, ansprechen. Die Relais müssen daher
ein kleines Halteverhältnis haben, wodurch ihre Aus, führung sehr teuer wird. Außerdem
wirken sich hier die unvermeidlichen Schwankungen der Netzspannung, wie sie im Normalbetrieb
auftreten, sehr nachteilig aus.
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Nach einer anderen Überwachungseinrichtung sind die Sekundärleitungen
von drei den drei Phasen eines Drehstrommotors zugeordneten Stromwandlern einerseits
über je einen Einweggleichrichter in Stern geschaltet und andererseits durch eine
gemeinsame Ableitung unmittelbar miteinander verbunden und Sternpunkt und gemeinsame
Ableitung an ein frequenzempfindliches, die zugeführten Frequenzen addierendes Gerät
angeschlossen. Bei Ausfall einer Phase ändert sich die Summenfrequenz beispielsweise
von 150 auf 100 Hertz, was zur Auslösung eines Schaltvorganges ausgenutzt wird.
Diese Anordnung ist aber stromabhängig. Sie schaltet auch ab, wenn dem Mehrphasennetz
durch den angeschlossenen Verbraucher nur wenig Strom entnommen wird. Sie schaltet
dagegen nicht ab, wenn die Spannung auf einen für den Verbraucher nicht mehr zulässigen
Wert absinkt.
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Man hat deshalb eine besondere Anordnung getroffen, nach der die Umschaltung
über ein Relais erfolgt, welches von der Oberwellenspannung der in Dreieck geschalteten
Sekundärwicklungen dreier primär in Stern geschalteter Einphasentransformatoren
gespeist wird. Nach H. F. Schwenkhagen »Allgemeine Wechselstromlehre«, Verlag Springer,
1951, Bd. 1, S. 326, tritt an den zu einem offenen Dreieck geschalteten Sekundärwicklungen
von drei Einphasentransformatoren eine Oberwellenspannung von der dreifachen Grundfrequenz
auf, wenn die
Primärwicklungen der Einphasentransformatoren in Stern
geschaltet sind und aus einem Drehstromnetz gespeist werden.
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Bei Ausfall einer Phasenspannung verschwindet auch die Oberwellenspannung
dreifacher Grundfrequenz. Diese Oberwellenspannung wird zur Steuerung des über einen
Gleichrichter in die Dreieckschaltung der sekundären Transformatorwicklungen eingeschalteten
Relais benutzt, welches damit auch unabhängig von einer eventuellen Rückspannung
bei Ausfall einer Phase anspricht. Diese Art der überwachungseinrichtung zeichnet
sich durch die Verwendung sehr kleiner und preisgünstiger Bauteile aus. Ein ihr
noch anhaftender Nachteil ist jedoch die Abhängigkeit von der angelegten Netzspannung.
Bei auftretenden Netzspannungsschwankungen ändert sich die Oberwelle dreifacher
Grundfrequenz in ihrer Amplitude verhältnismäßig stark, was zu Fehlschaltungen führt.
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Für Gleichrichtergeräte, die z. B. zur Stromversorgung von Fernsprechanlagen
dienen, sind aber Netzspannungsschwankungen von +10% und -20%, die von einem Regler
für das Gleichrichtergerät ausgeglichen werden, zugelassen. Innerhalb dieser Grenzen
darf die Überwachungseinrichtung noch nicht ansprechen.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine überwachungseinrichtung zu
schaffen, die bei Absinken einer Phasenspannung unter -20% des Nennwertes bei Verwendung
eines Relais, welches von der in der Dreieckschaltung der Sekundärwicklungen dreier
Einphasentransformatoren auftretenden Oberwellenspannung gespeist wird, schnell
und sicher eine Ab-bzw. Umschaltung auslöst, bei Spannungsschwankungen bis zu -20'%
aber einwandfrei hält.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß den zu offenem Dreieck
geschalteten Sekundärwicklungen dreier in Drehstromschaltung verbundener Einphasentransformatoren,
deren Primärwicklungen in Stern geschaltet sind, wobei der Mittelpunktleiter ohne
Anschluß bleibt, ein Kondensator parallel geschaltet ist. Der parallel geschaltete
Kondensator ist dabei so abgestimmt, daß der von den Sekundärwicklungen und dem
Kondensator gebildete Schwingkreis auf Resonanz zur Oberwelle dreifacher Grundfrequenz
(150 Hertz) gebracht ist. Durch entsprechende Wahl des Arbeitspunktes auf der Resonanzkurve
sowie entsprechende Dimensionierung der Bauelemente erreicht man, daß trotz Schwankung
der angelegten Netzspannung die Spannung über dem Kondensator nahezu konstant bleibt.
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Das Relais, das über einen Gleichrichter mit an der Kondensatorspannung
liegt, hat damit im Normalbetrieb (bei Spannungsänderungen von +10% bis -20°/o)
fast konstante Spulenspannung. Sein Halteverhältnis kann deshalb klein gewählt werden,
so daß es bei Spannungsabsenkung unter -20% des Sollwertes sicher anspricht.
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Um dieses Halteverhältnis auf den günstigsten Wert der Anzugs- bzw.
Abfallspannung einstellen zu können, ist erfindungsgemäß dem Relais über einen von
ihm betätigten Arbeitskontakt ein veränderbarer Widerstand parallel geschaltet.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die in Dreieck geschalteten Sekundärwicklungen 2 der drei Einphasentransformatoren
1 speisen über den Gleichrichter 3 das Relais 4. Den Sekundärwicklungen 2 ist ein
Kondensator 5 parallel geschaltet; der so auf die dritte Oberwelle von 150 Hertz
abgestimmt ist, daß der Schwingkreis 2, 5 in Resonanz liegt.
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Weiterhin ist dem Relais 4 über einen von ihm betätigten Arbeitskontakt
6 ein Widerstand 7 parallel geschaltet, mit dem in Verbindung mit dem Vorwiderstand
$ die Anzugs- und Abfallspannung des Relais 4 besonders günstig einstellbar ist.
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Im Normalbetrieb liegt eine hohe Oberwellenspannung im abgestimmten
Resonanzkreis 2, 5. Bei Netzspannungsschwankungen bleibt diese Oberwellenspannung
nahezu konstant. Fällt aber eine Phase aus, so verschwindet die Oberwelle dreifacher
Grundfrequenz und damit die Oberwellenspaanung im Resonanzkreis und das über den
Gleichrichter 3 an dieser Spannung liegende Relais 4 fällt ab, löst die Ab- oder
Umschaltung aus und/oder gibt Signal.
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Ist die gestörte Phase wieder in Ordnung, so fließt wieder der volle
Magnetisierungsstrom über das Relais 4 und letzteres zieht an. Dabei schließt es
den Kontakt 6. Ein Teil des vom Resonanzkreis 2, 5 über den Gleichrichter 3 gelieferten
Stromes fließt jetzt über den veränderbaren Widerstand 7. Der Magnetisierungsstrom
des Relais 4 ist dadurch so weit geschwächt, daß er das Relais gerade noch zu halten
vermag, bei verhältnismäßig geringen Spannungsschwankungen im Resonanzkreis (entsprechend
einer Spannungsabsenkung im Netz unter -20%) aber so schwach wird, daß das Relais
abfällt. Durch Veränderung des Widerstandes 7 läßt sich diese Abfallspannung besonders
günstig einstellen.