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Steuergerät für Wechselstrom-Synchronschalter Bei Synchronschaltern
zur Unterbrechung eines Wechselstromes besteht die Aufgabe, ein Synchronkommando
zu erzeugen, das zu einer möglichst konstanten Zeit (Voreilzeit) vor dem Nulldurchgang
des zu unterbrechenden Stromes auf den Schalter gegeben wird und dessen öffnung
bewirkt. Die eigentliche Auslösung des Schaltvorganges erfolgt durch ein Asynchronkommando,
das das Synchronkommando freigibt, beispielsweise durch Schließen eines Hilfsschalters
von Hand oder durch Betätigung eines Relais, z. B. eines auf Überströme ansprechenden
Relais. 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; danach muß der Schalter noch innerhalb
der Voreilzeit so weit geöffnet werden, daß der im Nulldurchgang erlöschende Lichtbogen
nicht wieder gezündet wird.
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Die Herstellung eines Synchronkommandos bereitet bei rein sinusförmigen
Strömen keine Schwierigkeiten; es genügt in diesem Falle, das -Synchronkommando
von,dem Nulldurchgang einer elektrischen Hilfsgröße abzuleiten, die der Summe
i -I- e - i' proportional ist, wobei i der zu unterbrechende Strom
und i' seine erste zeitliche Ableitung ist. Enthält jedoch, wie es vielfach der
Fall ist, der zu unterbrechende Strom eine Gleichstromkomponente, so liefert die
bekannte Hilfsfunktion Auslösekommandos, deren Voreilzeiten gegenüber dem Nulldurchgang
des Stromes je nach der Größe des Gleichstromanteiles verschieden sind. Es ist bekannt,
zur Behebung dieses Mangels in die Hilfsfunktion zusätzlich noch eine dritte Komponente
aufzunehmen, die z. B. der zweiten zeitlichen Ableitung des zu.unterbrechenden Stromes
proportional ist. Steuergeräte dieser Art erfordern jedoch einen verhältnismäßig
hohen Aufwand.
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Die Erfindung zeigt eine andere Lösung des geschilderten Problems.
Sie bezieht sich auf ein Steuergerät zur Erzeugung eines Synchronkommandos für einen
Wechselstrom-Synchronschalter, bei dem das Synchronkommando gleichfalls durch eine
elektrische Hilfsgröße erzeugt wird, die vom zeitlichen Verlauf des zu unterbrechenden
Stromes abgeleitet ist, und besteht darin, daß die Hilfsgröße derart gewählt ist,
daß sie von einem Nulldurchgang des zu unterbrechenden Stromes bis zum nächsten
Scheitelpunkt des Stromes linear ansteigt und vom Scheitelpunkt bis zum nächsten
Nulldurchgang des Stromes mit entgegengesetzt gleicher Steigung abfällt. Bevorzugt
wird eine Ausführungsform der Erfindung, bei der als Hilfsgröße die Spannung eines
Kondensators dient, der in dem ersten der genannten Zeitintervalle mit konstanter
Stromstärke aufgeladen und im zweiten Intervall mit der gleichen Stromstärke entladen
wird. Das Synchronkommando kann vom Spannungsverlauf des Kondensators beispielsweise
derart abgeleitet werden, daß diese Spannung mit einer konstanten Hilfsspannung
verglichen wird und das Synchronkommando erzeugt wird, wenn beide Spannungen gleich
sind. Der Grundgedanke der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß durch die
elektrische Hilfsgröße, beispielsweise die Kondensatorspannung, die Dauer des Stromanstieges
vom Nulldurchgang bis zum Scheitelpunkt einer Halbwelle gemessen wird und daß dann
das Steuergerät unter Zugrundelegung einer gleichen Dauer des Stromabfalles vom
Scheitelpunkt bis zum nächsten Nulldurchgang rechtzeitig vor dem zweiten Nulldurchgang
ein Synchronkommando erzeugt. Durch diese Zeitmessung des Stromanstieges werden
Synchronkommandos erzielt, deren Voreilzeit vor dem nächsten Nulldurchgang unabhängig
von dem Gleichstromanteil des zu unterbrechenden Stromes ist, soweit die Gleichstromanteile
während der betreffenden Halbwelle als konstant anzusehen sind. Statt mit Hilfe
eines Kondensators, der mit konstantem Strom aufgeladen wird, kann man die Zeitmessung
auch in der Weise durchführen,
daß man an eine Induktivität eine
konstante Spannung legt, die im Scheitelpunkt ihr Vorzeichen ändert, und daß man
als Kriterium für die Auslösung des Synchronkommandos den durch die Induktivität
fließenden Strom benutzt, der im ersten Zeitintervall (im oben genannten Sinn) linear
ansteigt und im zweiten Intervall mit entgegengesetzt gleicher Steigung abfällt.
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Bei Verwendung eines Kondensators werden vorzugsweise zur Steuerung
der Laderichtung Schalttransistoren und zur Konstanthaltung der Stromstärke stetig
gesteuerte Transistoren verwendet.
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In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Steuergerät nach der
Erfindung im Schaltbild dargestellt, dessen Wirkungsweise an Hand der F i g. 2 bis
7 erläutert werden wird.
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In F i g. 1 ist mit 1 der Leiter bezeichnet, der den zu unterbrechenden
Strom i führt. Zur Speisung der Hilfseinrichtungen sind zwei Sammelleiter 2 (+)
und 3 (-) vorgesehen.
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Im Zuge des Leiters 1 liegt ein Stromwandler 5, an den eine ohmsche
Belastung 6 und ein Transformator 7 angeschlossen sind. Die Sekundärwicklung 7 a
des Transformators 7 liefert eine Spannung, die dem Momentanwert des vom Leiter
1 geführten Stromes i proportional ist. Weiterhin liegt im Zuge des Leiters 1 ein
Lufttransformator 10, dessen Sekundärwicklungen l0 a bis 10 f Spannungen liefern,
die der zeiltichen Ableitung i' des Stromes i proportional sind.
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Das Synchron-Auslösekommando für den Schalter wird in Abhängigkeit
von der Spannung zweier Kondensatoren 11 und 12 erzeugt, wobei bei positiven Halbwellen
des zu unterbrechenden Stromes der Kondensator 11, bei negativen Halbwellen der
Kondensator 12 wirksam ist. Im folgenden wird lediglich die zum Kondensator 11 gehörige
Schaltungsanordnung beschrieben. Die dem Kondensator 12 zugeordnete Schaltung ist
gleichartig aufgebaut.
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Der Kondensator 11 wird in Abhängigkeit von der zeitlichen Lage der
Nulldurchgänge des Stromes i abwechselnd aufgeladen und entladen. Seine Aufladung
wird durch die Transistoren 15, 16 und 17 gesteuert. Der Transistor 15 wird durch
die Sekundärwicklung 7a in Abhängigkeit vom Strom i gesteuert, und zwar derart,
daß er leitfähig ist, wenn i positiv ist. Der Transistor 16 dient als Stromkonstanthalter.
Er erhält bei leitfähigem Transistor 15 einen konstanten Steuerstrom, dessen Höhe
am Vorwiderstand 16a einstellbar ist. Der Transistor 17 wird von der Wicklung 10
b des Transformators 10 in Abhängigkeit von i gesteuert. Er ist leitfähig,
wenn i' positiv ist. Die Transistoren 15 und 17 wirken als Schalter; sie
arbeiten also nur in den Zuständen der Sperrung und der Sättigung.
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Die Entladung des Kondensators 11 wird durch die Transistoren
20 und 21 gesteuert. Der Transistor 20 (npn) dient zur Konstanthaltung
des Entladestromes; sein Steuerstrom ist am Widerstand 20a einstellbar. Der Transistor
21 wirkt als Schalter; er ist leitend, wenn i' negativ ist. i Die F i g. 2 bis 4
beziehen sich auf einen symmetrischen Verlauf des Stromes i, also auf einen Wechselstrom
ohne Gleichstromanteil. In F i g. 2 ist der Zeitverlauf des Stromes i und seiner
zeitlichen Ableitung i' dargestellt. F i g. 3 zeigt den Potential- i verlauf des
Punktes 11 a (untere Belegung des Kondensators 11) relativ zum Potential
des Sammelleiters 3; die Ordinaten der F i g. 3 sind also die Spannungen des Kondensators
11. In F i g. 4- ist das Synchron-Auslösekommando dargestellt, das einem
noch zu beschreibenden Ausgangsglied der Schaltungsanordnung entnommen wird.
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Im Zeitintervall a, in dem i negativ und i'.positiv
ist, ist der Transistor 21 gesperrt, so daß eine Entladung des Kondensators
11 unmöglich ist. Ebenso ist der Transistor 15 gesperrt, so daß über die
Transistoren 15 und 16 kein Ladestrom fließen kann. Der Kondensator 11 besitzt
zunächst die Ladung Null, der Punkt 1l a hat also das Potential des Sammelleiters
3.
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Im Zeitintervall b sind i und i' beide positiv.
Die Transistoren 15 und 17 sind daher leitfähig, so daß der Kondensator 11 nunmehr
über sie und den Transistor 16 mit einem am Widerstand 16a einstellbaren konstanten
Strom aufladen wird. Infolgedessen steigt seine Spannung U11 linear an ( F i g.
3 ), und zwar so lange, bis der Strom i seinen Scheitelwert erreicht.
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Im Intervall c ist i' negativ. Infolgedessen ist der Transistor 17
gesperrt, so daß der Kondensator nicht weiter geladen wird. Dagegen ist der Transistor
21 leitfähig geworden. Das hat zur Folge, daß sich der Kondensator 11 nunmehr
über die Transistoren 20
und 21 entlädt. Der Entladestrom ist konstant
und am Widerstand 20a so eingestellt, daß der Abfall der Spannung U11 im Intervall
c genau so groß ist wie die Steigung im Intervall b. Mit dem Nulldurchgang des Stromes
i erreicht die Spannung des Kondensators 11 den Wert Null.
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Das folgende Zeitintervall d entspricht dem Intervall a. Da
i negativ ist, ist der Aufladepfad 15, 16,
17 während dieses Intervalls
gesperrt, so daß der Kondensator 11 die Ladung Null beibehält. Im Intervall
e beginnt wieder die Aufladung des Kondensators 11. wie im Intervall b.
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Der Abfall des Potentials U11 im Verlauf des Zeitintervalls c wird
nun zur Erzeugung eines Synchronkommandos, das dem Nulldurchgang um eine Zeit t,,
voreilt, ausgenutzt. Durch die Spannung U11 wird ein Transistor 30 gesteuert,
der nicht als Schalter, sondern als stetig gesteuerter Verstärker wirkt. Der Emitter
des Transistors 30 ist über einen Kippkreis 31 (Flip-Flop-Kreis) an den Sammelleiter
2 angeschlossen; er erhält nur dann Strom, wenn der Transistor 32 des Kippkreises
leitfähig ist. Das ist, wie später gezeigt werden wird, der Fall, wenn das Asynchronkommando
zur Auslösung des Unterbrechungsvorganges bei ansteigendem Strom i eingetroffen
ist. Die Basis des Transistors 30 ist über einen weiteren Transistor 35 an den Sammelleiter
2 angeschlossen. Der Transistor 35 ist bei positivem i leitfähig, so daß der Transistor
30 bei ansteigendem Strom unabhängig von der Spannung des Kondensators 11 gesperrt
ist.
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Die verstärkte Spannung des Kondensators 11 wird am Widerstand 36
abgenommen und über ein Ventil 37 durch den Leiter 38 einer Ausgangsstufe zugeführt.
Die Ausgangsstufe enthält im wesentlichen einen Transistorverstärker mit Kippcharakter,
wobei die Ansprechspannung des Leiters 38, bei der das Kippen eintritt, durch eine
Vergleichsspannung einstellbar ist. Die Ausgangsstufe enthält einen Transistor
40, dessen Basis an den Leiter 38 angeschlossen ist. Der Emitter liegt an
dem einstellbaren Abgriff 41 a eines Widerstandes 41. Der Kollektor
liegt über den Widerstand 42 an der Basis eines weiteren Transistors 45 und
den Widerstand 43 am Sammelleiter 2.
Die Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors 45
liegt zwischen den Sammelleitern 2 und 3; der
Auslösestrom wird an den Klemmen 46 abgenommen.
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Solange das Potential des Leiters 38 niedriger ist als das eingestellte
Potential des Abgriffes 41a, ist der npn-Transistor 40 nicht leitfähig. Ebenso ist
der pnp-Transistor 45 nicht leitend. Sobald jedoch das Potential von 38 das von
41a überschreitet, wird der Transistor 40 leitfähig. Dadurch entsteht am
Widerstand 43 ein Spannungsabfall, so daß die Basis des Transistors 45 gegenüber
dessen Emitter negativ ist. Damit wird auch der Transistor 45 leitfähig. Infolgedessen
entsteht auch am Widerstand 47 ein Spannungsabfall, so daß das Potential des Abgriffes
41a ansteigt; der Transistor 40 wird daher weiter hochgesteuert. Auf diese Weise
ergibt sich ein schnelles Anschwellen des über die Klemmen 46 fließenden Auslösestromes.
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Mit Hilfe des Abgriffes 41a läßt sich die Zeit einstellen, zu der
der zu steuernde Schalter ein synchrones Auslösekommando erhält. Dies sei an Hand
der F i g. 2 bis 4 erläutert.
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Das Potential des Leiters 38 ist mit umgekehrtem Vorzeichen proportional
dem in F i g. 3 dargestellten Potential U1,. Die Kurve in F i g. 3 möge daher im
folgenden als Verlauf von Uss betrachtet werden.
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In den Figuren ist angenommen, daß der Synchronschalter zur Zeit t,,
.-;: 2 Millisekunden vor dem Nulldurchgang des Stromes i ein Auslösekommando erhalten
soll. Zu diesem Zweck wird am Abgriff 41a ein Potential U" (F i g. 3 ) eingestellt.
In dem Augenblick, in dem das Potential 38 den Wert U,, durchläuft, beginnt über
die Klemmen 46 und damit über die Auslöseeinrichtung des Schalters ein Auslösestrom
i" (F i g. 4 ) zu fließen.
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In den F i g. 5 bis 7 sind die Verhältnisse dargestellt, die sich
ergeben, wenn der Strom i eine Gleichstromkomponente enthält. Das Zeitintervall
b, in dem der Kondensator 11 aufgeladen wird, beginnt wieder mit dem Nulldurchgang
des Stromes i und endet mit dessen Scheitelwert. Da die betreffende Halbwelle von
i gemäß F i g. 5 jetzt länger ist als normal, ist auch das Intervall b länger als
in F i g. 2. Der Kondensator 11 erreicht daher ein höheres Potential; dementsprechend
verlängert sich auch seine Entladezeit. Da Lade- und Entladesteilheit gleich groß
sind, haben sich die Verhältnisse gegenüber den F i g. 2 bis 4 genau symmetrisch
verändert. Das heißt, daß auch bei einem unsymmetrisch verlaufenden Wechselstrom
die Voreilzeit t" die gleiche ist wie bei symmetrischem Stromverlauf. Das gilt so
weit, wie der Gleichstromanteil im Verlauf der Halbwelle (Intervall b und c) als
konstant anzusehen ist. Bei veränderlichem Gleichstromanteil ergeben sich für die
Voreilzeit t" Abweichungen zweiter Ordnung.
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Es wurde bereits bemerkt, daß der bisher beschriebene Teil der Schaltungsanordnung
während positiver Halbwellen des Stromes i wirksam ist und daß zur Abschaltung am
Ende negativer Halbwellen der untere Teil der F i g. 1 dient. Welcher Teil der Schaltung
wirksam wird, hängt davon ab, in welchem Zeitintervall das z. B. durch einen überstromauslöser
gegebene Asynchronkommando eintrifft.
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Das Asynchronkommando wird mit dem eingetragenen Vorzeichen auf die
Klemmen 51 gegeben. An die Minusklemme sind zwei npn-Schalttransistoren 52 bzw.
53 angeschlossen, über welche die Kippkreise 31 bzw. 55 beeinflußt werden. Der Transistor
52 ist bei positivem i', der Transistor 53 bei negativem i' leitfähig. Im Kippkreis
31 ist der Transistor 32 normalerweise, d. h. solange kein Asynchronkommando eingetroffen
ist, nicht leitfähig. Der Transistor 30 und die ihm nachgeschaltete Ausgangsstufe
liegen daher, wie oben bereits bemerkt, still. Trifft nun bei ansteigendem Strom
i, also bei positivem i',
ein Asynchronkommando an den Klemmen 51 ein,
so erhält die Basis des Transistors 32 negatives Potential gegenüber dem Emitter,
der über den niederohmigen Widerstand 56 am positiven Leiter 2 liegt, so daß der
Transistor 32 leitfähig wird, also der Kreis 31 kippt. Damit ist auch der Emitter
des Transistors 30 an den positiven Sammelleiter 2 angeschlossen, so daß dieser
Transistor in der Lage ist, die Spannung des Kondensators 11 verstärkt an die Ausgangsstufe
weiterzuleiten. In der folgenden Viertelwelle abfallenden Stromes wird damit das
Auslösekommando erzeugt.
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Trifft das Asynchronkommando an den Klemmen 51 bei abfallendem Strom
ein, so kippt der Kreis 55, so daß die Spannung des Kondensators 12 zur Steuerung
der Auslösevorgänge wirksam wird. Die verstärkte Spannung dieses Kondensators wird
über ein Ventil 56 ebenfalls dem Leiter 38 aufgeprägt. Die Ausgangsstufe erzeugt
dann das Auslösekommando in der folgenden Viertelwelle ansteigenden Stromes.
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Ist der Strom i sehr klein oder gleich Null, so sind die Steuerverhältnisse
der Transistoren undefiniert, so daß nicht ohne weiteres gewährleistet ist, daß
die Spannung des Kondensators 11 den vorgeschriebenen Ausgangswert hat (vgl. F i
g. 3, Intervall a). Das ist aber erforderlich, da z. B. beim Einschalten des Stromes
i sofort ein Kurzschluß entstehen kann, so daß die Schaltungsanordnung bereits im
nächsten Nulldurchgang Auslösekommandos in der richtigen zeitlichen Lage geben muß.
Um dies sicherzustellen, ist der Punkt 11 a über einen hochohmigen Widerstand 60
an den Sammelleiter 3 angeschlossen, so daß der Kondensator 11 auch bei fehlendem
Strom i stets die Ausgangsladung Null besitzt.
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Nach Erzeugung des Synchronkommandos ist die Schaltungsanordnung in
den Ausgangszustand zurückzustellen. Das geschieht z. B. durch Schließen eines Rückstellschalters
61, durch den die Basis des Transistors 32 mit der positiven Sammelschiene
verbunden wird. Infolgedessen wird der Transistor 32 wieder gesperrt und der Transistor
33 wieder leitend. Der Rückstellschalter 61 kann derart mit dem Schalter gekoppelt
sein, daß er nach Durchführung eines Schaltvorganges selbsttätig geschlossen wird.