DE1233476B - Kurzschluss-Schutzeinrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIh

H02h
Deutsche Kl.: 21 c - 68/50

Nummer: 1 233 476

Aktenzeichen: U 9956 VIII b/21 c

Anmeldetag: 10. Juli 1963

Auslegetag: 2. Februar 1967

Kurzschluß-Schutzeinrichtung

Die Erfindung betrifft einen Kurzschlußschutz für eine Stromquelle und bezieht sich besonders auf einen Kurzschlußschutz für eine Gleichstromquelle, die zur Versorgung einer ruhenden Halbleiter-Stromrichterschaltung dient.

Es liegt auf der Hand, daß Einrichtungen vorhanden sein müssen, die die Gleichstromquelle von der Stromrichterschaltung trennen, wenn der von der Stromrichterschaltung versorgte Verbraucher kurzgeschlossen wird. Wie bekannt ist, wurden zum Schutz gegen Kurzschlüsse im allgemeinen elektromechanische Vorrichtungen verwendet, wie z. B. Uberstromrelais. Im allgemeinen sind die Größe und das Gewicht der Stromrichterschaltungen begrenzt, wie z. B. bei Flugkörpern und Raketen. Die oben erwähnten, elektromechanischen Vorrichtungen sind relativ groß und kompliziert, insbesondere, wenn eine automatische Wiederaufnahme des Betriebes infolge Beseitigung des Kurzschlusses notwendig ist. Außerdem besitzen die elektromechanischen Vorrichtungen nicht die notwendige Betriebssicherheit, da sich ihre Kontakte abnutzen. Ein weiterer Mangel bei den herkömmlichen Kurzschluß-Schutzeinrichtungen besteht darin, daß das spannungs- oder stromempfindliche Element im allgemeinen mit dem Verbraucher in Reihe geschaltet war und daher Energie verbrauchte, die sonst dem Verbraucher zugeführt worden wäre. Dadurch wurde der Wirkungsgrad der Stromrichterschaltung vermindert, und man benötigte Bauelemente mit höheren Nennleistungen und entsprechend größeren Abmessungen und Gewicht. -: _:

So ist es auch von geregelten Stromversorgungsgeräten her bekannt, einen zum Nachstellen der Spannung am Verbraucher mit diesem in Reihe geschalteten und in Abhängigkeit von der Regelabweichung in seiner Leitfähigkeit gesteuerten Leistungstransistor bei einem Kurzschluß des Verbrauchers zu sperren und ihn gleichzeitig von der Reihenschaltung eines Widerstands und einer Diode, die im Kurzschlußfalle leitend wird, zu überbrücken, um die Regelung sofort wieder wirksam werden zu lassen, wenn der Kurzschluß verschwindet; Voraussetzung für die bei einem Kurzschluß erforderliche Trennung von Stromquelle und Verbarucher ist bei dieser bekannten Anordnung jedoch mindestens ein kostspieliger Leistungstransistor zwischen Stromquelle und Verbraucher. Im allgemeinen wird dieser Leistungstransistor noch über ein oder mehrere Transistorverstärkerstufen angesteuert. Nur um einen Kurzschluß abzusichern, ist dieser Aufwand an Bauelementen zu hoch und zu kostspielig. Die Reihenschaltung eines Transistors mit dem Verbraucher Anmelder:

United Aircraft Corporation,
East Hartford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Frank Louis Raposa, Vernon, Conn.;

Francis Lawn, Windsor, Conn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 30. Oktober 1962
(234 120)

verschlechtert außerdem den Wirkungsgrad der Schaltung erheblich.

Zur Beseitigung dieser Nachteile wird gemäß der Erfindung eine Kurzschlußvorrichtung vorgeschlagen, insbesondere für Halbleiterschaltungen, bei der ebenfalls Schalteinrichtungen zwischen der zu schützenden Stromquelle und einem Verbraucherkreis liegen, um die Leistungsübertragung von der Stromquelle zum Verbraucher zu steuern, indem eine Bezugsspannung, die ein Maß für die von der Stromquelle abgegebene Spannung ist, erzeugt und mit der Verbraucherspannung verglichen wird, und bei der ferner eine normalerweise nichtleitende Diode zwischen Verbraucher- und Bezugsspannung geschaltet ist und nur dann leitet, wenn die Verbraucherspannung unter die Bezugsspannung abfällt, die aber besonders dadurch gekennzeichnet ist, daß das von der Diode erzeugte Signal im Falle eines Kurzschlusses auf der Verbraucherseite die Schalteinrichtung abschaltet, so daß keine Leistung mehr von der Stromquelle zum Verbraucher übertragen wird.

Die Erfindung ist insbesondere als Kurzschlußschutz für eine Spannungsquelle geeignet, die eine Stromrichterschaltung versorgt. Der Strom von der Spannungsquelle, die die Stroiririchterschaltung versorgt, wird automatisch begrenzt, wenn der Verbraucher der Stromrichterschaltung kurzgeschlossen wird. Der normale Betrieb wird automatisch wiederaufgenommen, wenn der Kurzschluß am Verbraucher der Stromrichterschaltung beseitigt ist.

709 507/294

Die Schutzeinrichtung liegt zwischen einer Gleichspannung, die am Verbraucher abgenommen wird, und der Speisespannung. Wenn die Spannung am Verbraucher unter die Speisespannung sinkt, wird die Diode leitend. Dadurch fließt ein Strom über die Diode durch eine Wicklung auf dem sättigungsfähigen Rückkopplungstränsformator eines Oszillators,, der die Schalteinrichtungen der Stromrichterschaltung ansteuert. Der Strom sättigt den Rückkopplungstransformator. Die Folge hiervon ist, daß die Schwingungen unterbrochen werden und die Schalteinrichtungen nicht mehr betätigt werden. Dadurch fließt kein Strom mehr von der Stromquelle über den Ausgangstransformator der Stromrichterschaltung.

Gegenüber dem Bekannten hat die erfindungsgemäß Kurzschluß-Schutzeinrichtungen den besonderen Vorteil, daß eine spezielle Transistorschaltung im Verbraucherkreis erspart wird und der Wirkungsgrad der Stromrichterschaltung besser ist.

Die Erfindung und ihre weiteren Vorteile lassen sich am besten an Hand einer Abbildung erläutern.

Die Abbildung zeigt den neuen Kurzschlußschutz mit einem selbsterregten Gleichumrichter (Gleichspannungs- oder Gleichstromwandler). Der selbsterregte Gleichumrichter enthält zwei Schalttransistoren öl und Q 2 und zwei Transformatoren Π und T2, von denen einer sättigungsfähig ist. Derartige selbsterregte Gleichumrichter sind bekannt. Beim Betrieb der Schaltung arbeiten die Transistoren Q1 und Q 2 im Gegentakt und leiten abwechselnd. Dadurch fließt abwechselnd Strom in entgegengesetzter Richtung durch die gegenüberliegenden Hälften der Primärwicklung des Transformators Tl. Wie bekannt ist, wird das Schwingen oder abwechselnde Leiten der Transistoren Q1 und Q 2 durch eine positive Rückkopplung hervorgerufen, die den Basisanschlüssen der im Gegentakt arbeitenden Transistoren über die Wicklung N 2 des sättigungsfähigen Transformators Tl zugeführt wird. Der Ausgangstransformator Tl führt eine Aufwärtstransformation durch. Durch den abwechselnd fließenden Strom in der Primärwicklung dieses Transformators wird in der Sekundärwicklung eine Wechselspannung induziert, die gesiebt werden kann. Die soweit beschriebene Schaltung arbeitet daher als Wechselrichter. Wie in der Abbildung gezeigt ist, kann umgekehrt die in der Sekundärwicklung des Transformators Tl induzierte Spannung von zwei Dioden D 2 und D 3 gleichgerichtet werden. Dann arbeitet die Schaltung als Gleichumrichter und erzeugt eine Gleichspannung, die höher ist als die Speisespannung.

Der Kurzschlußschutz arbeitet gemäß der Erfindung nach dem Prinzip, daß bei gesättigtem Kern eines sättigungsfähigen Transformators eine weitere Zunahme des Stromes keine Zunahme des magnetischen Flusses im Kern zur Folge hat. Da der Fluß verhältnismäßig konstant bleibt, wird durch eine weitere Zunahme des Stromes keine Spannung in den Wicklungen induziert. Wenn dies der Fall ist, dann bewirkt die Sättigung des Rückkopplungstransformators T 2 eine Verminderung der Rückkopplung. Dadurch induziert der in der Primärwicklung des Transformators T 2 fließende Strom keine Spannung in der Sekundärwicklung dieses Transformators, und die Schwingungen des Oszillators setzenaus, da keine positive Rückkopplung vorhanden ist. Die Gleichspannungssättigung des Transformators T 2 wird gemäß der Erfindung dadurch hervorgerufen, daß man die Wicklung AM des Tranformators Tl in Reihe-mit den Eingangs- und Ausgangsklemmen des Gleichumrichters schaltet. Außerdem liegt in dieser Reihenschaltung ein Strombegrenzungswiderstand R1 und eine Diode Dl. Bei normalen Betriebsbedingungen ist die Diode D1 durch die Differenz zwischen der Speisespannung und der Verbraucherspannung in Sperrichtuhg vorgespannt. Wenn der Verbraucher kurzgeschlossen wird, fällt die Ausgangsspannung

ίο des Gleichumrichters auf Erdpotential ab, und die Diode Dl wird leitend. Die in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode gestattet es, daß ein Strom von der positiven Anschlußklemme der Stromquelle über die Wicklung Λ'1 des Transformators T 2 zurück zur negativen Anschlußklemme der Stromquelle fließt. Der Strom/ durch die Wicklung Nl wird durch den WiderstandRl begrenzt. Dieser Gleichstrom genügt, um den Transformator T 2 in die Gleichspannungssättigung zu bringen. Das Ausmaß der Sättigung wird

ao von den Amperewindungen Nl I bestimmt.

Wenn der Kurzschluß beseitigt ist, wird der Verbraucherwiderstand RL mit der Wicklung Nl in Reihe geschaltet, und der Strom durch die Wicklung Nl nimmt auf Γ ab. Wenn die Amperewindungen Nl ■ Γ nicht ausreichen, die Gleichspannungssättigung des Transformators T 2 aufrechtzuerhalten, dann beginnt der Oszillator zu schwingen; er stellt jedoch nicht die volle Ausgangsleistung zur Verfügung. Wenn die Ausgangsspannung oder Verbraucherspannung die Eingangsspannung übersteigt, wird die Diode D1 wieder gesperrt, und es fließt kein Strom über die Wicklung Nl. Dadurch wird nach Beseitigung des Kurzschlusses der normale Betrieb automatisch aufgenommen.

Der erforderliche Gleichstromsättigungsgrad wird von dem Leistungsniveau des Oszillators bestimmt. Bei Niederspannungsanwendungen kann der Sättigungsgrad unwichtig sein. Wenn jedoch eine Anlasserschaltung vorhanden ist, das bedeutet ein höheres Leistungsniveau, kann es wünschenswert sein, nicht vollständig in die Gleichstromsättigung zu gehen, da die Oszillatorschwingungen nicht wieder einsetzen können, nachdem der Kurzschluß beseitigt ist. Unter diesen Umständen ist es möglich, den Widerstand R1 so zu wählen, daß bei Kurzschluß die Amperewindungen ausreichen, den Transformator T2 gerade bis an die Sättigung zubringen. Bei diesen Bedingungen setzt der Oszillator nicht vollständig aus; er gibt jedoch praktisch keine Leistung ab und arbeitet mit einer sehr hohen Frequenz.

Ein gemäß der Erfindung aufgebauter Kurzschlußschutz kann in jeder Schaltung verwendet werden, bei der Transformatoren mit niedrigem Leistungsniveau arbeiten, wie z. B. der Transformator Tl der oben beschriebenen Schaltung. Bei Kurzschluß kann der Rest der Einrichtung einfach durch Sättigung des Transformators außer Betrieb gesetzt werden. Der durch den gesättigten Transformator fließende Strom kann durch einen passend gewählten Widerstand begrenzt werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kurzschluß-Schutzeinrichtung, insbesondere für Halbleiterschaltungen, bei der Schalteinrichtungen. zwischen der zu schützenden Stromquelle und einem Verbraucherkreis liegen, um die Leistungsübertragung von der Stromquelle zum Verbraucher zu steuern, indem eine Bezugs-

spannung, die ein Maß für die von der Stromquelle abgegebene Spannung ist, erzeugt und mit der Verbraucherspannung verglichen wird, und bei der ferner eine normalerweise nichtleitende Diode zwischen Verbraucher- und Bezugsspannung geschaltet ist und nur dann leitet, wenn die Verbraucherspannung unter die Bezugsspannung abfällt, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Diode (D 1) erzeugte Signal im Falle eines Kurzschlusses auf der Verbraucherseite (RL) die Schalteinrichtung (Ql, Q 2, Tl, T2, Z) ab schaltet, so daß keine Leistung mehr von der Stromquelle (+, — ) zum Verbraucher (RL) übertragen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen eine Oszillatorschaltung mit mindestens einem aktiven Element (Ql, Q2) besitzen, daß ein sättigungsfähiger Transformator (T 2) zwei Primärwicklungen (Nl, N 2) besitzt, von denen die eine Primärwicklung (N2) und die Sekundärwicklung mit der Oszillatorschaltung derart verbunden sind, daß eine Rückkopplung zur Erzeugung von Schwingungen vorhanden ist, daß die Primärwicklung eines Ausgangstransformators (T¹I) in Reihe mit der Stromquelle und der Oszillatorschaltung liegt, daß die Sekundärwicklung des Ausgangstransformators (Tl) mit dem Verbraucher verbunden ist und daß entsprechend dem Leiten des aktiven Elements (Q 1, Q 2) in der Oszillatorschaltung Leistung von der Stromquelle über den Ausgangstransformator (Tl) dem Verbraucher (R 2) zugeführt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Primärwicklung (Nl) des sättigungsfähigen Transformators (T 2) in Reihe mit der Diode (Dl) liegt, und daß bei leitender Diode (D 1) ein Strom durch die zweite Primärwicklung (Nl) fließt, der sättigungsfähige Transformator (T 2) gesättigt wird und die Schwingungen aussetzen.

4. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3 für einen Gleichumrichter, bei dem zwei Halbleiterschalter im Gegentakt arbeiten, die eine Anschlußklemme einer Niederspannungsgleichstromquelle mit den entsprechenden Anschlüssen der Schalter verbunden ist, ein Ausgangstransformator zwischen dem zweiten Anschluß der Gleichstromquelle und den entsprechenden anderen Anschlüssen der Schalter liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein sättigungsfähiger Transformator (T2) zwei Primärwicklungen (Nl, N2) und eine Sekundärwicklung besitzt, daß die eine Primärwicklung (N2) den Schaltern (Ql, Q2) parallel geschaltet ist, daß die gegenüberliegenden Enden der Sekundärwicklung des sättigungsfähigen Transformators (T 2) jeweils mit einem der Steueranschlüsse der Schalter (Ql, Q2) verbunden sind, daß vom Ausgang ein Signal an die Steueranschlüsse rückgekoppelt wird und die Schalter (Ql, Q2) eine Schwingung erzeugen, daß durch das abwechselnde Schließen der Schalter in der Primärwicklung des Ausgangstransformators (Tl) abwechselnd ein Strom fließt, der in der Sekundärwicklung eine Spannung erzeugt, daß die in der Sekundärwicklung erzeugte Spannung gleichgerichtet wird, daß die zweite Primärwicklung (Nl) des sättigungsfähigen Transformators (T 2) zwischen der Speisespannung und der gleichgerichteten Spannung liegt, daß der sättigungsfähige Transformator (T 2) in die Sättigung gebracht wird, wenn die gleichgerichtete Spannung unter die Speisespannung sinkt, und daß durch die Sättigung des sättigungsfähigen Transformators (T 2) die Rückkopplungsschwingungen aussetzen und die Schalter (Ql, Q2) außer Betrieb gesetzt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1119 986,
742;

britische Patentschrift Nr. 906 480.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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