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Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Vorzeichens der Phasenverschiebung
zwischen zwei elektrischen Wechselgrößen, vorzugsweise zur Energierichtungsbestimmung
in Netzschutzeinrichtungen Es ist häufig erwünscht, das Vorzeichen der Phasenverschiebung
zwischen zwei elektrischen Wechselgrößen, beispielsweise zwischen zwei Spannungen
oder einer Spannung und einem Strom, in möglichst kurzer Zeit, d. h. innerhalb einer
halben oder allenfalls einer ganzen Periode, zu ermitteln. In Netzschutzeinrichtungen
gewinnt man in dieser Weise unter Benutzung der Spannung an der Leitung und des
Stromes auf der Leitung eine Aussage über die Energierichtung.
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Es ist bekannt, zur Ermittlung des Vorzeichens der Phasenverschiebung
zwischen zwei elektrischen Größen, beispielsweise zwischen Strom und Spannung, beide
elektrische Größen in amplitudenunabhängige Rechteckspannungen umzuformen und ihre
überlappungszeit, d. h. die Zeit, in der beide elektrische Größen das gleiche Vorzeichen
besitzen, als Kriterium für eine Signal- und/oder Befehlsgabe heranzuziehen. Je
nachdem, ob die überlappungszeit einen vorgegebenen Wert über- oder unterschreitet,
wird eine Signalgabe ausgelöst oder verhindert. Derartige nach dem sogenannten Koinzidenzzeitprinzip
arbeitende Anlagen besitzen den Nachteil, daß sie eine von einer Hilfsspannung gespeiste
Meßschaltung zur Bestimmung der überlappungszeit enthalten, die sorgfältig gegen
Störspannungseinflüsse abgeschirmt sein muß. Hinzu kommt bei diesen bekannten Anlagen
ein erheblicher Aufwand, durch den verständlicherweise die Störanfälligkeit erhöht
wird.
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Mit geringerem Aufwand arbeiten bekannte Schaltungsanordnungen, bei
denen phasengesteuerte Gleichrichter, z. B. in Ringmodulatorschaltung, verwendet
werden. Diese Anordnungen können auch unabhängig von äußeren Hilfsspannungsquellen
arbeiten. Nachteilig ist bei ihnen jedoch die zwangsweise galvanische Kopplung des
Meßkreises und des Arbeitswiderstandes sowie die Tatsache, daß ein Feinabgleich
der Schaltung durch zusätzliche Mittel oder durch Auswahl der zu verwendenden Gleichrichter
erfolgen muß. Änderungen der Kennlinien der Gleichrichter wirken sich auf die Stabilität
der Schaltung ungünstig aus.
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Andere bekannte Schaltungsanordnungen, beispielsweise solche, die
mit Hallgeneratoren oder Gleichrichterbrückenschaltungen arbeiten und die Energierichtung
durch Produkt- oder Mittelwertbildung messen, benötigen bei großem Aufwand beispielsweise
für moderne Netzschutzzwecke untragbar lange Meßzeiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Bestimmung des Vorzeichens der Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen
Wechselgrößen zu schaffen mit einer Einrichtung, die eine der Größen in Spannungsimpulse
periodisch wechselnder Polarität umwandelt, und einer Torschaltung mit angeschlossener
Auswerteeinrichtung, vorzugsweise zur Energierichtungsbestimmung in Netzschutzeinrichtungen,
die bei möglichst einfachem, robustem Aufbau die beschriebenen Nachteile bekannter
Anordnungen nicht aufweist und darüber hinaus weitere noch zu beschreibende vorteilhafte
Möglichkeiten bietet. Diese Aufgabe löst eine Schaltungsanordnung der genannten
Art dadurch, daß erfindungsgemäß die eine elektrische Größe zur Umwandlung in eine
Folge von Impulsen abwechselnder Polarität einer Differenzierschaltung zugeführt
wird und daß die Differenzierschaltung über die von der anderen elektrischen Größe
beeinflußte, aus einer Transformatoranordnung und einem schaltenden Element bestehende
Torschaltung mit der Auswerteeinrichtung für die Impulse verbunden ist, derart,
daß die Transformatoranordnung bei einer Phasenverschiebung mit dem einen Vorzeichen
Impulse einer bestimmten Polarität von der Differenzierschaltung zur Auswerteeinrichtung
überträgt, bei einer Phasenverschiebung mit dem anderen Vorzeichen eine Übertragung
von Impulsen dieser Polarität jedoch verhindert.
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Wesentlich für die Erfindung ist also die Ausnutzung der Polaritäten
der durch Differentiation aus der einen elektrischen Größe, die beispielsweise die
Spannung auf einer zu überwachenden Leitung sein kann, gewonnenen Impulse zur Ermittlung
des Vorzeichens der Phasenverschiebung zwischen dieser elektrischen Größe und einer
anderen elektrischen Größe, die beispielsweise der Strom auf der zu überwachenden
Leitung sein kann.
Soweit bisher bei Distanzschutzeinrichtungen
mit Phasenvergleich eine Umformung einer Spannung in Impulse erfolgte, wurde von
dem Prinzip der Ausnutzung der verschiedenen Polaritäten der Impulse zur Energierichtungsbestimmung
nicht Gebrauch gemacht. Eine bekannte Distanzschutzeinrichtung mit Phasenvergleich
zweier Spannungen arbeitet in der Weise, daß die eine der beiden Spannungen in Rechteckimpulse
und die andere der beiden Spannungen in Nadelimpulse umgeformt wird, wobei zusätzliche
Maßnahmen getroffen sind, um nur Impulse einer Polarität zu erhalten. Das Kriterium
für eine Befehls- und/oder Signalgabe besteht dann darin, daß in Abhängigkeit von
der Phasenverschiebung zwischen den beiden elektrischen Größen die alle dieselbe
Polarität besitzenden Nadelimpulse entweder in den Bereich der ebenfalls alle dieselbe
Polarität besitzenden Reehteckimpulse fallen oder nicht.
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Es ist zwar bereits eine Einrichtung zur Energierichtungsbestimmung
insbesondere in Trägerfrequenzanordnungen bekannt, die zur Ermittlung der Richtung
dient, aus der beispielsweise eine Zwischenstation gespeist wird, jedoch wird bei
dieser Einrichtung die eine in einer Begrenzerschaltung in eine Folge von Impulsen
wechselnder Polarität umgewandelte elektrische Größe zur Phasensteuerung einer Torschaltung
verwendet, der die in Einweggleichrichtung gleichgerichtete andere elektrische Größe
über eine als Relais ausgeführte Auswerteeinrichtung zugeführt wird. Bei dieser
bekannten Einrichtung wird demzufolge zwar auch bei nur einer bestimmten Phasenverschiebung
das Relais zum Ansprechen gebracht, aber wegen der in Einweggleichrichtung gewonnenen
anderen elektrischen Größe ist das Ansprechen des Relais nicht nur davon abhängig,
ob die Phasenverschiebung positiv oder negativ ist, sondern auch von der jeweiligen
Phasenlage der elektrischen Größen; denn bei der bekannten Einrichtung wird das
Relais entsprechend der Phasenlage der beiden elektrischen Größen von der jeweils
ganzen Halbwelle oder nur von Ausschnitten derselben beeinflußt: Das Relais der
bekannten Schaltungsanordnung wird demzufolge von einem Strom durchflossen, dessen
Amplitude von der Phasenlage abhängig ist, d. h., je nach Phasenlage der beiden
elektrischen Größen spricht das Relais RA mehr oder weniger verzögert an. Bei der
Anwendung der bekannten Schaltungsanordnung als Schutzeinrichtung zur Energierichtungsbestimmung
in elektrischen Netzwerken, bei denen Entscheide innerhalb der halben Periodendauer
angestrebt werden, stellen diese Verzögerungen bereits unerwünschte Erscheinungen
dar.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung treten diese Nachteile
nicht auf, da die elektrische Größe in Impulse umgeformt wird, deren Amplitude im
großen und ganzen von der Amphtude der elektrischen Größe unabhängig ist.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht
in der gegenseitigen Entkopplung der verschiedenen Schaltungsteile durch die Transformatoranordnung,
wodurch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine sehr geringe Empfindlichkeit
gegenüber hochfrequenten Vorgängen aufweist; dabei ist die geringere Empfindlichkeit
gegenüber diesen Vorgängen nicht durch eine Einbuße an Geschwindigkeit zur Bestimmung
des Vorzeichens der Phasenlage erkauft. Vorteilhafterweise enthält die Transformatoranordnung
einen Transformator mit drei Wicklungen, von denen die erste mit dem Ausgang der
Differenzierschaltung und die zweite mit dem Eingang der Auswerteeinrichtung verbunden
ist, während der d"itten Wicklung ein Schaltungselement parallel geschaltet ist,
das infolge Steuerung durch die andere elektrische Größe außer bei der Phasenverschiebung
mit dem einen Vorzeichen einen kleinen Widerstandswert annimmt und somit die dritte
Wicklung während des Auftretens der Impulse der bestimmten Polarität kurzschließt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird also die bekannte Wirkung einer
kurzgeschlossenen Transformatorwicklung dazu ausgenutzt, nur beim Vorliegen einer
Phasenverschiebung mit einem bestimmten Vorzeichen Impulse einer bestimmten Polarität
an die Auswerteeinrichtung weiterzuleiten.
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Da bei der Differentiation Impulse abwechselnder Polarität auftreten
und die Impulse derselben Polarität demgemäß nur bei jeder zweiten Halbwelle auftreten,
man aber in neuerer Zeit bestrebt ist, beispielsweise bei Distanzschutzanlagen ein
Auslösekriterium innerhalb noch kürzerer Zeit zu erhalten, ist es zweckmäßig, bei
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zwecks Verdoppelung der Zahl der der Auswerteeinrichtung
zugeführten Impulse eine Transformatoranordnung vorzusehen, die außer dem einen
Transformator einen zusätzlichen Transformator mit drei Wicklungen enthält, von
denen die erste mit dem Ausgang der Differenzierschaltung jedoch gegensinnig bezüglich
der ersten Wicklung des erstgenannten Transformators, und von denen die zweite mit
dem Eingang der Auswerteeinrichtung in Parallelschaltung mit der zweiten Wicklung
des erstgenannten Transformators verbunden ist, während der dritten Wicklung ein
zusätzliches Schaltungselement parallel geschaltet ist, das von der anderen elektrischen
Größe gegenphasig bezüglich des der dritten Wicklung des erstgenannten Transformators
parallelgeschalteten Schaltungselements gesteuert wird und außer bei der Phasenverschiebung
mit dem vorgegebenen Vorzeichen einen kleinen Widerstandswert annimmt und somit
die dritte Wicklung des zusätzlichen Transformators während des Auftretens von Impulsen
mit einer von der bestimmten Polarität abweichenden Polarität kurzschließt.
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Es sind Auswerteeinrichtungen bekannt, die nur Impulse einer Polarität
auswerten. In diesem Fall muß bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dafür
Sorge getragen werden, daß allein unter Verwendung von Impulsen einer bestimmten
Polarität eine Anzeige entweder für den Fall, in dem eine positive Phasenverschiebung
zwischen den beiden elektrischen Größen vorliegt, oder in dem Fall, in dem diese
Phasenverschiebung negativ ist, ermöglicht wird. Zum Schutz der im Eingangskreis
einer solchen Auswerteeinrichtung angeordneten Schaltungselemente, insbesondere
Transistoren, vor Beschädigungen durch Impulse mit der nicht ausgewerteten Polarität
wird vorgeschlagen, daß bei einer nur Impulse einer Polarität auswertenden Auswerteeinrichtung
dieser eingangsseitig Gleichrichter in solcher Anordnung zugeschaltet sind, daß
sie die Impulse der anderen Polarität unterdrücken, so daß diese keine Störung verursachen
können; ferner wird eine Phasenverschiebung mit einem Vorzeichen durch das Auftreten
von Impulsen mit der einen Polarität,
eine Phasenverschiebung mit
entgegengesetztem Vorzeichen durch das Ausbleiben von Impulsen am Eingang der Auswerteeinrichtung
angezeigt.
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Das Vorzeichen des Phasenwinkels wird bei diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung also unter Ausnutzung der Polaritäten der Impulse durch ein Ja-Nein-Kriterium
wiedergegeben.
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Als Auswerteeinrichtung kann eine solche mit einer bistabilen Kippschaltung
Anwendung finden. Der Phasenverschiebung Null kann dabei der Zustand des periodischen
Kippens der Kippschaltung zugeordnet sein. Verständlicherweise ist es im Bedarfsfall
auch möglich, der Phasenverschiebung Null Impulse einer bestimmten Polarität zuzuordnen.
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Hat man dagegen eine Auswerteeinrichtung, die nur Impulse einer Polarität
auswerten soll, d. h., liegt der vorhin beschriebene Fall der Umsetzung des Vorzeichens
der Phasenverschiebung in ein Ja-Nein-Kriterium unter Verwendung der Polaritäten
der Impulse vor, so läßt sich mit Vorteil eine monostabile Kippschaltung verwenden.
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Beispielsweise werden für die der jeweils dritten Wicklung der Transformatoren
parallelgeschalteten Schaltungselemente Transistoren verwendet, die vorteilhafterweise
über ihre Basis-Kollektor-Strecke mit der anderen elektrischen Größe angesteuert
werden. Damit wird erreicht, daß die am Eingang der Auswerteeinrichtung auftretende
Störspannung im Verhältnis zum Netzsignal, d. h. zur Amplitude der Impulse, außerordentlich
klein bleibt.
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Parallel zur Basis-Kollektor-Strecke wird man eine Schutzdiode legen,
die die Steuerstrecke des Transistors bei hohen Spannungen in Sperrichtung schützt.
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Diese Bemerkungen bezüglich der Transistoren gelten verständlicherweise
sowohl gleichzeitig als auch wahlweise für die einfache Schaltungsanordnung nach
der Erfindung als auch für zur Impulsverdoppelung vorgesehene Mittel.
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Statt Transistoren können auch schnellwirkende Schalter, z. B. Schutzgaskontakte,
gegebenenfalls Umschaltkontakte, Verwendung finden.
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Falls die Umformung der einen elektrischen Größe in Impulse konstanter
Amplitude erfolgen soll, wird diese Größe zweckmäßigerweise in eine zumindest ungefähr
rechteckförmige Größe verwandelt. Hierfür haben sich Siliziumdioden in Antiparallelschaltung
vor dem Eingang der Differenzierschaltungen deswegen als vorteilhaft erwiesen, weil
an ihnen selbst bei starken Schwankungen der entsprechenden elektrischen Größe eine
weitgehend amplitudenunabhängige Ausgangsspannung abgenommen werden kann. Bei extremen
Forderungen in dieser Hinsicht können zwei in Serie gegeneinandergeschaltete Zenerdioden
vorgesehen werden.
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Ersatzweise kann die Erzeugung der Impulse mittels eines Sättigungstransformators
erfolgen, dem gegebenenfalls eine Begrenzerstufe nachgeschaltet ist.
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In der Netzschutztechnik besteht häufig der Wunsch, eine Befehls-
und/oder Signalgabe nur dann zu erhalten, wenn sich der Fehler beispielsweise auf
einer Leitung innerhalb eines bestimmten Bereichs befindet. Diesem Bereich entspricht
dann der sogenannte Auslösebereich im Widerstandsdiagramm der Schutzschaltung, der
dadurch gekennzeichnet ist, daß der Phasenwinkel beispielsweise zwischen Spannung
und Strom ebenfalls innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Zum Zweck einer derartigen
Beschränkung einer Signal- und/oder Befehlsgabe durch die Auswerteeinrichtung auf
bestimmte Auslösebereiche kann die andere elektrische Größe die Transformatoranordnung
über entsprechend dem gewünschten Auslösebereich gewählte ohmsche und/oder induktive
und/oder kapazitive Vorwiderstände steuern.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele beschrieben.
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F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine
mit drei Wicklungen 1, 2 und 3 ausgerüstete Transformatoranordnung 4 Verwendung
findet. In diesem Ausführungsbeispiel möge es sich um einen Richtungszusatz für
Netzschutzanlagen handeln, d. h. um eine Schaltungsanordnung, die zur Ermittlung
der Energierichtung beispielsweise auf einer in den Figuren nicht dargestellten
Leitung dient. Die beiden elektrischen Größen, zwischen denen das Vorzeichen der
Phasenverschiebung ermittelt werden soll, sind die Spannung U an der Leitung und
der Strom J in der Leitung. Letzterer wird der aus dem Sättigungstransformator 5
und der zur Impulsbegrenzung dienenden Gleichrichteranordnung 6, die aus zwei gegeneinander
in Serie geschalteten Zenerdioden besteht, aufgebauten Differenzierschaltung zugeführt,
die die erste Wicklung 1 speist. Demgemäß überträgt die Wicklung 1 auf die zweite
Wicklung 2 des Transformators 4, an die eine nicht dargestellte, an sich bekannte
Auswerteeinrichtung für Impulse angeschlossen ist, Impulse abwechselnder Polarität,
die mit den Nulldurchgängen des Stromes J zusammenfallen.
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Im Kreise der dritten Wicklung 3 ist als von der Spannung U phasengesteuertes
Schaltungselement der Transistor 8 vorgesehen. Sine Emitter-Kollektor-Strecke bewirkt
in Abhängigkeit von der Polarität der Halbwelle der Spannung U, die seiner Basis-Kollektor-Strecke
zugeführt wird, in jeder zweiten Halbwelle einen Kurzschluß der Wicklung 3, so daß
dann keiner der im Kreise der Wicklung 1 erzeugten Impulse auf die Wicklung 2 und
damit in die Auswerteeinrichtung gelangen kann. Transformator 4 und Transistor 8
bilden also eine phasengesteuerte Torschaltung. Parallel zu der Basis-Kollektor-Strecke
liegt die Schutzdiode 9, die den Transistor 8 vor Zerstörung infolge zu hoher Spannung
in Sperrichtung schützen soll.
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Der Kreis der Wicklung 3 wird von der Spannung U in diesem Ausführungsbeispiel
durch einen ohmschen Widerstand 10 mit einem Strom gespeist. Dieser Widerstand dient
in bereits beschriebener Weise zur Einstellung eines definierten Auslösebereichs
des Distanzschutzes.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 1 besteht also darin,
daß die im zweiten Diagramm der F i g. 2 dargestellten Impulse erzeugt werden, die
mit den Nulldurchgängen des Stromes J auf der zu überwachenden Leitung zusammenfallen.
Wie ein Vergleich des Verlaufs der Spannung U und desjenigen des Stromes J in F
i g. 2 zeigt, ist als Beispiel eine induktive Phasenverschiebung angenommen, d.
h., die Spannung U eilt dem Strom J um einen bestimmten Winkel voraus. Infolge der
bekannten Eigenschaften des phasenabhängig von der Spannung U gesteuerten Transistors
8 bewirkt dieser während der negativen Halbwellen der Spannung U, d. h. in dem gewählten
Beispiel während der negativen Impulse, einen Kurzschluß der Wicklung 3 des Transformators
4, so daß die negativen Impulse nicht zur Auswerteeinrichtung
gelangen
können. Diese erhält vielmehr nur die im untersten Diagramm der F i g. 2 dargestellte
Folge von positiven Impulsen, wobei die Impulse um 360° elektrisch gegeneinander
versetzt sind. Im Fall einer kapazitiven Phasenverschiebung zwischen U und
J würde die Torschaltung demgemäß nur die negativen Impulse durchlassen.
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In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach F i g. 3 sind Mittel
zur Verdoppelung der Impulszahl vorgesehen. Die bereits in F i g. 1 vorkommenden
Schaltungselemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Wie ersichtlich, ist zusätzlich ein zweiter Transformator 11 mit drei
Wicklungen 12,13 und 14 vorgesehen, von denen die Wicklung 12 im entgegengesetzten
Sinn wie die Wicklung 1 an die Differenzierschaltung 5, 6 angeschlossen ist, so
daß die Impulse an der Wicklung 12 des zusätzlichen Transformators 11 gegenüber
denen an der Wicklung 1 um 180° verschoben sind.
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Ähnliches gilt bezüglich der Ansteuerung des zusätzlichen Transistors
16, der zusammen mit dem zusätzlichen Transformator 11 die zusätzliche Torschaltung
für die verschobenen Impulse bildet. Dadurch, daß sowohl der Transistor 16 zusammen
mit der Wicklung 14 als auch die Wicklung 12 im entgegengesetzten Sinn wie die entsprechenden
Schaltungsteile des vorher beschriebenen Kreises arbeiten, wird während einer Halbwelle
der Spannung U über den Transistor 8 die Wicklung 3 des erstgenannten Transformators
4 kurzgeschlossen, während gleichzeitig der Transistor 16 hochohmig bleibt, so daß
über den zusätzlichen Transformator 11 Impulse auf die wiederum nicht dargestellte
Auswerteeinrichtung im Kreis der Wicklung 13 gelangen können. Wechselt die Spannung
U ihr Vorzeichen, so wird nunmehr der Transistor 8 gesperrt, so daß nur Impulse
über die Wicklungen 1 und 2 des erstgenannten Transformators 4 zum Eingang der Auswerteeinrichtung
gelangen, während jetzt der Transistor 16 einen Kurzschluß der Wicklung 14 des zusätzlichen
Transformators 11 bewirkt. Es wird also bei dieser Schaltungsanordnung während jeder
Halbwelle ein Impuls gleicher Polarität erzeugt.
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In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 ist ferner angenommen, daß
die Auswerteeinrichtung nur auf Impulse einer bestimmten Polarität anspricht, also
beispielsweise eine monostabile Kippstufe ist. Um Störungen, insbesondere Beschädigungen
des Eingangstransistors der Kippstufe durch die Impulse der anderen Polarität auszuschließen,
werden diese durch die Dioden 17 und 18 parallel zu den Transformatorwicklungen
2 und 13 unwirksam gemacht und somit der Eingangstransistor vor gefährlichen Spannungen
geschützt. Die Dioden 19 und 20 dienen zur Entkopplung der Kreise der Wicklungen
2 und 13.
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In diesem Fall wird das jeweilige Vorzeichen der Phasenverschiebung
dadurch angezeigt, daß entweder Impulse einer bestimmten Polarität oder keine Impulse
in die Auswerteeinrichtung gelangen.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bietet die Möglichkeit, ohne
besondere Auswahl von Schaltungselementen oder zusätzliche Abgleichmittel unter
Vermeidung einer zusätzlichen Hilfsspannung und ohne daß Schwankungen der Eigenschaften
der Schaltungselemente die Messung wesentlich beeinflussen, das Vorzeichen der Phasenverschiebung
zwischen zwei elektrischen Größen und damit beispielsweise die Richtung des Energieflusses
in einem elektrischen Netzwerk zu ermitteln. Dabei ist es möglich, sämtliche Stromkreise
gegeneinander galvanisch zu trennen, wodurch die größtmögliche Sicherheit gegen
die Beeinflussung der Meßgenauigkeit durch Störspannungen gegeben ist.
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Verständlicherweise ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren
dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können die dort wiedergegebenen
Schaltungsanordnungen statt zum Netzschutz zu anderen Zwecken eingesetzt werden.
Weiterhin kann auch eine andere Begrenzerschaltung an Stelle der beiden Zenerdioden
Verwendung finden. Ferner braucht die Auswerteeinrichtung nicht unmittelbar an die
dritte Wicklung des jeweiligen Transformators angeschlossen zu werden, sondern erforderlichenfalls
können im Kreis dieser Wicklung auch Verstärker oder Impulsformer angeordnet sein.
Ebenso können zwecks Erhöhung der Empfindlichkeit Verstärker im Kreis der Torschaltung
und/oder der Differenzierschaltung vorgesehen sein.