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Anordnung zur Überwachung der Speisung eine: mehrphasigen Verbrauchers
Für diene Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden US'-Putentanmeldung
Ser. No.
435 539 vom 26.2.1965 beansprucht.
| Die Erlindung bef aßt sich mit einer Anordnung zur Uberwachun
g |
| der Speisung einer Verbrauchers über ein mehrphasiger.elektri- |
| schen Sy^tem mit Hilfe von in jeder Phase angcordneten steuer- |
| baren Gleichrichterelementen, die von einen gesonderten Steuer- |
kreis beeinflußt werden. Hierbei kommt es darauf an, mit einfachen
Aiitteln ein Auffinden von Fehlern in den einzelnen Phasen, beispielsweise zwischen
einem Generator und einem von diesem gespeisten Motor, zu erreichen, um in Schadensfall,
etwa bei Ausfall einer Phase, den Verbraucher von den speisenden Generator abschalten
zu können. Dabei soll die Überwachung der Speisung des Verbrauchers ständig während
des Betriebe, erfolgen und jede Unsymmetrie in den Spei.eleitungen zur Anzeige gebricht
werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung parallel zu jedem steuerbaren
Gleichrichterelement einen Hilfsstromkreis vor, der aus einem Teil der entsprechend
der Phasenzahl in mehrere Einzelwicklungen aufgeteilten Primärwicklung eines Transformators
und aus einem entgegen der Durchlaßrichtung der steuerbaren Gleichrichterelemente
gepolten Gleichrichter besteht; die Spannung an der Sekundärwicklung dieses Transformators
wird zur Anzeige herangezogen. Eine solche Ancrdnung gewährleistet eine ^tändige
Überwachung der an den Verbraucher angeschlossenen 'p2iseleitungen und stellt sicher,
daß plötzlich auftretende Unsymmctrien in den Speiseleitungen, beispielsweise auf
Grund eines Kurzschlusses, in kürzester Zeit zur Abschaltung benutzt werden können.
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Zur Anzeige einen Fehlern In den Speiseleitungen kann eine an
sich
bekannte akustische oder optische Meldeeinrichtung verwendet werden, wobei in Durchführung
der Erfindung die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators erst bei Überschreiten
eine;; bestimmten Spannungswertes zur Anzeige benutzt wird. Besonders vorteilhaft
ist es jedoch, wenn in Weiterführung des"Erfindungsgedankens die Spannung an der
Sekundärwicklung zur Steuerung. der steuerbaren Gleichrichterelemente herangezogen
wird. Eine solche Beeinflussung der Steuerelektroden dieser Gleichrichterelemente
kann unmittelbar erfolgen.. Vorteilhaft ist es jedoch, ein Schwellwertglied zu verwenden,
das bei der im Normalbetrieb in der Sekundärwicklung induzierten Spannung sperrt
und erst bei Erreichen eines bestimmten Spannungswertes leitend wird. Dieses Schwellwertglied,
beispielsweise eine Zenerdiode, dient dann zur Steuerung eines gesonderten, an sich
bekannten, beispielsweise als SchwinLkreis ausgebildeten Steuerkreises, der mit
den Steuerelektroden der steuerbaren Gleichrichterelemente verbunden ist. Als steuerbare
Gleichrichterelemente können Thyratrons, gesteuerte Fe:-,tkörper-Gleichrichter,
wie Thyristoren, cder auch gesteuerte Silizium-Gleichrichter verwendet werden. Die
Erfindung sei an Hand des in den Figuren 1 und 2 dargc-5:!tellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Wie in Figur 1 an Hand eines Schaltbildes schematisch dargestellt
ist,
ist der Generator 1 über die drei Verbindungsleitungen 2, 3 und 4 mit der Belastung
5, die ein Gleichstrommotor sein kann, elektrisch leitend verbunden. In den Verbindungsleitungen
2, 3 und 4 sind als steuerbare Gleichrichterelemente die Thyristoren 6, 7 und 8
angeordnet. Parallel zu diesen Thyristoren ist in Durchführung des Erfindungsgedankens
jeweils ein Hilfsstronkreir parallelgeschaltet, der auneinem. Teil der Primärwicklung
des Transformators 9 und einem Gleichrichterelement besteht. So liegt parallel zum
Thyristor 6 der aus der Einzelwicklung 10 und dem Gleichrichterelement 13 bestehende
Hilfsetromkreis, während parallel zum Thyristor 7 der aus der Einzelwicklung 11
und dem Gleichrichtereletent 14 und parallel zum Thyristor 8 der aus der Einzelwicklung
12 und dem Gleichrichterelement 15 bestehende Hilfs,stromkreir parallelgeschaltet
ist. Die Sekundärwicklung 16 der Transformators 9 ist mit dem einen Ende unmittelbar
an die Ausgangsklemme 17 und mit dem anderen Ende an die Zererdiode 1 9 angeschlossen,
die ihrerseits mit der AurgangFklczme 18 verbunden. ist. Parallel zu den
Ausgangsklemmen 17 und 18 ist der Ecla2tungswiderstand 20 vorgesehen. Im Normalbetrieb,
d.h. wenn alle drei Phasen einwendfrei arbeiten, führt jeder der Thyristoren 6,
7 und 8 einen Speisestrom während der einen Halbwelle, während die parallel zu den
Thyristoren geschalteten Hilfsstromkreise infolge der entgegengesetzt
zur
Durchlaßrichtung der Thyrirtoren vorgenommenen Polung der Gleichrichter 13, 14 und
15 während der anderen Halbwelle Strom führen . Somit wird der Transformator 9 von
einem Strom erregt, der sich aus den in den Einzelwicklungen 10,'11 und 12 fließenden
Teilströmen, wie in der Figur 29 dargestellt, zu:rar.mer setzt . Das hat zur Folge,
daß sich an der Sekundärwicklung 16 des Transformators 9 eine Spannung einstellt,
die den in der Figur 2c dargestellten Verlauf von VS besitzt. fällt dagegen. beispielsvreise
infolge eines Kurzschlusses eine der Speiseleitungen 2 bis 4 aus, so wird der Augenblicksstrom
in einer der beiden übrigen Leitungen gleich und entgegengesetzt dem in der anderen
Leitung fließenden Strom. Der in diesen Fall die Erregung des Transformators 9 bewirkende
Strom ist in der Figur 2b in seinem Verlauf als Funktion der Zeit t artgedeutet.
Die sich bei einer solchen Erregung an der Sekundärivicklung 16 des Transformators
9 ergebende Spannung tot in ihrem Verlauf in der Figur 2e dargestellt und mit
VS' bezeic'4-:-net. Ein Vergleich der in den Figuren 2c und 2e dargestellten
Spannungsverläufe zeigt, daß in Ilormalbetrieb, d.h. also bei dreiphasigem Betrieb
der in Figur 1 dargestellten Anordnung, die Sekundärspannung gegenüber der bei gestörtem
Betrieb eii:e dx: fac°'zoYrequer# =: aufweist. Außerdem sind die im Schadensfall
an der Sekundärwicklung des Transformators 9 auftretendei Spannungsspitzen erheblich
höher als die Spitzenwerte der Spannung im Normalbetrieb.
.Die Sekundärwicklung
16 des Transformators 9 ist in ihrem Verhältnis zu den Einzelwicklungen 10, 11 und
12 so gewählt, da.ß die im Normalbetrieb an der Sekundärwicklung auftretende Spannung
unter der Durchbruchspannung der Zenerdiode 15 liegt. Dagegen wird die Durchbruchspannung
der Zenerdiode.19 im Falle eines Fehlers in den Speiseleitungen 2, 3 und 4 von den
an der Sekundärwicklung 16 auftretenden Spannung"spitzen überschritten, so daß jetzt
die Zenerdiode ihre sperrende `Wirkung verliert und die an den Ausgangsklemmen 17@und
18 abgegriffene Spünnung zur Anzeige beispielsweise einer akustischen oder optischen
Meldeeinrichtung benutzt werden kann. In Abhängigkeit von dem angezeigten Signal
können dann die Speiseleitungen 2, 3 und 4 abgeschaltet werden.
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So kann beispielsweise die Durchbruchspannung der Zenerdiode 19 zu
0,5 V gewählt werden, während die positive Halbwelle der Sekundärspannung im Normalbetrieb
0,4 V beträgt und im Schadenr.f all auf 1,5 V ansteigen kann. Damit führt
die Zenerdiode 19 nur einen Strom, wenn die Höhe der Spanrung oberhalb der Durchbruchspannung
der Zenerdiode liegt. In Normalfall liegt dagegen die an den Ausgangsklemmen 17
und 18 auftretende Spannung VR, wi e aus der Figur 2d er^ichtlich, bei null.
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Wird dagegen die Durchbruchspannung der Zenerdiode 19 überschritten,
so werden an den Ausgangsklemmen 17 und 18 Spannungsimpulse VR' abgegriffen, wie
sie in der Figur 2f schematirch
angedeutet sind. Für die Erregung
des Transformators 9 sind demnach vor allem ein hoher Gleichstromgehalt der Frimärwicklung
und ein im Vergleich hierzu verhältnismäßig geringer Wechselstromanteil maßgebend.
Aus diesem Grunde ist es möglich, durch einen geeigneten Transformatoraufbau im
Normalbetrieb die an den Ausgangsklemmen 17 und 18 anfallende Spannung gegen Null
gehen zu lassen.
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Besonder^ vorteilhaft ist es, wenn man, wie in der Figur 1 weiter
darge^tellt, das an den Ausgangsklemmen 17 und 18 in Form eines Spannung:- oder
Stromstoßes ankommende Signal über den Widerstand 20, der etwa 200 :beträgt, an
den gesonderten Steuerkreis 38 abzugeben, der über die schematisch angedeuteten
Verbindungsleitungen 51 mit den Steuerelektrcden der Thyristcren 6, 7 und.8 verbunden
ist. Dieser Steuerkreis wird von der Batterie 21 gespeist, deren Pluspol über den
Schalter 37 mit dem Widerstand 25 und der Primärwicklung 40 dcs Transfor tors 41
verbunden ist. Parallel zur Primärwicklung 40 ist der Widerstand 35 sowie das Gleichrichterelement
36 gecchültet. Die Sekundärwicklung 39 des Transformators 41 ist mit den Widerstand
34 verbunden und auf der anderen Seite aii die Basis der Transistors 33 angeschlossen,
dessen Kollektor mit der Primärwicklung 40 sovrie dem Widerstand 35 verbunden :et.
Der .Emitter dieses Transistors ist an das RC-Glied, das aus dem Widerstand 31 und
dem Kondensator 32 besteht, angeschlossen.
Dieses RC-Glied ist auf
der anderen Seite mit dem Widerstand 27 und dem Anschlußpunkt 26 sowie mit dem Gleichrichterelement
29 verbunden, das an den Minuspol der Batterie 21 arigeschlocsen ist. Mit dem Minuspol
ist auch der eine Pol des Schalter, 24 verbunden, dessen anderer Pol an den Widerstand
20 bzw.
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an dem Thyristor 22 angeschlossen ist. Parallel zu diesen Thyristor
ist der Kondensator 23 geschaltet.
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Mit der Steuerelektrode des Thyristor^ ist ein zusätzlicher Hilfsstromkreis
verbunden, der aus dem mit deu Widerstand 53 in Reihe geschalteten Schalter 52 sowie
den beiden Widerstünden 55 und 56 und dem Kondensator 57 besteht. Diener Hilfsstromkreis
ist auf der anderen Seite mit dem Schalter 37 verbunden.
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Die Sekundärwicklung des Transformators 41 besteht weiterhin aus den
Einzelwicklungen 42, 43 und 44, derer. Ausgang über die aus den Gleichrichterelementen
45, 46 u:d 47 und den Widerständen 48, 49 und 50 bestehenden Reihenschaltungen nit
den Verbindungsleitungen 51 und damit mit den Steuerelektrcden der steuerbaren Thyristoren
6, 7 und 8 verbunden sind. Sobald der Schalter 37 geschlossen ist, wird der Transistor
33 von dem Anschlußpunkt 26 her mit einer Spannung beaufschlagt, d-_e den Transistor
leitend macht, so daßs ein Stror:-fluß durch die Primärwicklung 40 des Transformators
41 statt-
| finden kann. Das führt zu einer Sekundärcpann#ang an l;n |
| Wicklungen 42, 43 und 44 des Transformators 41. Die in der |
| Sekündärrrick Jung 39 induzierte Spa:#nung bewirkt einen positiven |
| Rückkopplungsstror! zu (er Bads des @ran::@istors, so daß der |
| Strom durch die Prii"tlr%vickluiig "# f' weiter
er@ic,'a wird. Diese |
| ständige hückkoppl.ung bewirkt, daß der @ransi;=,to@@'stärker |
| leitend ;ürd, -"-) daz' die Ausgang; pannung ii@Ueli |
| w ickl uze eii de 4 1 schnell |
| Sobald der ''ran@@i:;o_ 3'% eingeschaltet ist und eiii
StropfUß |
| durch die Primix@@ricl:--;@iig rF:gox:raen hat, wird er Kondensator |
| 32 aufgeladen. Sob,-3a.0 dieser Kondensator einpar@nunfsaxir;@um |
| erreich'.lp@nrJrk@ die:1e alr, Gegensparnung zu der Bais- |
| Einitter_`de#°;h,i..rnzng d##, `#'r@@nsistc@r#z 33 vr.@.rvi:er.Li#:
S@@anzn#ng, dap |
| der rkansz.::.tor abgh#? tet wird. Dier@tJ_adti#g f^#z:ciex3sa.- |
| t',,!rs 3.._ e'h7i ',lt @ibür @,it}@1Äa1t@nd
3 ( , bis die, ^-@ u "i',.in am |
| - Ce i1C.77, |
| _zt#m "` zu ir - f r st. um den T.#@..#
ers1# 1o#r |
| #@ozi#aen.s# _,:#_ @..#i. .. acxralv- |
| @zi<<tancz zusi# d@.. dieser begirirü, jun rieu(@ri .eitnd |
| zu werden. fieser Zyklus wiederholt sich ;@f:wail s fit. einei: |
| eitraz., de--" durch ä ie. Zeitkonstante de:; EG-Gliedes
30 be- |
| '.: @ ils @ @J @ rJ 6 |
| e- |
| deC; KE)nder:"",ators 32 o"ex,den van |
| ti:d«r_ Rxr_ä @k"'_üiien 12, P,'> utid 44 des Trarsforrr,afi.orn
I:@a@ulse i^i t |
| dcre:ä Dat;er beendet viird, @;obald |
| `der ransi.-tor 33 abgeschaltet ist. Jeder Wechsel am Konder,- |
| sator 32 erzeug damit einen Impuls an den Sekundärciicklungeii |
| des "2rai"°,formators 41, die zur Steuerung der steuerbaren |
| ihyristoren ö, i und 8 verviendet werden. |
| Der Widerstand 34 dient hierbei als Strombegrenzungswider- |
| stand, der mit dem Ancchlußplankt'26 verbunden ist, während
28 |
| einen Spannungsteiler zwischen der positiven Sammelschiene |
| der Batterie 21 und der negativen Sammelschiene der gleichen |
| Batterie darstellt. Dieser Spannungsteiler uüfaBt die '0rider- |
| stände 215 und 27 sowie den Widerstand 31 und der, Koiiderisatcr |
| 32 |
| Um der Basis des Transistors 33 in Abhängigkeit von der llu-- |
| Üiig@:"paiinung an den Klemmen 17 und 18 einen Spa.nnuiigsimpuls |
| zuzuführen, ist das eine Ende des Widerstandes 2G mit der |
| Kathode dev Thyristorn 22 und das andere 'Ende mit der Steüer- |
| elektrode desselben Thyristors verbunden. Die Anode cileses |
| rhtristors ist mit dem Anschlußpunskt 26 verbunden, an deii |
| ver Widerstand 24, angeschlossen ist. Parallel zum Thyristcr |
| 22 liegt der Kondensator 23, der zur Begrenzung des Spannung.- |
| am, Thyristor dient, damit ein Schaden oder ein voi- |
| zeitiges Zünden verhindert ist. Der Thyristor 22 ist noraial@:r- |
| weise abgeschaltet, er wird jedoch leitend, sobald dein 1*rar,- |
| sistor 33 eine Spannung zugeführt wird. |
An den Anschlußpunkt 54 ist der Strombegrenzungswiderstand 53
angeschlossen, der mit dem einen Pol des Schalters 52 verbunden ist. Der andere
Pol dieses Schalters ist mit der positiven Sammelschiene verbunden, die von dem
Pluspol der Batterie 21 gespeist wird. Weiterhin ist die Steuerelektrode des Thyristors'22
über den Anschlußpunkt 54 mit den beiden als Spannungsteiler wirkenden Widerständen
55 und 56 sowie dem Kondensator 57, der ebenfalls an der positiven Sammelschiene
angeschlossen ist, verbunden.
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Bei geöffnetem Schalter 37 ist auch der Steuerkreis 38 abgeschaltet,
d.h. die Sekundärwicklungen des Trensformators 41 führen keine Spannung, so daß
den Thyristoren 6, 7 und 8 auch keine Steuerimpulse zugeführt werden. Das bedeutet,
diene Thyrigtoren sind abgeschaltet, von dem GenerE.tor 1 fließt keine Leistung
zum Verbraucher 5.
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Sobald der Schalter 37 jedoch eingeschaltet ist, wird der Kondensator
57, der bisher ungeladen war, aufgeladen und liefert eine positive Spannung,die
die Steuerelektrode des Thyristors 22 beeinflußt, so daß dieser sperrt..Bevor der
Steuerkreis 38 seine Arbeit aufnehmen kann, wird die Spannung am Anschlußpunkt 26
auf einen Wert herabgesetzt, der den Transistor 33 abgeschaltet hält. Ist der Kondensator
57 geladen, so wird die Spannung an dem Anschlußpunkt 54 weniger
positiv,
so daß von hier aus das Steuersignal für die Steuerelektrode deq Thvristors 22 entfernt
wird. Dabei wird der Kondensator 57, da er unter dem Einf luß der Batt erie 21 steht,
fortlaufend geladen. Um dem Verbraucher 5 Leistung zuzuführen, wird der Schalter
24 geöffnet, so daß der Kathodenkreis des Thyristor^ geöffnet und damit die Stromführung
in diesem Kreis aufgetrennt wird. Das hat zur Folge, daß die Gegenspannung von der
Basis-Emitter-Verbindung des Transistors 33 entfernt wird und der Steuerkreis 38
seine Tätigkeit aufnehmen kann. Damit werden den Thyristoren 6, 7 und 8 Steuerimpulse
zugeführt, die einen Stromfluß durch diese Thyristoren ermöglichen, so da.i3 de:
Verbraucher -5 Leistung zugeführt werden künn. Solange alle drei Phasen einwandfrei
arbeiten, führen die "ihyristoxcri 6, 7 und 8 fortlaufend Strom und an den Ausgungsklemmeii
17 und 18 ist nur eine unbedeutende Ausgangsspannung vorhanden. Bei:-; Ausfall einer
Phase jedoch entsteht, wie bereits oben ausgeführt, eine Spannungsspitze an den
Ausgangsklemmen, die die Steuerelektrode des Thyristors 22 beeinflußt, so daß eine
Gegen@zpannung zu der Bäis-Enitter-Verbindung des Transistors 33 geliefert wird
und damit die Tätigkeit des Steuerkreises 38 unterbrochen wird. Das hat zur Folge,
da.ß an die Steuerelektroden der Thyrstoren 6, 7 und 8 keine Steuerimpulse :hehr
abgeben werden, so d aß diese Thyristoren abgeschaltet und damit die Speiseleitungen
2; 3 und 4 unterbrochen werden.
Die in der Figur 1 dargestellte
Schaltung kann auch dazu benutzt werden, um den Verbraucher 5 im Uormalbetrieb von
den Generator 1 abzuschalten. 2u diesem Zweck wird der Schalter 52 eingeschaltet,
der eine Zündspannung an die Steuerelektrcde der Thyristors 22 liefert, so daß dieser
Thyristor Strom führt und damit eitle Gegenspannung an den Transistor 33 abgibt.
Damit wird der Steuerkreis 38 unterbrcchen, so daß keine Steuerimpulte mehr an die
Steuerelektroden der Thyristoren 6, 7 und 8 geliefert werden.