DE1588324A1 - Schaltungsanordnung zur Erkennung von Spannungsausfaellen an dreiphasigen Transformatoren - Google Patents

Description

IBM Deutschland internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH I O ö ö O Z H

Böblingen, 31. Januar 1967 pu-ke-ma

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket GE 034, GE 86605I

Schaltungsanordnung zur Erkennung von Spannungsausfällen. an dreiphasigen Transformatoren

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erkennung von Spannungsausfällen an dreiphasigen Transformatoren.

Die Spannungsversorgung grosser elektrischer oder elektronischer Anlagen wird in vielen Fällen durch ein Netzgerät sichergestellt, das über einen dreiphasigen Transformator primärseitig an ein dreiphasiges Spannungsnetz angeschlossen ist. Von der Sekundärseite dieses Transformators werden in bekannter Weise die für die Versorgung des nachgeschalteten Gerätes notwendigen Spannungen bereitegestellt. Dies können Wechselspannungen sein oder Gleichspannungen, wobei in vielen Fällen mindestens eine der Gleichspannungen eine hohe Konstanz aufweisen muss. Von der Konstanz dieser Spannung hängt in komplizierteren Fällen die Funktionsfähigkeit der ganzen Anlage ab. Um das Auftreten von Fehlern innerhalb einer solchen Anlage von vornherein auszuschliessen, ist es

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wünschenswert, eine möglichst frühzeitige und zuverlässige. Anzeige über den bevorstehenden Abfall ader gar Ausfall . ν on Vers orgungs spannungen zu erhalten.

Diese Aufgabe wird für eine eingangs erwähnte Schaltungsanordnung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die zusammengefassten Ausgang© sekundärseitig an den Transformator angeschlossener Doppelweggleichrichter einerseits direkt oder über einen Spannungsteiler, andererseits Über einen Spitzengleichrichter einer Vergleicherschaltung zugeführt sind. Durch diese Massnahme wird ein Vergleich zwischen dem Mittelwert einer Spannung, die der von der Gleichrichterschaltung abgegebenen Gleichspannung proportional ist, und dem Spitzenwert der dieser Gleichspannung überlagerten Wechselspannung durchgeführt. Fällt nämlich mindestens eine der Primärphasen aus, so wird die Welligkeit der Gleichspannungen auf der Sekundärseite erhöht. Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird die Polarität der aus der gleichgerichteten überlagerten Wechselspannung gewonnenen Gleichspannung gleich der Polarität des damit zu vergleichenden Mittelwertanteils gewählt. In diesem Fall kann erfindungsgemäss die Vergleicherschaltung aus einem Differenzverstärker bestehen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sieht vor, dass die Polarität der über den Spitzen- ZD gleichrichter gewonnenen Gleichspannung der Polarität der ■o damit zu vergleichenden Spannung entgegengesetzt ist, dass ^° die zu vergleichenden Spannungen in Reihe geschaltet sind und ^ dass am Ausgang dieser Reihenschaltung ein Nullindikator zur

-J en

K3 Anzeige einer Differenz der zu vergleichenden Spannung ange-

schlossen ist. Schliesslich hat es sich.^fUr

BAD

gemässe Schaltung als vorteilhaft erwiesen, dass dem Ausgang der Verglelcherschaltung ein Schaltverstärker nachgeschaltet ist, der zwischen zwei diskreten Werten umschaltet, wobei durch eine zusätzliche, im Schaltverstärker vorgesehene Hysterese der Umschaltpunkt von Zustand 1 in Zustand 2 auf eine andere Eingangsspannung verschoben wird als der Umschaltpunkt von Zustand 2 auf Zustand 1. Durch diese Massnahme wird ein Flattern des Schaltverstärkers verhindert.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindüngsgemässen Schaltungsanordnung anhand.der Zeichnungen näher erläutert, Es zeigen: ·

Pig. 1 die Schaltung des dreiphasigen Transformators,· Fig. 2a-2c Diagramme der auf der Sekundärseite auftretenden'

Spannungen,
Fig. y ein erstes AusfUhrungsbeispiel der erfindungsgemässen

Schaltung, ^s

Fig. 4 ein zweites AusfUhrungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltung,

Fig. 5 eine Abwandlung der Schaltung gemäss Flg. 4, Fig. 6 das, Schaltbeispiel eines Null-Indikators gemäss Fig. 4 und 5, und

Fig. 7 das vollständige Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt der zu überwachende dreiphasige Transformator in der Regel mehrere Sekundärwicklungen. Von diesen Sekundärwicklungen werden die Gleichspannungen für das zu versorgende Gerät abgeleitet. Im allgemeinen ist jede der Sekundärwicklungen des Transformators für eine dreiphasige Doppelweg-

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- 4 glelchrichtung ausgelegt.

Wird nun an eine dieser Sekundärwicklungen ein Gleichrichtersatz gemäss Fig. 1 angeschaltet« dann erscheint an den Ausgangsklemmen I und II dieser Schaltung die in Pig. 2a dargestellte Spannung. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass zwischen den Klemmen I und II kein Ladekondensator liegt. In Fig. 2a bedeuten U_Q den Mittelwert der zwischen den Klemmen I und II liegenden Gleichspannung. Ug ist der Spitzenwert der Oleichspannung. U_w schliesslich ist die der Gleichspannung U_Q überlagerte Wechselspannung, und zwar von Spitze zu Spitze gemessen. *

Fällt nun eine der primärseitigen Wechselspannungsphasen aus, ohne dass an der ausgefallenen Phase noch einphasige Lasten liegen, wird sich an den Spannungsverhältnissen gemäss Flg. 2a kaum etwas ändern. Dieser Fall ist für die vorliegende Erfindung nicht interessant, da die sekundärseitlgen Gleichspannungen in voller Höhe erhalten bleiben.

Wird jedoch der Transformator stark belastet oder liegen an der ausgefallenen Phase einphasige, prlmärseitige Lasten, dtnn bricht die Sekundärspannung der ausgefallenen Phase aufgrund der magnetischen Verkettung und aufgrund der magnetischen Unsymmetrie des Transformators zusammen.

Bei geringer einphasiger Last an der ausgefallenen Phase kann sich sekundärseitig ein Spannungsverlauf gemäss Fig. 2b ergeben. Bei starken einphasigen Lasten an der ausgefallenen Phase und/oder starken Sekundärlasten und/oder primärseitig aufge-

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zwungenen einphasigen Unterspannungen kann der Spannungseinibruch auf der Sekundärseite so stark werden, dass ein Spannungsverlauf gemäss Fig. 2c entsteht.

Die Flgn. 2a - 2c lassen erkennen, dass mit zunehmender magnetischer Unsymmetrie des Transformators die Wechselspannung U_w stark ansteigt, während der Mittelwerk der Gleichspannung U„ leicht absinkt. Dies lässt sich durch folgende Überlegungen idarstelleni
Es seien:: , -

S « Spitzenwert der Gleichspannung (=* Amplitude einer nichtausgefallenen Sekundärspannung)

ρ s= Prozentsatz, um den die Sekundärspannungsamplitude der ausgefallenen Phase unter dem Wert Ug liegt.

Dann -ergltot sich: "

». inn ~4 — "ι

und daraus

(1) y = arctg IQO .sin 3

50 - ρ

. u_s . [ 1 - sin (y + 5) ]

■■(5). -ü_fi = U₃ -,' 2 . [o,5 + ^² ■· cos y + sin X . sin yj

den Gleichungen (2) und (3) lässt sich erkennen, dass das

U^/Ug vom Unterspannungsprozentsatz ρ der ausgefallenen !Phase anhängig ist, dass dagegen U_w/Uq unabhängig .vom Spitzenwert Ug der Gleichspannung ist. Das bedeutet, dass sieh allgemeine Netzsjpannungsscnwankungen.auf dieses Verhältnis nicht auswirken.

Tatsache wird dadurch ausgenutzt;, dass erfindungsgemäss dl« Heromen I 'und Il der Schaltung ,gemäss Fig. 1 44e in Seihaltung angeschlossen wird.« Über einen

«SE

Spannungsteiler R* und R₂, wobei dem Widerstand R₂ ein Kondensator C₁ parallel geschaltet Ist, wird ein Eingang eines Differenzverstärkers gespeist. Der zweite Eingang des Differenzverstärkers ist über einen Spitzengleichrichter, bestehend aus den Dioden D₁ und D₂* sowie aus den Kondensatoren C₂ und C,, ebenfalls an die Klemme I angeschlossen. Die Gleichspannung U₁ am Kondensator C. ist dem Mittelwert der Gleichspannung U_ß proportional:

(4)

Die von dem Spitzengleichrichter erzeugte Gleichspannung U₂ am Kondensator C₂ entspricht der Wechselspannung U_wi

(5) U₂ « U_w ■-·■.-

Liegt kein Phasenausfall vor, dann ist U₁ grosser als U₂. Dieser Tatbestand ist'durch entsprechende Wahl des Spannungsteilers R₁ und R₂ leicht zu realisieren.

Tritt dagegen ein Phasenausfall auf, steigt gemäss Fig. 2 und gemäss Gleichungen (1) bis (5) der Wert U₂ an, während U₁ leicht abfällt. Bei einem durch den Spannungsteiler R₁ und R₂ bestimmbaren Unterspannungsprozentsatz ρ 4er ausgefallenen Phase wird U₁ = Ug. Bei noch stärkerem Spannungseinbruch auf der Sekundärseite der ausgefallenen Phase wird schllesslich U^ . _, kleiner als U₂. . . , .

Der in Fig. 3 vorgesehene Differenzverstärker braucht nur so ausgebildet zu sein, dass er zwischen zwei Zuständen U,> U₂ und U₁ -£ U₂ umschalten kann und dass der Umschaltpunkt bei U₁ * U₂ liegt. Am Ausgang des DilTarenzverstarfcers gemäss Fig. 3 entsteht dann in einfacher Welse eine Anzeige für das Vorliegen

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eines Phasenausfalls *

Fig. 4 zeigt ein zweites ÄüsfUhrungsbeispiel der erfindungs-· gemessen Schaltung. Der am Eingang angeordnete Spannungsteiler R. und R₂ bestimmt wieder die Spannung U, gemäss Gleichung (4). Ein nachgeschalteter Emitter-Folger mit dem Transistor T macht diese Spannung weitgehend lastunabhängig.

Die Spannung U₁ wird ferner um den Basis-Emitter-Sapnnungsabfall U_ßp vermindert. Es gilt demnach für die Schaltung gemäss.Fig. 4:'

'6VU, --O₀ .'.-is -«be · ■

Die- nachgeschaltete Gleichrichterschaltung, bestehend" aus den Dioden D-, Dp und den Kondensatoren C₂ und C,, 1st so aufgebaut, dass am Kondensator C^ eine negative Spannung entsteht. Der Wert dieser Spannung ist im wesentlichen durch Gleichung (5) gegeben. Dort ist jedoch nicht berücksichtigt, dass die Spannung Ug um den. Vorwärts-Spannungsabfall ϋ_β der beiden Dioden D₁ und Dg vermindert ist. Exakt ergibt sich:

In der Schaltung gemäss Fig. 4 ist die Diode D₂ nicht wie in Fig. 3 an die Klemme II angeschlossen, sondern an die niederdhmige Quelle U.. Dadurch werden die beiden Gleichspannungen U₁ und U₂ in Reihe geschaltet. Am Kondensator C₂ liegt demnach eine Gleichspannung U_Q mit:

(8) U₀ -U₁'- U₂ - u_G . V_ - u_{w +}.u_D - u_BE

^R1 ^R2
Werden in einer besonders günstigen /iusführungsfbrm T, D;'und' D₂SO ausgewählt, dass U_D = U™ ist, geht die Gleichung (8^Λ über in: ^{; J}

0 0 982 1 /0720 Docket JF. C^!3h -t-

(9) U₀ = U₀ . ^R2 - U_w

^{υ u} R^R₂ w

.'Gemäss Gleichung (9) wird U₀ bei geeigneter Wahl des Spannungstellers R₁ und R₂ positiv sein» solange kein Phasenausfall auftritt, da ·

U ^R2

U_u ist.

Bei Phasenausfall wird U_Q negativ sein, da dann

"^{IJ ;iU}r · ^Bg ' ^L ^uw ist. ^ü R₁, + R₂ ^ "

Ks ist demnach zweckmässig, die. Spannung U₀ durch einen Null-Indikator abzufühlen, wodurch dann ein Phasenausfall angezeigt wird. Als Null-Indikator kann ein Schaltverstärker verwendet werden, der zwischen zwei Zuständen umschaltet, Je nachdem, ob an seinem Eingang eine positive oder eine negative Spannung anliegt. Der Umschaltpunkt liegt vorzugsweise bei Uq ■ - 0 V. Der Umschaltpunkt ist gemäss Gleichung (9) durch die folgende Beziehung gegeben:

(10) U_fi . ^R2 - U_w

Werden die Werte aus den Gleichungen (2) und (5) In die Gleichung (10) eingesetzt, so ergibt sich für den Umschaltpunkt:

(11) sin Cy + T) + 2 . ^R2 . (0,5 + 50-P cos y + sin X\

3 * R₁^R₂ Τδδ^ - - - 5 .-

sin y) ■ 1 . _:

Unter Berücksichtigung von Gleichung (1) ist zu erkennen, dass der Umschaltpunkt nur vom Unterspannungsprozentsatz ρ abhängt, dass aber die absolute Höhe der Netzspannung, die sich in der Spitzenspannung U₃ ausdrückt, ohne Einfluss bleibt.

Selbstverständlich lassen sich die Werte für T, D₁ und D₂ gemäss Fig. 4 auch so wählen, dass Ugp / U_Q ist. In diesem Pail

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1st die Kompensation der Halblelter-Vorwärts-Spannungsabfälle nicht vollständig. Der Umschaltpunkt steht dann In leichter Abhängigkeit von der Spitzenspannung U- (und damit von der Netzspannung). Von besonderem Interesse 1st der Fall U«« :> Uq. Aus den angegebenen Gleichungen lässt sich ablesen» dass in diesem Fall bei sinkender Spitzenspannung Ug der Umschaltpunkt bereits bei einem etwas kleineren Unterspannungaprozentsatz ρ erreicht wird, als bei einem höheren Wert U₃. Dies bedeutet, dass bei niedriger Netzspannung der Phasenausfall bereits bei geringerer einphasiger Last, d.h. bei geringerer Unsymmetrie des dreiphasigen Transformators erkannt wird. . - , -

Zur Realisierung dient erfindungsgemäss die in Fig. 5 angegebene Schaltung. Der Transistor T gemäss Fig. 4 ist durch zwei Transistoren T₁ und T₂/ vorzugsweise Silizium-Transistoren, ersetzt. Diese bekannte "Darlington-Schaltung" wird in ihrer Wirkung durch eine nachgeschaltete Diode D^ unterstützt. Diese Diode hat die Aufgabe, im ersten Einschaltaugenblick, solange C, noch ungeladen ist, T₁ und T₂ vor unzulässig hohen Sperrspannungen U_BE zu schützen. Für die Schaltung gemäss Fig. gelten folgende Beziehungen:

^U - ^UBE_T ^{+ U}BE_T ^{+ Ü}D, V "

Es 1st leicht einzusehen, dass hierbei Ug_E>-U_D ist.

Der nachgeschaltete Null-Indikator kann gemäss Fig. 6 aufgebaut sein. Einer Diode D^ sind Transistoren T^, Tc und Tg nach-

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geschaltet. Die Diode D^ soll möglichst gleiche Eigenschaften haben» wie die Basls-Eraitter-Diode des Transistors T^, damit eine Kompensation der Spannungsabfälle erreicht wird. Solange Uq positiv ist, ist D^ gesperrt, T^ leitend, Tc gesperrt, IV leitend, usw. Ist U₀ negativ, dann 1st D^ leitend, T 4 gesperrt, Tc leitend, Tg gesperrt, usw. Der Umschaltpunkt liegt im AusfUhrungsbeispiel genau bei ί OV₁ wenn D^ und T^ exakt gleich sind.

Flg. 7 zeigt die komplette Schaltung der erflndungsgeinässen Anordnung gemäss Flg. 5 und 6. Damit die Diode D^ in Fig. 6 dem Transistor T^ möglichst gleichgemacht werden kann, wird in der Schaltung gemäss Fig. 7 ein als Diode geschalteter Transistor, der mit T, bezeichnet ist, verwendet.

Wird der Spannungseinbruch beim Phasenausfall so stark, wie in Fig. 2c gezeigt, dann steigt U^ so stark an, dass U_Q so stark negativ wird, dass die Basis-Emitter-Durchbruchspannung von T^ überschritten werden kann. In der Schaltung gemäss Fig. 1st daher zum Schutz von T^ eine Diode D₇ vorgesehen.

Im normalen Fall, wenn kein Phasenausfall vorliegt, 1st das Relais abgefallen, da Tg leitend 1st. Durch das Relais fliesst daher kein Strom, so dass auch im Widerstand R₁- kein Spannungsabfall entsteht. Damit liegt der Emitter von Tj, praktisch auf 0 V, Der Umschaltpunkt liegt daher genau bei U_Q - i 0 V. Wurde Jedoch nach erfolgtem Phasenausfall umgeschaltet, dann erzeugt der Relaisstrom an R₁₁ einen Spannungsabfall von etwa 50 mV, der dem Emitter von T^ zugeführt wird. Dadurch verlagert sich der Umachaltpunkt von 0 V auf Uq« + 50 mV. Durch R 11 wurde

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somit eine Hysterese eingeführt. Falls nämlich der durch den Phasenausfall hervorgerufene sekundäre Spannungseinbruch gerade so gross ist« dass die Umschaltspannung gerade erreicht wird, kann das Relais durch geringste Spannungs-

Schwankungen wahllos ein- und ausgeschaltet werden, da der Schaltverstärker in seinem Umschaltpunkt nicht genau stabil sein kann. Diese ünstabilität wird durch eine kleine zusätzliche Hysterese vermieden. Wenn gerade umgeschaltet worden ist* muss wegen der Hysterese Uy um zusätzliche 50 mV kleiner werden,· damit das Relais wieder zurückschalten kann.

Der Kondensator C^ siebt die Gleichspannung zur Versorgung des Relais. Die gesamte erfindungsgemässe Schaltung wird aus der an den Klemmen I und II anstehenden Spannung betrieben. Zusätzliche Hilfsspannungen sind nicht erforderlich.

Docket GE 05* - 12 -

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Claims (4)

1. IBM Deutschland Internationale Büro-Maichinen Getelhdinfi mbH

   Docket GF OJ54, GE 866051 31. Januar 1967 pu-ke-ma

   Patentansprüche

   Schaltungsanordnung zur Erkennung von Spannungsausfällen an dreiphasigen Transformatoren, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengefassten Ausgänge sekundärseitig an den Transformator angeschlossener Doppelweggleichrichter einerseits direkt oder über einen Spannungsteiler (R₁, R₂), andererseits über einen Spitzengleichrichter (D₁, D₂, C₂, C-.) einer Vergleicherschaltung zugeführt sind.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

   zeichnet, dass die Polarität der Uber den Spitzengleichrichter gewonnenen Gleichspannung (U₂) der Polarität

   der damit zu vergleichenden Spannung (U₁) entspricht und dass als Vergleicherschaltung ein Differenzverstärker vorgesehen ist.
3. 3· Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarität der über den Spitzengleichrichter gewonnenen Gleichspannung (U₃) der Polarität der damit zu vergleichenden Spannung (U₁) entgegengesetzt ist, dass die zu vergleichenden Spannungen 'U₁, U₂) in Reihe geschaltet sind und dass am Aasgang dieser Reihen-

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   schaltung ein Null-Indikator zur Anzeige einer
   Differenz (Uq) der zu vergleichenden Spannungen
   angeschlossen ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleicherschaltung ein Schaltverstärker nachgeschaltet ist, der zwischen zwei diskreten Werten umschaltet, wobei durch eine
   zusätzliche im Schaltverstärker vorgesehene Hysterese der Umschaltpunkt von Zustand 1 in Zustand 2 auf eine andere Eingangsspannung verschoben wird als der
   Umschaltpunkt von Zustand 2 auf Zustand 1.

   Docket OE 034

   008821/07*6