DE1926185A1 - Circuit arrangement for transformerless transmission and conversion of an alternating voltage into a direct voltage that can be measured from a reference potential - Google Patents
Circuit arrangement for transformerless transmission and conversion of an alternating voltage into a direct voltage that can be measured from a reference potentialInfo
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Description
Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H.Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H.
6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1.6 Frankfurt / Main 70, Theodor-Stern-Kai 1.
Unger/sc S1BE 69/4-Unger / sc S 1 BE 69 / 4-
13.5.1969 ———May 13, 1969 ———
"Schaltungsanordnung zur transformatorlosen Übertragung und Umformung einer Wechselspannung in eine von einem Bezugspotential, aus meßbare Gleichspannung""Circuit arrangement for transformerless transmission and conversion of an alternating voltage into a direct voltage measurable from a reference potential "
Bei statischen Umformern und Schaltern sowie bei Stromkreisen mit einer "Verstellimpedanz stellt sich oft die Aufgabe, daß eine Wechselspannung, die an einem Stromkreiselement der Schaltung ansteht, für meß- und regeltechnische Zwecke in eine proportionale Gleichspannung umgewandelt werden soll. Der Erfassung der Wechselspannung steht meistens aber die Schwierigkeit entgegen, daß nicht, was meßtechnisch günstig wäre, das betreffende Stromkreiselement, sondern ein anderes Stromkreiselement an einem für die Messung geeigneten Bezugspotential, beispielsweise am Mittelpunktsleiter eines Wechselstromnetzes direkt angeschlossen ist. Die am betreffenden Stromkreiselement entstehende Wechselspannung kann zwar ausgehend vom Bezugspotential durch Differenzbildung der Wechselspannungen an der Reihenschaltung der beiden Stromkreiselemente und an' dem Stromkreiselement, das am Bezugspotential direkt angeschlossen ist, erfaßt werden.. Diese Methode ist jedoch nicht zweckmäßig.In the case of static converters and switches as well as circuits with a "variable impedance, the task often arises that an alternating voltage applied to a circuit element the circuit is pending, is to be converted into a proportional DC voltage for measurement and control purposes. Of the Acquisition of the alternating voltage is mostly opposed by the difficulty that what would be favorable in terms of measurement technology is not that circuit element concerned, but a different circuit element at a reference potential suitable for the measurement, for example at the neutral conductor of an alternating current network connected directly. The alternating voltage generated at the relevant circuit element can be based on the reference potential by forming the difference between the alternating voltages at the series connection of the two circuit elements and at ' the circuit element that is directly connected to the reference potential is to be detected .. However, this method is not expedient.
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FBE 69AFBE 69A
Auch die anschlußmäßige Vertauschung der beiden "Stromkreiselemente ist nicht immer zweckmäßig, besonders dann nicht, wenn das andere Stromkreiselement ebenfalls meßtechnisch erfaßt werden soll.Also the interchanging of the two "circuit elements" is not always useful, especially not if the other circuit element is also metrologically should be detected.
Eine bekannte Lösung dieser meßtechnischen Aufgabe besteht nun darin, die Wechselspannung oder auch den Wechselstrom eines nicht an ein Bezugspotential angeschlossenen Stromkreiselementes mittels transformatorischer Meßwandler_ in einen potentialfreien Stromkreis (Sekundärstromkreis), der an das Bezugspotential direkt angeschlossen werden kann, zu übertragen und mittels einer geeigneten Umformeinrichtung indeine Gleichspannung umzuwandeln. Eine Gleichspannung, die z. B. dem arithmetischen zeitlichen Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung proportional ist, läßt sich bekanntlich mit Hilfe eines Gleichrichters und eines dem Gleichrichter nachgeschalteten Integriergliedes, vorzugsweise einer RC-Schaltung herstellen, bei der die Lade- und Entladezeitkonstante etwa gleich groß sind. A known solution to this metrological problem now consists in the alternating voltage or alternating current of a circuit element not connected to a reference potential by means of a transformer measuring transducer_ into a potential-free circuit (secondary circuit) that can be connected directly to the reference potential, to be transmitted and converted into DC voltage by means of a suitable converter. A DC voltage that z. B. the arithmetic time mean value of the rectified AC voltage is proportional, can be known with the aid of a rectifier and an integrating element connected downstream of the rectifier, preferably one Establish an RC circuit in which the charge and discharge time constants are approximately the same.
Von diesen bekannten Mitteln zur Herstellung einer Gleichspannung, die dem arithmetischen Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung proportional ist, macht auch die Erfindung Gebrauch. Die Erfindung betrifft jedoch eine Schaltungsanordnung zur transformatorlosen Übertragung und Umformung einer Wechselspannung, und es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, aus der Wechselspannung eine von einem Bezugspotential aus meßbare Gleichspannung herzustellen, die der Wechselspannung proportional ist, beispielsweise eine dem Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung proportionale Gleichspannung.Of these known means for producing a direct voltage which is proportional to the arithmetic mean value of the rectified alternating voltage, the Invention use. However, the invention relates to a circuit arrangement for transformerless transmission and conversion an alternating voltage, and the invention is based on the object of converting the alternating voltage to one of a reference potential to produce from measurable DC voltage, which is proportional to the AC voltage, for example one of the Mean value of the rectified AC voltage proportional DC voltage.
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- 3 - FBE 69Λ- 3 - FBE 69Λ
Bei durch Phasenanschnitt steuernden Umformern, z. B. Wechselrichtern und Wechselstromstellern, wird in jeder WechselspannungspenDde wenigstens je einmal ein Stellglied geschaltet, so daß der Mittelwert zwangsläufig auf eine Periode der Wechselspannung bezogen ist. Bei Wechselstromschaltern hingegen werden zusammenhängende volle Schwingungszüge der Speisewechselspannung mit einem wählbaren Taktverhältnis auf einen Verbraucher geschaltet, wobei in jedem Nulldurchgang der Wechselspannung ein Stellglied geschal-' tet wird, so daß hier der Mittelwert auf eine Taktperiode bezogen wird.In the case of converters controlled by phase control, e.g. B. Inverters, and AC power converters, is used in everyone AC voltage supply at least one actuator each switched so that the mean value is inevitably related to a period of the alternating voltage. With AC switches on the other hand, there are contiguous full oscillations of the AC supply voltage with a selectable cycle ratio switched to a consumer, with an actuator switching in each zero crossing of the alternating voltage. is switched, so that here the mean value is related to a clock period.
Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß im Nebenschluß der Reihenschaltung aus statischem Umformer, Schalter oder Verstellimpedanz und Verbraucher über eine Gleichrichterdiode ein Spannungsteiler aus zwei ohmschen Widerständen geschaltet ist, von denen der eine Widerstand eine Nebenschlußkapazität hat und am Bezugspotential wie auch am statischen Umformer, "Schalter oder an der Verstellimpedanz angeschlossen ist und daß zwischen der Verbindung der Spannungsteilerwiderstände und der Verbindung des statischen Umformers, Schalters oder der Verstellimpedanz und des Verbrauchers ein einseitig leitender Strompfad geschaltet ist, der einen Widerstand und eine zweite gleichsinnig gepolte Gleichrichterdiode enthält.The circuit arrangement according to the invention is that in the shunt of the series circuit of static Converter, switch or adjustment impedance and consumer via a rectifier diode, a voltage divider from two ohmic ones Resistors is connected, one of which has a shunt capacitance and at the reference potential as well is connected to the static converter, switch or to the adjustment impedance and that between the connection of the voltage divider resistors and the connection of the static converter, switch or the adjustment impedance and the consumer a one-sided conductive current path is connected, which has a resistor and a second polarized in the same direction Contains rectifier diode.
Um an der Nebenschlußkapazität eine Gleichspannung proportional der Wechselspannung zu erhalten, sind gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Widerstände und die Kapazität der Schaltungsanordnung derart bemessen, daß der Spannungsteilerwiderstand, der die Nebenschlußkapazität hat, im Vergleich zum zweiten Spannungsteilerwiderstand und zum Widerstand des einseitig leitenden Strömpfades sowie auch zumTo a DC voltage proportional to the shunt capacitance To obtain the alternating voltage are, according to a further embodiment of the invention, the resistors and the The capacitance of the circuit arrangement is dimensioned in such a way that the voltage divider resistor, which has the shunt capacitance, in comparison to the second voltage divider resistor and to the resistance of the one-sided conductive flow path as well as to the
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- 4- - FBE 69A- 4- - FBE 69A
Verbraucherwiderstand niederohmig ist und daß ferner die Zeitkonstante des Nebenschluß-RC-Gliedes klein ist im Vergleich zur Wechselspannungsperiode und daß ferner der zweite Spannungsteilerwiderstand hochohmig und der Widerstand des einseitig leitenden Strompfades gleichwertig hochohmig ist.Load resistance is low and that also the time constant of the shunt RC element is small in comparison to the alternating voltage period and that furthermore the second voltage divider resistor has a high resistance and the resistance of the one-sided conductive current path is equivalent to high resistance.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles, dargestellt in der Figur, näher erläutert. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the figure.
Diese Figur zeigt die Schaltungsanordnung zur Übertragung und Umformung der Verbraucherwechselspannung in eine vom Mittelpunktsleiter eines Dreiphasennetzes aus meßbare, der Verbraucherspannung proportionale Gleichspannung bei einem als Wechselstromsteller arbeitenden Umformer mit zwei gegenparallelgeschalteten Thyristoren, der in Reihe mit einem Verbraucher an eine Phase des Dreiphasennetzes angeschlossen ist. In der Fig. sind die HauptStromkreise mit dem Wechselstromsteller und dem Verbraucher stärker herausgezeichnet als die Schaltungsanordnung gem. der Erfindung.This figure shows the circuit arrangement for the transmission and conversion of the AC consumer voltage into one from the neutral conductor of a three-phase network of measurable direct voltage proportional to the consumer voltage with an as AC power converter working converter with two counter-parallel connected thyristors, which are connected in series with a consumer one phase of the three-phase network is connected. In the figure are the main circuits with the AC power controller and the Consumers highlighted more than the circuit arrangement according to the invention.
Eine Reihenschaltung mit einer Gegenparallelschaltung aus zwei Thyristoren 1, 2 und einem Verbraucher 3» die zwischen der Phase P eines Wechselstromnetzes und dem Mittelpunktleiter MPL des Netzes angeschlossen ist, bildet den Hauptstromkreis. Die Gegenparallelschaltung der Thyristoren arbeitet wie schon erwähnt als Wechselstromschalter. Bei dieser Schaltungsanordnung wird das Potential des Mittelpunktleiters als Bezugspotential für meßtechnische Zwecke ausgenutzt, und es soll die Wechselspannung am Verbraucher 3 in eine dem Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung proportionale Gleichspannung umgeformt und an ein Stromkreiselement der Schaltung übertragen werden, das mit dem Mittelpunktleiter direkt verbunden ist, damit die Gleichspannung von diesem Bezugspotential aus gemessen werden kann. Dazu dient die SchaltungsanordnungA series connection with a counter-parallel connection of two thyristors 1, 2 and a consumer 3 »the between the phase P of an alternating current network and the neutral conductor MPL of the network is connected, forms the main circuit. The counter-parallel connection of the thyristors works as before mentioned as AC switch. In this circuit arrangement, the potential of the center conductor is used as a reference potential for measurement purposes, and it should the alternating voltage at the consumer 3 into a mean value DC voltage proportional to the rectified AC voltage and converted to a circuit element of the circuit that is directly connected to the center conductor so that the DC voltage can be measured from this reference potential. The circuit arrangement is used for this purpose
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- 5 - I1BE 69Λ- 5 - I 1 BE 69Λ
gemäß der Erfindung. Sie besteht aus einem ohmschen Spannungsteiler 5, 6, der über eine Gleichrichterdiode 4· zwischen der Phase P und dem Mittelpunktleiter MPL angeschlossen ist, ferner einer Kapazität 7 im Nebenschluß des Spannungsteilerwiderstandes 6 und, zwischen der Verbindung der Spannungsteilerwiderstände und der Verbindung A des Wechselstromstellers mit dem Verbraucher angeschlossen, einen einseitig leitenden Strompfad mit einer Gleichrichterdiode 8 und einem Widerstand 9, der einen Strom nur in Sichtung zur Verbindung A durchläßt.according to the invention. It consists of an ohmic voltage divider 5, 6, which is connected via a rectifier diode 4 · between the phase P and the neutral point conductor MPL is connected, furthermore a capacitance 7 in the shunt of the voltage divider resistor 6 and, between the connection of the voltage divider resistors and connection A of the AC power controller connected to the consumer, a one-sided conductive current path with a rectifier diode 8 and a Resistor 9, which is only sighting a current for connection A lets through.
Von den Widerständen der Anordnung sind der Spannungsteilerwiderstand 5 und der Widerstand 9 im Querstrompfad hochohmig, z. B. einige hundert kOhm und gleich groß. Der Spannungsteilerwiderstand 6 ist niederohmig gegenüber diesen Widerständen, jedoch groß gegenüber dem Verbraucherwiderstand 3. I1Ur das Laden und Entladen der Kapazität 7 ist bei diesem Spannungsteiler die Zeitkonstante R,- x G:,-, des Parallel-RC-Gliedes maßgeblich. Diese Zeitkonstante soll groß sein gegenüber der Periodendauer des Netzes. Da die Zeitkonstanten für das Laden und Entladen der Kapazität 7 gleich groß sind, würde ohne den Querstrompfad 8, 9 bekanntlich eine Gleichspannung an der Kapazität 7 gebildet werden, die dem Mittelwert der Wechselspannung zwischen P und MPL proportional wäre. Infolge des einseitig leitenden Strompfades 8, 9 kann sich aber an der Kapazität 7» solange die Thyristoren 1 und 2 sperren, keine Ladung summieren, da dann praktisch am Kondensator eine reine symmetrische Wechselspannung liegt. Solange also kein Verbraucherstrom fließt und keine Spannung am Verbraucher 3 ansteht, entsteht am Parallel-RC-Glied keine Spannung. Sind aber die Thyristoren 1 und 2 stromdurchlässig, so nimmt der Punkt A zwischen dem Wechselstromsteller 1, 2 und dem Ver-■ braucher 3 ständig etwa das Potential des Mittelpunktleiters MPL an. Zum Parallel-RC-Glied 5, 7 ist dann der Widerstand 9Of the resistors of the arrangement, the voltage divider resistor 5 and the resistor 9 in the cross-current path are high-resistance, z. B. a few hundred kOhm and the same size. The voltage divider resistor 6 is low compared to these resistors, but large compared to the consumer resistance 3. I 1 Ur the charging and discharging of the capacitance 7, the time constant R, - x G:, -, of the parallel RC element is decisive in this voltage divider. This time constant should be large compared to the period of the network. Since the time constants for charging and discharging the capacitance 7 are the same, without the cross-current path 8, 9, as is known, a direct voltage would be formed across the capacitance 7, which would be proportional to the mean value of the alternating voltage between P and MPL. As a result of the current path 8, 9, which is conductive on one side, no charge can accumulate on the capacitance 7 »as long as the thyristors 1 and 2 block, since a pure symmetrical alternating voltage is then practically applied to the capacitor. So as long as there is no load current flowing and no voltage is present at load 3, no voltage is generated on the parallel RC element. If, however, the thyristors 1 and 2 are current-permeable, point A between the alternating current controller 1, 2 and the consumer 3 constantly assumes approximately the potential of the midpoint conductor MPL. The resistor 9 is then connected to the parallel RC element 5, 7
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- 6 - IBE 69A- 6 - IBE 69A
ständig parallelgeschaltet. Während Thyristor 2 stromdurchlässig ist, ändert sich dadurch an der Spannungsteilung im wesentlichen nichts. Ist dagegen der Thyristor 1 stromdurchlässig, dann sind die Gleichrichterdioden 4- und 8 durch die Verbraucherspannung gesperrt, und die Kapazität 7 kann sich nur über den Widerstand 6 entladen. Die Zeitkonstante RgCr7 ist aber im vorliegenden Fall groß gegenüber der der Wechsel-Spannungsperiode gewählt, so daß mit jeder Halbperiode, in der der Thyristor 2 den Verbraucherstrom führt, die Spannung am Parallel-RC-Glied 6, 7 mit der angedeuteten Polarität etwas zunimmt, bis schließlich nach einer bestimmten Anzahl von Wechselstromperioden die Spannung stationär wird mit einer Größe, die im Verhältnis der Spannungsteilung den Mittelwert der Verbraucherwechselspannung proportional ist.constantly connected in parallel. While thyristor 2 is current-permeable, this changes essentially nothing in the voltage division. If, on the other hand, the thyristor 1 is current-permeable, the rectifier diodes 4 and 8 are blocked by the consumer voltage, and the capacitance 7 can only discharge via the resistor 6. The time constant RgCr 7 is selected to be large compared to that of the alternating voltage period, so that with each half period in which the thyristor 2 carries the load current, the voltage at the parallel RC element 6, 7 increases slightly with the indicated polarity , until finally, after a certain number of alternating current periods, the voltage becomes stationary with a magnitude that is proportional to the mean value of the consumer alternating voltage in the ratio of the voltage division.
Der Proportionalitätsfaktor bestimmt sich in erster Näherung aus den Voraussetzungen, daß R5 - R8»Re R5 » R3 und R6G7 » T, worin R^ die Widerstandswerte der mit den Bezugszeichen ^ bezeichneten Widerstände, Cr7 die Größe der Nebenschlußkapazität 7 und T die Dauer einer Wechselstromperiode bedeuten.The proportionality factor is determined as a first approximation from the prerequisites that R 5 - R 8 »Re R 5 » R 3 and R 6 G 7 »T, where R ^ the resistance values of the resistors denoted by the reference symbol ^, Cr 7 the size of the Shunt capacitance 7 and T mean the duration of an alternating current period.
Es folgt daraus, daß im Stromzweig 4, 5 ein GleichstromIt follows that in the branch 4, 5 a direct current
Uw
Ixt ■ 1/2 " TT- und im Querstromzweig 8, 9 ein GleichstromEtc.
Ixt ■ 1/2 "TT and in the cross-flow branch 8, 9 a direct current
I2 - 1/2 · ψ- fließt,I 2 - 1/2 ψ- flows,
so daß im Widerstand 6 der Gleichstrom I3 » I^ -I2- pr~~ ^t, beträgt, welcher eine Meßspannung U^ ■ T7. · R,- ■ ^6 ^j hervorruft.so that in the resistor 6 the direct current is I3 »I ^ -I 2 - pr ~~ ^ t , which is a measurement voltage U ^ ■ T 7 . · R, - ■ ^ 6 ^ j causes.
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Um Fehler infolge nicht genau gleicher Widerstände Rc, Rg zu vermindern, kann zwischen dem Querstrompfad 8, 9 und dem RC-Glied 6, 7 sin zusätzlicher Spannungsteilerwiderstand 5' eingefügt werden.To avoid errors due to not exactly equal resistances Rc, Rg to decrease, can between the cross flow path 8, 9 and the RC element 6, 7 sin additional voltage divider resistance 5 'can be inserted.
Unter der Voraussetzung, daß R1-, Rg Xs R5« sind, ergibt sich bei an Klemme KI. positiver Spannung der StromAssuming that R 1 -, Rg Xs R 5 «, we get at at terminal KI. positive voltage the current
I+- U5'>6 m U2 + 1/2 U3
y Rc ι r>_ .I + - U 5 '> 6 m U 2 + 1/2 U 3
y Rc ι r> _.
und bei an Klemme K2 positiver Spannung der Stromand if the voltage at terminal K2 is positive, the current
U2
3U 2
3
so daß sich für eine gesamte Wechselstromperiode der Stromso that for an entire alternating current period the current
τ -I+-I-- , ergibt, welcher am Widerstand 6 eine X3 1I LJ 4R^ & ' τ -I + -I - -, results in which at resistor 6 an X 3 1 I L J 4R ^ & '
MeßspannungMeasuring voltage
ττ fi
M * ττ fi
M *
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1 09825/06971 09825/0697
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