DE19536782A1

DE19536782A1 - Schaltungsanordnung für ein Strommeßrelais

Info

Publication number: DE19536782A1
Application number: DE1995136782
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr Ing Ermisch; Klaus Dr Ing Eckholz; Karsten Dr Ing Viereck
Original assignee: AEG Tro Transformatoren und Schaltgeraete GmbH
Current assignee: AEG Schorch Transformatoren GmbH
Priority date: 1995-09-21
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2015-09-22
Also published as: DE19536782C2

Description

Das technische Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Strommeßrelais für aktive Schaltgeräte.

Stand der Technik

Aktive Schaltgeräte benötigen für ihren Betrieb Hilfsenergie. Für die Speisung dieser Einrichtungen aus dem stromdurchflossenen Leiter ist die Verwendung von Sättigungswandlern bekannt (Ermisch: Diss, B. TU Dresden, 30.03.84).

Problematisch ist hierbei die Dimensionierung der dem Sättigungswandler nachgeschalteten Aufbereitungsbaugruppe für die Hilfsspannungen. Weiterhin ist aus der DD-PS 2 25 538 (HO1F, 40/00) eine Hilfsenergiever sorgungseinrichtung für elektronische Baugruppen bekannt, die nach dem Prinzip eines kapazitiven Teilers aufgebaut ist. Hierbei dient eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren und zwei Transformatorenprimär teilwicklungen gleichzeitig zur Spannungsteilung und zur Hilfsenergiebereit stellung, wobei zwischen Hochspannungs- und Niederspannungskondensator die Primärwicklungen des Transformators angeordnet sind, der mindestens eine Sekundärwicklung für die Entnahme der Energie für die Meßwertverarbei tung besitzt. Die Windungszahlen der Teilprimärwicklungen verhalten sich umgekehrt proportional zu den Werten der Kapazitäten der Kondensatoren. Mit dieser Anordnung, die eine Integration der Funktionen Energiebereit stellung und Meßwertbereitstellung ineinander bewirken soll, ist eine Meßwertverfälschung jedoch nicht zu vermeiden.

Eine zu der soeben beschriebenen Einrichtung analoge Einrichtung zur Hilfsenergiebereitstellung ist der DD-PS 2 66 894 (HO2J, 13/00) zu entnehmen. Hier besteht ein Sensor aus einem gemischten Teiler aus einem Oberspannungskondensator, einem Transformator mit einer angezapften Primärwicklung und einer Sekundärwicklung und einem Unterspannungskondensator. An die Anzapfung der Primärwicklung ist ein Verstärker für die Meßwertverarbeitung und an die Sekundärwicklung ist eine Schaltung zur Hilfsenergiebereitstellung angeschaltet. Auch hier ist durch die Hilfsenergiebereitstellung eine Meßwertverfälschung nicht zu vermeiden.

Schließlich ist aus der DD-PS 2 34 746 (HO1F, 40/02) eine Schaltungs anordnung für eine autarke Hilfsenergiebereitstellung bekannt, bei der ein induktiver Meßwertübertrager vorgesehen ist, der zwei Sekundärwicklungen besitzt. An der ersten Sekundärwicklung liegt ein Diac, ein Gleichrichter und ein Kondensator, an dem die Hilfsenergie abgegriffen wird. Das Diac liefert einen Zündimpuls für ein Triac im Kreis der zweiten Sekundär wicklung, welches einen Widerstand an diese zweite Sekundärwicklung anschaltet, wobei die Spannung am Widerstand als Repräsentant für den Meßwert dient. Die Aussteuerung des Triac erfolgt so, daß der Strom im Sekundärkreis der zweiten Sekundärwicklung und damit im Widerstand nur im Bereich des Maximalstromes fließt, während im Bereich des Nullpunktes des Primärstromes der Kondensator der Hilfsenergiebereitstellung geladen wird. Damit ist eine kontinuierliche Meßwertüberwachung nicht möglich, d. h. sie wird nahe dem Nullpunkt des Primärstromes unterbrochen. Wenn auch in diesem Zeitbereich kaum Überströme auftreten, ist diese Anordnung für Fälle, bei denen eine kontinuierliche Meßwertüberwachung erforderlich oder wünschenswert ist, nicht einsetzbar.

Das technische Problem

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für ein Strommeßrelais anzugeben, bei der die Hilfsenergieversorgung in einem weiten Bereich des Primärstromes, d. h. von Bruchteilen bis zu einem vielfachen desselben gewährleistet ist, bei der ferner ein schnelles Einschwingen der Hilfsspannung in einem Bruchteil der Periodendauer selbst bei Primärströmen kleiner 5 Prozent gesichert ist, die außerdem resistent gegenüber Transienten ist und die keine Verlustleistungen im zu speisenden Gerät durch die Hilfsenergiebaugruppen verursacht.

Lösung des technischen Problems

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe durch die im ersten Patentanspruch angegebenen technischen Mittel gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die in den Patentansprüchen 2 und 3 dargelegten technischen Mittel beschrieben.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für ein Strommeßrelais ohne zusätzliche Hilfs energiequelle.

Die Sekundärwicklung eines Sättigungsstromwandlers 1 ist an eine Gleichrichterbrücke 2 angeschlossen. Parallel zu dieser Brücke ist ein Feldeffekttransistor 3 geschaltet. Der Feldeffekttransistor 3 wird von einem Komparator 4 angesteuert. An die Eingänge des Komparators 4 sind einerseits eine Z-Diode 5 mit einem Vorwiderstand 6, anderseits ein Teiler 7, 8 angeschaltet.

An dem positiven Ausgang der Gleichrichterbrücke 2 und einen Kondensator 10 ist eine Diode 9 geschaltet. Über die Klemmen des Kondensators 10 ist eine Schaltung zur Spannungssymmetrierung 11 angeschaltet. Die bis jetzt genannten Elemente stellen die Hilfsenergieversorgung 12 des Strommeßrelais dar.

Einen zweiten Wandler 13, der mit einem Element zur Überspannungs begrenzung 14 und einem Widerstand 15 bebürdet, ist ein Gleichrichter 16 nachgeschaltet. Dieser Gleichrichter 16 arbeitet auf Komparatoren 17, 18, 19 die auch an eine Spannungsreferenz 20 über ein Potentiometer 21 angeschlossen sind. Ein Eingang des Komparators 17 ist über ein Potentiometer 22 an den Gleichrichter 16 angeschlossen. An die Ausgänge der Komparatoren 17, 18, 19 sind. Widerstände 23, 24, 26 und 27 eine Diode 25 und ein Transistor 28, der ein Relais 29 mit Schutzdiode 30 treibt, angeschlossen. Die Elemente 13 bis 30 bilden die Schaltung des Strommeßrelais 31.

Wenn ein Primärstrom durch den Sättigungswandler 1 fließt, so wird der Kondensator 10 über die Diode 9 aufgeladen. Bis zum Erreichen der Schalt schwelle des Komparators 4 ist der der Gleichrichterbrücke 2 parallel geschaltete Feldeffekttransistor 3 gesperrt und der gesamte Strom steht als Ladestrom für den Kondensator 10 zur Verfügung. Die Schaltschwelle des Komparators 4 wird durch die Durchbruchspannungen der Z-Diode 5 bestimmt. Bei Überschreiten der Grenzspannung schaltet der Komparator 4 und der Feldeffekttransistor 2 wird leitend. Ab diesem Zeitpunkt arbeitet der Sättigungswandler 1 als bebürdeter Stromwandler mit kleiner Bürde. Der Kondensator 10 ist über die Diode 9 von der Gleichrichterbrücke 2 abgetrennt und wird somit durch den leitenden Feldeffekttransistor 3 nicht entladen. Die Entladung findet nur durch den Innenwiderstand der angeschlossenen Schaltung statt. Nach Unterschreiten der unteren Schaltschwelle des Komparators 4 sperrt der Feldeffekttransistor 3 wieder. Damit steht am Kondensator 10 eine konstante Spannung, die höchstens um Wert der Schalthysterese des Komparators 4 schwankt, zur Verfügung. Alle der Diode 9 nachgeschalteten Bauelemente werden maximal mit der Betriebsspannung der angeschlossenen Schaltung belastet.

Zu beachten ist aber, daß die Strombelastbarkeit so hoch angesetzt wird, daß Impulsströme bis zum Ansprechen der Spannungsbegrenzung sicher von den Bauelementen (vor allem Gleichrichterbrücke 2 und Feldeffekttransistor 3) getragen werden können.

Mit der Schaltung zur Spannungssymmetrierung 11 wird die über dem Kondensator liegende Spannung symmetriert. Für die Speisung der Schaltung des Strommeßrelais 31 steht nun eine symmetrische Spannung mit einem schwebenden Bezugspotential, welches elektronisch an einem Bezugspunkt mit geringer Beeinflussung von der Seite des Sättigungs wandlers her, angekoppelt werden kann, zur Verfügung. Dabei ist dieser Bezugspunkt der Ausgang der Schaltung zur Spannungssymmetrierung 11.

Der durch den Sättigungswandler 1 fließende Strom fließt auch durch den Wandler 13. Über den Widerstand 15 steht eine stromportionale Spannung zur Verfügung. Eine Pegelbegrenzung wird durch ein Element zur Überspannungsbegrenzung z. B. eine Supressordiode 14 vorgenommen.

Nach der Gleichrichtung der Spannung über dem Widerstand 15 mit dem Gleichrichter 16 steht an dessen Ausgang eine stromproportionale Gleichspannung zur Verfügung. Die Schaltung mit den Komparatoren 17, 18 und 19 erlaubt das Einstellen von einander unabhängigen Schaltschwellen. Wenn die Spannung am Ausgang des Gleichrichters 16 genau so groß ist wie die Referenzspannung, gemessen am Schleifer des Potentiometers 21, nimmt der Ausgang des Komparators 19 tiefes Potential ein. Damit ist die Diode 25 in jedem Fall gesperrt. Der Komparator 17 führt an seinem Ausgang noch hohes Potential, da die Spannung an seinem invertierenden Eingang auf Grund der Spannungs teilung mittels Potiometer 22 noch kleiner ist als die Referenzspannung. Mithin herrscht am Ausgang des Komparators 18 auch hohes Potential, weil über den Widerstand 24 der nichtinvertierende Eingang auf hohem Potential liegt. Eine Zusammenschaltung der Komparatoren 17 bis 19 in der gezeigten Weise ist zulässig, wenn diese über einen "open-Collector"- Ausgang verfügen. Steigt der Strom im Primärleiter an und erreicht dadurch die Spannung am Abgriff des Potentiometers 22 die Referenz spannung am nichtinvertierenden Eingang des Komparators 17, so wechselt dessen Ausgangspotential von High nach Low. Damit wird der Transistor 28 leitend und das Relais 29 zieht an. Weil nun aber der Ausgang des Komparators 17 Low-Potential führt, wechselt auch der Komperator 18 von High nach Low wegen des Unterschreitens der Referenzspannung an seinem nichtinvertierenden Eingang. Durch diese Latch-Schaltung ist gewährleistet, daß auch bei Absenkung des Potentials am invertierenden Eingang des Komperators 17 unter die Referenzspannung das Relais 29 weiter angezogen bleibt. Sinkt allerdings die Spannung soweit, daß am invertierenden Eingang des Komparators 19 die Referenzspannung unterschritten wird, so wechselt das Potential an dessen Ausgang von Low nach High. Damit wird die Diode 25 leitend und steuert jetzt auch den Komparator 18 um. An dessen Ausgang liegt jetzt hohes Potential und das Relais 29 fällt ab.

Während der Phase, in der das Relais 29 angezogen ist, wird der Schaltung zur Hilfsenergieversorgung 12 auch mehr Leistung abverlangt. Diese Mehr leistung wird durch Veränderung des Schaltverhältnisses des Feld effekttransistors 3 erreicht, so daß auch in diesem Betriebszustand die Höhe der Versorgungsspannung gleich bleibt.

Bezugszeichenliste

Sättigungsstromwandler 1
Gleichrichterbrücke 2
Feldeffekttransistor 3
Komparator 4
Z-Diode 5
Vorwiderstand 6
Teiler 7
Teiler 8
Diode 9
Kondensator 10
Schaltung zur Spannungssymmetrierung 11
Hilfsenergieversorgung 12
zweiter Wandler 13
Element zur Überspannungsbegrenzung 14
Widerstand 15
Gleichrichter 16
Komparatoren 17,
Komparatoren 18
Komparatoren 19
Referenzspannungsquelle 20
Potentiometer 21
Potentiometer 22
Widerstand 23
Widerstand 24
Diode 25
Widerstand 26
Widerstand 27
Transistor 28,
Relais 29
Schutzdiode 30
Strommeßrelais 31

Claims

1. Schaltungsanordnung für ein Strommeßrelais mit induktiver Ankopplung für die Meßwertverarbeitung und die Hilfsenergie bereitstellung, dadurch gekennzeichnet,

- daß zwei induktive Wandler (1; 13) vorgesehen sind, von denen der Wandler (13) zur Meßwertbereitstellung als bebürdeter Strom wandler mit nachgeschaltetem Gleichrichter (16) geschaltet ist und der andere Wandler (1) zur Hilfsenergiebereitstellung ein Sättigungsstromwandler mit einem zugeordneten Komparator (4) ist,
- daß dem Wandler (1) zur Hilfsenergiebereitstellung ein Gleichrichter (2) nachgeschaltet ist und diesem Gleichrichter (2) ein Schalter (3) parallel liegt, der an den Komparator (4) angeschaltet ist,
- daß ferner an den Gleichrichter (2) ein weiterer Gleichrichter (9) und ein Kondensator (10) angeschaltet sind,
- und daß dem Gleichrichter (16) des Stromwandlers (13) mindestens ein Komparator mit einstellbarer Schaltschwelle nachgeschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung für ein Strommeßrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß zu dem an den Gleichrichter (2) der Hilfsenergiebereitstellung angeschalteten Kondensator (10) eine Schaltung zur Spannungssymmetrierung (11) parallel liegt.

3. Schaltungsanordnung für ein Strommeßrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß dem Gleichrichter (16) des Stromwandlers (13) zur Meßwertbereitstellung drei Komparatoren (17 bis 19) nachgeschaltet sind, deren einer Eingang über einen einstellbaren Widerstand (21) an eine Spannungsreferenz (20) angeschaltet ist, während die noch unbeschalteten Eingänge des ersten und dritten Komparators (17; 19) über einen einstellbaren Widerstand (22) bzw. direkt mit dem Ausgang des Gleichrichters (16) verbunden sind,
- daß die Ausgänge zweier Komparatoren (17, 18) zusammengeschaltet über einen Treibertransistor (28) ein Strommeßrelais (29) ansteuern,
- und daß der Ausgang des dritten Komparators (19) über eine Diode (25) mit dem noch unbeschalteten Eingang des zweiten Komparators (18) verbunden ist.