DE2014089A1 - Schaltung zur Erzeugung eines dem Nulldurchgang eines Wechselstromes um eine konstante Zeit voreilenden Ausgangssignals - Google Patents

Description

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I-T-E CIECUIT EHEiVKSS COLIPANY
Philadelphia (USA)

Mein Zeichen: VPA 70/8380 Wss/Lo

19. März 1970

Schaltung zur Erzeugung eines des ITuIIdurchgang eines Wechselstromes um eine konstante Zeit voreilenden Aussangssi.q

Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden USA-Anmeldung Serial No. 811 815 vom 1.4.1969 beansprucht.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Erzeugung eines dem Nulldurchgang eines Wechselstromes unreine konstante Zeit (Voreilzeit) voreilenden Ausgangssignals.

Schaltungen· dieser Art sind z. B. aus den USA-Patentschriften· 3 388 361 und 3 315 169 bekannt. Hierbei v;ird das voreilende Ausgangssignal aus dem Nulldurchgang-eines, elektrischen oder magnetischen Hilfssignals abgeleitet, das aus einem dem zu überwachenden Strom proportionalen ersten Teilsignal, und einem dessen zeitlicher Ableitung proportionalen zweiten Teilsignal additiv zusammengesetzt ist. Von besonderer Bedeutung sind diese Schaltungen für den Betrieb von Synchronschaltern, bei denen die Trennung der Kontakte kurz vor dem Nulldurchgang des abzuschaltenden Stromes erfolgen soll.

Wenn der zu überwachende Strom die Form einer reinen Sinuswelle

iici G , ijü ο üciö CiJiJ Uc'ti üciUbli f^cij ciliii L LIi i ti i-LSi^iI ca .Lcli ZUucuiiiiiciigesetzte Hilfssignal eine Wellenform, die dem zu überwachenden Strom um einen gegebenen Winkel voreilt, wobei dieser Winkel von den relativen Amplituden der beiden Teilsignale abhängt. Durch weitere geeignete Schaltungsmittel kann aus dem NuIldurchgang des HilfssjLgnals ein Ausgangssignal abgeleitet werden,

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das um eine gegebene Zeit (Voreilzeit) vor dem ilulldurchgang des zu überwachenden Stromes liegt.

Eine derartige Schaltung ist für symmetrische V'echselströme ausreichend; ist dagegen der zu überwachende Strom unsymmetrisch, so erscheint das äusgangssignal nicht zu einer bestimmten Zeit vor dem Stromnulldurchgang. Ferner kann auch dann ein Ausgangssignal erzeugt werden, wenn der zu überwachende Strom wieder ansteigt, ohne durch Hull zu gehen. Im einzelnen ist die Zeit zwischen dem Ausgangssignal und dem Stromnulldurchgang vor einer kurzen Halbzelle langer und vor einer langen Halbwelle kürzer. '.Venn ein Synchronschalter einen asymmetrischen Strom unterbrechen soll, kann es daher vorkommen, da2 der Schalter zu spät nach dem Stromnulldurchgang oder zu früh vor dem Stromnulldurchgang öffnet. Ferner kann die Schaltung auch dann ein Gffnungssignal für den Schalter erzeugen, wenn der asymmetrische Strom wieder ansteigt, ohne den riullwert erreicht zu haben. Da Synchronschalter so gebaut sind, da2 sie den Strom nur kurz vor dem Ilulldurchgang unterbrechen kennen, kann unter den genannten Umständen der Schalter und der durch ihn geschützte Stromkreis beschädigt werden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 463 586 ist es bekannt, die bei unsymmetrischen Strömen auftretenden Fehler durch eine zusätzliche voreilende Phasenverschiebung des der zeitlichen Ableitung des Wechselstromes proportionalen zweiten Teilsignals zu kompensieren. Hierzu ist in einem Stromkreis, der einen der zeitlichen Ab^eit¹^⁷¹ des V^f? oh· se ^ ntromes Droportions] ??n Strom führt, die Parallelschaltung eines 7/iderstandes und eines Kon-⁴ densators angeordnet.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, bei einer Schaltung der zuletzt genannten Art die Konstanz der Voreilzeit bei un-

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symmetrischen Wechselströmen zu erhöhen und die Erzeugung eines Ausgangssignals ganz zu verhindern, wenn der zu überwachende Wechselstrom wieder ansteigt, ohne durch KuIl gegangen zu se^n. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelost, da2- die zusätzliche Phasenverschiebung des zweiten Teilsi^nals etwa gleich der Hälfte der Voreilzeit ist. ,

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Im einzelnen zeigen:

Die Figuren 1a bis Id die Wirkungsweise bekannter Schaltungen, bei denen das zweite Teilsignal keine .zusätzliche Phasenveschiebung aufweist;

die Figuren 2a bis 2d dieWirkungsweise der vorliegenden Erfindung;

die Figur 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Magnetkreis zur Addition der Teilsignale verwendet iot;

Fig. A ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei den die Signale elektronisch verarbeitet werden.

Die Figuren 1a bis Id zeigen die Wirkungsweise einer Schaltung, wie sie beispielsweise aus der USA-Patentschrift 3 388 561 bekannt ist. Bei dieser Schaltung werden zwei Teilsicnale von dem zu überwachenden Wechselstrom abgeleitet. Das erste, sit Sj bezeichnete Teilsignal ist proportional dem zu überwachenden Strom* das zweite init S*- bft^sichnfits' TeJlsiTiH.! ist. ^TOfC'tiona der zeitlichen Ableitung des zu überwachenden Stromes. Die 3umme der beiden Teilsignale ergibt das resultierende flilfssignal S. Das resultierende Hilfssignal S wird einer geeigneten Schaltung zugeführt, durch die ein Ausgangssignal P erzeugt wird, wenn ' das Hilfssignal S durch Hull geht. In Fig. 1a ist der zu über-

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wachende Strom ein symmetrischer Sinusstrom (Kurve S-j). Hierbei geht das Hilfssignal S zu einer festen Zeit tjr durch Null, bevor das Teilsignal S₁ durch Hull geht. Diese Voreilzeit t_K kann durch Bemessung der relativen Amplituden der Teilsignale S-j und $£ bestimmt werden.

Wenn jedoch, wie in Fig. 1b gezeigt, der zu überwachende Strom asymmetrisch ist, also eine Gleichstromkomponente hat, vergrößert sich die Zeit t_v vor einer kurzen Halbzelle 10, während sie sich vor einer langen Halbv/elle 11 verkürzt. Die Ausgangssignale P werden daher nicht mehr zu einer bekannten Zeit vor dem nächsten Stromnulldurchgang erzeugt.

Diese .\bv;eichun_fr ist um so größer, je mehr die Gleichstromkomponente wächst, wie aus Fig. 1c hervorgeht. Schließlich, wenn die Gleichstromkomponente sogrcß ist, daß der Strom nicht mehr durch Null geht, kann die Schaltung noch falsche Ausgangssignale erzeugen, so da£ ein Synchronschalter bei relativ hohen Momentanströmen ausgelöst wird (Fig. 1d).

Wie später anhand der Figuren 2a bis 2d gezeigt werden wird, erzeugt die Schaltung nach der Erfindung eine konstante Voreilzeit des Ausgan~ssignals, unabhängig von der Syiimetrie des zu überwachenden stromes (Figuren 2a bis 2c). Trenn der Strom den liullwert nicht erreicht, v/erden auch keine Ausgangssignale erzeugt (Fig. 2d).

Die in .-ig. 3 dargestellte Ausführungsform der £riinaung ist eine At ;·: α η dl u η _;~ ier .Anordnung nach der USA-Patentschrift 3 355 KA. ZiTi .'.^.Tnet^ern 20, der aus lamelliertem Transformator-GiccTi ":.(.·.:ieher, kann, ist mit einer 7i'ic>lurr; 21 versehen. Der Lei;·;; ..?., dor ·.:. :ί üLc-rY/achendtn .'Jtrom führt, i:;l in <]ar

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.23, 24 und 25 versehen, die eine Sättigung des Kerns bei den höchsten in Betracht kommenden Momentanwerten des Stromes i im Leiter 22, verhüten.

Der Kern 20 besitzt ferner einen Arbeitsluftspalt 26; in die Polflächen des Spaltes 26 erstreckt sich ein Hohlraum 27. Der Hohlraum 27 ist durch einen Steg 28 mit kleinem Querschnitt, der aus sätHgbarem magnetischem Material besteht, überbrückt. Der Steg 28 kann aus Blechen eines Materials geschichtet sein, das eine rechtwinklige Hysteresisschleife aufweist, so daß, wenn sein magnetischer Fluß sich umkehrt, ein scharfer Spannungsimpuls in einer den Steg 28 umgebenden Wicklung induziert wird. " Der Steg 28 trägt zwei Wicklungen- 29 und 30; die Wicklung 30 hat Ausgangsanschlüsse 31 und 32, an denen die Ausgangssignale P. nach den Figuren 2a bis 2d auftreten.

Die Wicklung 29 liegt in Eeihe mit der Wicklung 21 und ferner mit einem 'Widerstand 33 und einem Kondensator 34. Die Werte des Widerstandes 33 und des Kondensators 34 sind so gewählt, daß sie in dem Strom ±2* der in der Reihenschaltung fließt, eine Phasenverschiebung - co — erzeugen, wobei ~-r die Frequenz des Stromes i und t^ die Voreilzeit ist, d. h. die Zeitdifferenz zwischen dem an den Anschlüssen 31 und 32 auftretenden Ausgangssignal P und dem folgenden imlldurchgang des Stromes

Der Strom i.induziert in Kern 20 einen Fluß wechselnder Pachtung, der im wesentlichen durch, die Gegenwart des Steges 28 unbeeinflußt ist, im Hinblick auf den relativ kleinen Querschnitt des Steges 28, verglichen mit dem Querschnitt _t des Kerns 20 und des Luftspaltes 26. Dieser Fluß wird such durch den Steg 28 geleitet und bildet hier das erste Teilsignal' Sj¹ nach den Figuren 2a bis 2d, das den Strom i proportional ist.

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Der veränderliche Fluß im Kern 20 induziert außerdem eine Spannung in der Wicklung 21, durch die ein Strom I2 durch die Wicklungen 21 und 29 verursacht wird. Durch geeignete Wahl dejr Windungszahlen der Wicklungen 21 und 29 kann die Amplitude der magnetischen Spannung, die durch die Wicklung 29 dem Steg 28 aufgeprägt wird, so bestimmt werden, daß sie sich um den Faktor 2 sin (ω -^) von der Amplitude der magnetischen Spannung unterscheidet, die dem Steg 28 durch den Strom i aufgeprägt wird. Demnach stellen die magnetische Spannung, -die dem Steg 28 durch die Wicklung 2a aufgeprägt wird, und der Strom I2 das Teilsignal $2 der Figuren 2a bis 2d dar. Die gesamte magnetische Spannung des Steges 26 wird durch das Signal S¹ der Figuren 2a bis 2d wiedergegeben; dieses Signal S' geht zu einer festen Zeit tjf vor jedem Nulldurchgang des Stromes i durch Null, unabhängig davon, ob dieser Strom symmetrisch (?ig. 2a) oder asymmetrisch (Figuren 2b und 2c) ist. '.Venn der Strom i nicht durch Null geht (Fig. 2d), so geht auch das Signal S'' nicht durch Null, so daß in der Wicklung 30 kein Ausgangssignal erzeugt wird.

In Fig. 4 ist eine elektronische Schaltung zur Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der zu überwachende Strom i wird durch die Primärwicklung 49 eines Transformators 50 geleitet. Die Spannung an der Sekundärwicklung 51 ist proportional zu di/dt. Die Wicklung 51 liegt in Keine mit den Widerständen und 53 und den Eingangsanschlüssen 54 und 55 eines Operationsverstärkers 56. Der Vtiderstandswert des Widerstandes 53 ist wesentlich kleiner als der des Widerstandes 52. Der niderstand 52 kann bcic-piolsv/eiGe 120 kOhm und der Widerstand 53 4 kOhm betragen. Die Eingangsspannung des Operationsverstärkers 56 ist so gewählt, daß sie gegenüber dem Spannungsabfall am Widerstand 52 vernachlässigbar ist, so da£ die Bürde am Transformator 50 praktisch ausschließlich durch den V/iderstand 52 gebildet wird. Der Sekundärstrom 12 ist daher proportional der Sekundärspannung der Wicklung 51 und zu di/dt.

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Der Operationsverstärker 56 ist mit einem Rückkopplungskondensator 60 versehen. Der Ausgangsstrom I^,,der an den Anschlüssen 61 und 62 des Verstärkers 56 abgenommen wird, fließt durch die Reihenschaltung eines Widerstandes 63 und einer Y'icklung 64, die auf einem sättigbaren Kern 65 angeordnet ist. Der Strom i^ ist proportional dem Strom i, da der Operationsverstärker 56 und der Bückkopplungskondensator 60 den Strom ±2 integrieren. Die dem Kern 65 aufgeprägte magnetische Spannung entspricht daher dem Signal Sj nach den Figuren 2a bis 2d.

An den Enden des Widerstandes 53 ist ferner ein Stromkreis an-

geschlossen» der den Kondensator 70 und die 7/icklung 71 auf den Kern 65 umfaßt. In diesem Stromkreis fließt der Strom i?. Der

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Strom i* eilt des Strom I2 um die Zeit γ- voraus; diese Zeit hängt ab vom -Wert des Kondensators 70, z. B. 2,1 /uF, woraus. sich mit dem Widerstand 53 eine zusätzliche voreilende Phasenverschiebung von 0,8 ms ergibt.

Der Strom i* prägt dem Kern 65 eine magnetische Spannung auf, die dem Signal S2' der Figuren 2a bis 2d entspricht. Wenn die Summe der dem Kern 65 aufgeprägten -magnetischen Spannungen durch Null geht, tritt eine steile Plu£Snderung im Kern 65 und damit · an der Ausgangswicklung 72 ein Spannungsimpuls auf, der das Ausgangssignal P bildet, rie es in/den Figuren 2a bis 2d dargestellt ist. -

A Ansprüche
A Figuren

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Claims (3)

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   Patentansprüche

   1 J Schaltung zur Erzeugung eines dein Nulldurchgang eines Wechselstromes um eine konstante Zeit (Voreilzeit t^) voreilenden x'hjsgangssignals (P) durch Ableitung aus dein Nulldurchgang eines Hilfssignals (S, S¹), das aus einem dem zu überwachenden Stron^proportionalen ersten Teilsignal (S^, S^¹) und einem dessen zeitlicher Ableitung proportionalen zweiten Teilsigra 1 (S2» S2¹) additiv zusammengesetzt ist, wobei das zweite Teilsignal eine zusätzliche voreilende Phasenverschie-r bung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Phasenverschiebung etwa gleich der Hälfte der Voreilzeit (tg) ist.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des zweiten Teilsignals (S2¹) ein Stromkreis dient, in dem eine der zeitlichen Ableitung des zu überwachenden Stromes (i) proportionale Spannung herrscht und der eine Reihenschaltung aus einem ohmschen V/iderstand (33) und einem Kondensator (34) enthält.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen von dem zu überwachenden Strom durchsetzten ringförmigen Magnetkern (20) mit mehreren Luftspalten (2$, 24, 25), wobei ein Arbeitsluftspalt (2G) durch einen magnetisierbaren Steg (28) kleineren Querschnitts überbrückt ist, ferner durch eine auf dem Magnetkern (20) und dem Steg (28) angeordnete VJicklung (21), die eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand (33) und einem Kondensator (34) enthält, und weiterhin eine auf dem Steg (26) angeordnete Wicklung (30) zur Abnahme des Ausgangssignals (P).

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   .4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im •Zuge des den zu überwachenden Strom (i) führenden Leiters ein Transformator (50) angeordnet ist, an dessen Sekundärwicklung (51) eine der zeitlichen Ableitung des Stromes (i) proportionale Spannung abgenommen und über einen ohmschen Widerstand (52, 53) dem Eingang eines integrierenden Operationsverstärkers (56) zugeführt wird, ferner gekennzeichnet durch einen an einem Teil (53) des Widerstandes angeschlossenen, einen Kondensator (70) enthaltenden v/eiteren Stromkreis, wobei der Ausgangsstromkreis des Operationsverstärkers und der weitere Stromkreis Primärwicklungen (64, 71) eines Sättigungsv/andlers (65) enthalten, an dessen Sekundärwicklung (72) das Ausgangssignal (P) abgenommen wird.

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