DE2014089B2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung ' eines dem Nulldurchgang eines Wechselstromes um eine konstante Zeit voreilenden Ausgangssignals - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanord- ω nung zur Erzeugung eines dem Nulldurchgang eines Wechselstromes um eine konstante Zeit (Voreilzeit (κ) voreilenden Ausgangssignals aus dem Nulldurchgang eines Hilfssignals, das aus einem dem zu überwachenden Wechselstrom proportionalen ersten Teilsignal und einem dessen zeitlicher Ableitung proportionalen zweiten Teilsignal additiv zusammengesetzt ist, wobei das zweite Teilsignal eine zusätzliche voreilende Phasenverschiebung aufweist. Eine derartige Schaltungsanordnung ist bekannt (DE-OS 14 63 586). Schaltungsanordnungen dieser Art sind von besonderer Bedeutung 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 hat, hat ein aus den beiden genannten Teilsignalen ohne zusätzliche Phasenverschiebung zusammengesetztes Hilfssignal eine Wellenform, die dem zu überwachenden Strom um einen gegebenen Winkel voreilt, wobei dieser Winkel von den relativen Amplituden der beiden Teilsignale abhängt. Eine derartige Schaltung, wie sie beispielsweise aus der US-Patentschrift 33 88 361 bekannt ist, ist für symmetrische Wechselströme ausreichend; ist dagegen der zu überwachende Strom unsymmetrisch, so erscheint das Ausgangssignal nicht zu einer bestimmten Zeit vor dem Stromnulldurchgang. Im einzelnen ist die Zeit zwischen dem Ausgangssignai und dem Siromnuiidurchgang vor einer kurzen Halbwelle langer und vor einer langen Halbwelle kürzer. Wenn ein Synchronschalter einen asymmetrischen Strom unterbrechen soll, kann es daher vorkommen, daß der Schalter zu spät nach dem Stromnulldurchgang oder zu früh vor dem Stromnulldurchgang öffnet Ferner kann die Schaltung auch dann ein Öffnungssignal für den Schalter erzeugen, wenn der asymmetrische Strom wieder ansteigt, ohne den Nullwert erreicht zu haben. Da Synchronschalter so gebaut sind, daß sie den Strom nur kurz vor dem Nulldurchgang unterbrechen können, kann unter den genannten Umständen der Schalter und der durch ihn geschützte Stromkreis beschädigt werden.

In der US-Patentschrift 33 15 169 sind zur Vermeidung derartiger Schäden Maßnahmen angegeben, durch die bei stark unsymmetrischen Wechselströmen die Entstehung eines Ausgangssignals verhindert wird. Das hat jedoch zur Folge, daß bei grovern Gleichstromglied in Verbindung mit kleinen Halbwellen unter Umständen auch dann kein Ausgangssignal erzeugt wird, wenn ein ausnutzbarer Nulldurchgang bevorsteht. Das bedeutet einen Aufschub des Schaltvorganges bis zum nächsten Nulldurchgang, was für ein schnelles Abschalten von Störungen einen erheblichen Nachteil darstellt.

Aus der eingangs bereits erwähnten DE-OS 14 63 586 ist es ferner 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 Her zeitlichen Ableitung des Wechselstromes proportionalen Strom führt, die Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators angeordnet. Die zusätzliche voreilende Phasenverschiebung ist hierbei von der Unsymmetrie des Stromes abhängig. Auch bei diesem bekannten Vorauslöser kann es unter ungünstigen Umständen vorkommen, daß ein Ausgangssignal auch dann erzeugt wird, wenn ein Nulldurchgang am Ende der Voreilzeit nicht folgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe, zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die Konstanz der Voreilzeit bei unsymmetrischem Wechselstrom zu erhöhen und einerseits die Erzeugung eines Ausgangssignals ganz zu verhindern, wenn der zu überwachende Strom wieder ansteigt, ohne vorher durch Null gegangen zu sein, andererseits jedoch zu gewährleisten, daß auch bei stark verlagertem Wechsel-

strom vor jedem Nulldurchgang ein Ausgangssignal erzeugt wird. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die zusätzliche Phasenverschiebung unabhängig von der Symmetrie des Wechselstromes konstant und etwa gleich der Hälfte der Voreilzeit (tu) ist

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

Fig. la bis Id die Wirkungsweise bekannter Schaltungen, bei denen das zweite Teilsignal keine zusätzliche Phasenverschiebung aufweist

F i g. 2a bis 2d die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung,

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Magnetkreis zur Addition der Teilsignale verwendet ist

Fig.4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Signale elektronisch verarbeitet werden.

Die Fig. la bis Id zeigen die Wirkungsweise einer Schaltung, wie sie beispielsweise a;is der USA-Patentschrift 33 88 361 bekannt ist Bei dieser Schaltung werden zwei Teilsignale von dem zu überwachenden Wechselstrom abgeleitet Das erste, mit Si bezeichnete Teilsignal ist proportional dem zu überwachenden Strom; das zweite, mit S2 bezeichnete Teilsignal ist proportional der zeitlichen Ableitung des zu überwachenden Stromes. Die Summe der beiden Teilsignale ergibt das resultierende Hilfssignal 5. Das resultierende. Hilfssignal 5 wird einer geeigneten Schaltung zugeführt durch die ein Ausgangssignal P erzeugt wird, wenn das so Hilfssignal 5 durch Null geht In Fig. la ist der zu überwachende Strom ein symmetrischer Sinusstrom (Kurve 5i). Hierbei geht das Hilfssignal S zu einer festen Zeit Ik durch Null, bevor das Teilsignal Si durch Null geht. Diese Voreilzeit ίκ kann durch Bemessung der J5 relativen Amplituden der Teilsignale Si und Sz bestimmt werden.

Wenn jedoch, wie in Fig. Ib gezeigt der zu überwachende Strom asymmetrisch ist, also eine Gleichstromkomponente hat, vergrößert sich die Zeit Ik ·"> vor einer kurzen Halbwelle 10, während sie sich vor einer langen Halbwelle 11 verkürzt. Die Ausgangssignale P werden daher nicht mehr zu einer bekannten Zeit vor dem nächsten Stromnulldurchgang erzeugt.

Diese Abweichung ist um so srößer, je mehr die Gleichstromkomponente wächst, wie aus Fig. Ic hervorgeht. Schließlich, wenn die Gleichstromkomponente so groß ist daß der Strom nicht mehr durch Null geht, kann die Schaltung noch falsche Ausgangssignale erzeugen, so daß ein Synchronschalter bei relativ hohen >o Momentanströmen ausgelöst wird (Fig. Id).

Wie später anhand der F i g. 2a bis 2d gezeigt werden wird, erzeugt die Schaltung nach der Erfindung eine konstante Voreiteeit des Ausgangssignals, unabhängig von der Symmetrie des zu überwachenden Stromes *a (Fig. 2a bis 2c). Wenn der Strom den Nullwert nicht erreicht, werden auch keine Ausgangssignale erzeugt (Fig.2d).

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung ist eine Abwandlung der Anordnung nach der f>o USA-Patentschrift 33 88 361. Ein Magnetkern 20, der aus lameliiertem Transformatoreisen bestehen kann, ist mit einer Wicklung 21 versehen. Der Leiter 22, der den zu überwachenden Strom führt, ist in der Mitte des Kerns 20 angeordnet Der Kern 20 ist mit Luftspalten 23,24 und 25 versehen, die eine Sättigung des Kerns bei den höchsten in Betracht kommenden Momentanwerten des Stromes /im Leiter 22 verhüten.

Der Kern 20 besitzt ferner einen Arbeitsluftspal' 26, in die Folfläche des Spaltes 26 erstreckt sich ein Hohlraum 27. Der Hohlraum 27 ist durch einen Steg 28 mit kleinem Querschnitt der aus sättigbarem 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 F i g. 2a bis 2d auftreten.

Die Wicklung 29 liegt in Reihe 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 h, der in der Reihenschaltung fließt eine Phasenverschiebung —ω * erzeivjen, wobei -^- die

Frequenz des Stromes /und f* die Voreilzeit ist d. h. die Zeitdifferenz zwischen dem an den Anschlüssen 31 und 32 auftretenden Ausgangssignal P und dem folgenden Nulldurchgang des Stromes i.

De"· Strom / induziert im Kern 20 einen Fluß wechselnder Richtung, 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 des Kerns 20 und des Luftspaltes 26. Dieser Fluß wird auch durch den Steg 28 geleitet und bildet hier das erste Teilsignal Si nach den F i g. 2a bis 2d, das dem Strom /proportional ist.

Der veränderliche Fluß im Kern 20 induziert außerdem eine Spannung ^!n der Wicklung 21, durch die ein Strom /2 durch die Wicklungen 21 und 29 verursacht wird. Durch geeignete Wahl der 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 U^

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 29 aufgeprägt wird, und der Strom /2 das Teilsignal S2' der F i g. 2a bis 2d dar Die gesamte magnetische Spannung des Steges 28 wird durch das Signal S'der F i g. 2a bis 2d wiedergegeben; dieses Signal S' geht zu einer festen Zeit Ik vor jedem Nulldurchgang des Stromes / durch Null, unabhängig davon, ob dieser Strom symmetrisch (F i g. 2a) oder asymmetrisch (F i g. 2b und 2;) ist. Wenn der Strom /nicht durch Null geht (F i g. 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 / wird durch die Primärwicklung 49 eines Transformators 50 geleitet. Die Spannung an der Sekundärwicklung 51 ist proportional d//dt Die Wicklung 51 liegt in Reihe mit den Widerständen 52 und 53 und den Eingangsanschlüssen 54 und 55 eines Operationsverstärkers 56. Der Widerstandswert des Widerstandes 53 ist wesentlich kleiner als der des Widerstandes 52. Der Widerstand 52 Wann hpivnipkwpi-

se 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 daß die Bürde am Transformator 50 praktisch ausschließlich durch den Widerstand 52 gebildet wird. Der Sekundärstrom h ist daher proportional der Sekundärspannung der Wick-Iung51 unddz/d/.

Der Operationsverstärker 56 ist mit einem Rückkopplungskondensator 60 versehen. Der Ausgangsstrom /ι, der an den Anschlüssen 61 und 62 des Verstärkers 56 abgenommen wird, fließt durch die Reihenschaltung eines Widerstandes 63 und einer Wicklung 64, die auf einem sättigbaren Kern 65 angeordnet ist. Der Strom ι) ist proportional dem Strom i, da der Operationsverstärker 56 und der Riickkopplungskondensator 60 den Strom /i integrieren. Die dem Kern 65 R-.ifnenräsrie miienntisrhn Snannnnp rnKnri hl daher dem Signal Si nach den F i g. 2a bis 2d.

An den Enden des Widerstandes 53 ist ferner ein

Stromkreis angeschlossen, der den Kondensator 70 und die Wicklung 71 auf dem Kern 65 umfaßt. In diesem

ι Stromkreis fließt der Strom /j. Der Strom /Ί eilt dem

Strom /j um die Zeit * voraus; diese Zeit hängt ab vom

Wert des Kondensators 70, z. B. 2,1 μΡ, woraus sich mit dem Widerstand 53 eine zusätzliche voreilende

\n Phasenverschiebung von 0,8 ms ergibt.

Der Strom /Ί prägt dem Kern 65 eine magnetische Spannung auf. die dem Signal .9/ der F i g. 2a bis 2d entspricht. Wenn die Summe der dem Kern 65 aufgeprägten magnetischen Spannungen durch Null

i) geht, tritt eine steile Flußänderung im Kern 65 und damit an der Ausgangswicklung 72 ein Spannungsimpuls auf, der das Ausgangssignal P bildet, wie es in den F i ρ 7a hk 2d Hnrpcstrlll ist.

Hierzu 2 Bl.-itt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines dem Nulldurchgang eines Wechselstromes um eine konstante Zeit (Voreilzeit ίκ) voreilenden Ausgangssignals (P) aus dem Nulldurchgang eines Hilfssignals (S, S'X das aus einem dem zu überwachenden Wechselstrom proportionalen ersten Teilsignal (S₁) und einem dessen zeitlicher Ableitung proportiona- to len zweiten Teilsignal φ. Si') additiv zusammengesetzt ist, wobei das zweite Teilsignal eine zusätzliche voreilende Phasenverschiebung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Phasenverschiebung unabhängig von der Symmetrie des Wechselstromes konstant und etwa gleich der Hälfte der Voreilzeit (t_K) ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des zweiten Teilsigniii (Sj') ein Stromkreis vorgesehen ist, in dem eine der zeitlichen Ableitung des zu überwachenden Stromes ß> proportionale Spannung vorgesehen ist und der eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand (33) und einem Kondensator (34) enthält

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein von dem zu überwachenden Strom durchsetzter ringförmiger Magnetkern (20) mit mehreren Luftspalten (23,24,25) vorgesehen ist und ein zusätzlicher Arbeitsluftspalt (26) durch einen jo bis zur Sättigung magnetisierbaren Steg (28) kleineren Querschnitts überbrückt ist, daß eine auf dem Magnetkern (20) angeordnete erste Wicklung (21) in Reihe liegt mit eimern ohmschen Widerstand (33), einem Kondensator (34) und einer zweiten auf dem Steg (28) vorgesehenen Wicklung (29), und daß auf dem Steg (28) eine weitere Wicklung (30) angeordnet und zur Abnahme des Ausgangssignals ("/^vorgesehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des den zu überwachenden Strom (i)führenden Leiters die Primärwicklung (49) eines Transformators (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 ist, und daß an einem Teil (53) des Widerstands (52, 53) eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Kondensator (70) und >o einer Primärwicklung (71) eines Sättigungswandlers (65), liegt, dessen andere Primärwicklung (64) am Ausgang des Operationsverstärkers (56) liegt und an dessen Sekundärwicklung (72) das Ausgangssignal f/y abnehmbar ist v,