DE2227420A1 - Spannungswandleranordnung - Google Patents

Description

„._ 2227A20

Pateofexowaite

g. Wilhelm Beichel DipL-lng. Wolfgang Beichel

6 Frankfurt a. M* 1
Parksfeaße 13

7081

The English Electric Company Ltd., London, England

Spannungswandleranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungswandleranordnung mit einem Kondensatorspannungswandler aus mehreren Kondensatoren und einem elektromagnetischen Transformator.

Zum Messen von sehr hohen Spannungen, beispielsweise von 100 KV und mehr, werden aus Kostengründen im allgemeinen Kondensatorspannungswandler, anstelle von elektromagnetischen Spannungswandlern benutzt. Ein derartiger Kondensatorspannungswandler enthält eine Kette von Kondensatoren, die an die zu messende Spannung angeschlossen sind. Die Kodensatoren liegen beispielsweise in Reihe zwischen der Leitung mit der zu messenden Spannung und Masse. An den untersten Kondensator der Kondensatorkette und Masse ist eine elektromagnetische Transformatoreinheit angeschlossen, die den elektromagnetischen Transformator enthält. Abgesehen von einfachen Spannungsmessungen kann man Kondensatorspannungswandler für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen über Hochspannungsleitungen, für NetzSchutzmaßnahmen und zur Ansteuerung von Synchronisationseinrichtungen benutzen.

209881/0434

Die elektromagnetische Transformatoreinheit kann einen Eisenkerntransformator und eine zusätzliche Spule enthalten, die zusammen mit der Kapazität der Kondensatorkette dazu dient, die elektromagnetische Transformatoreinheit auf die Betriebsfrequenz abzustimmen. Weiterhin kann die elektromagnetische Transformatoreinheit Funken^strecken und Einrichtungen zur Unterdrückung von Ferroresonanzen und zur Hochfrequenzübertragung enthalten. Im eingeschwungenen Zustand ist die Ausgangsspannung der zu messenden Leitungsspannung proportional und mit ihr in Phase. Beim Auftreten von Spannungsschwankungen werden jedoch in den Kondensatoren und in dem elektromagnetischen Transformator transiente Vorgänge hervorgerufen, und es ist möglich, daß die Ausgangsspannung den Spannungsschwankungen an der zu messenden Leitung nicht genau folgen kann. Während diese Tatsache für die meisten Meßschaltungen und langsam ansprechendenSchutzschaltungen unbedeutend ist, können dadurch beachtliche Störungen im Verhalten von schnell ansprechenden Schutzschaltungen auftreten, die ja bereits ansprechen sollen, bevor die transienten Vorgänge abgeklungen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Spannungswandleranordnung derart weiterzubilden, daß das Ausgangssignal auch beim Auftreten von transienten Vorgängen der Leitungsspannung genau folgt.

In der vorliegenden Beschreibung sind Schaltungen, die zu ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb ein Eingangssignal benötigen, das der Leitungsspannung genau folgt, also Schaltungen, die auch transiente Vorgänge verarbeiten sollen, mit schnell ansprechenden Schaltungen bezeichnet. Schaltungen, deren Eingangssignal transienten Schwankungen der Leitungsspannung nicht

209881/0434

zu folgen braucht, sind mit langsam ansprechenden Schaltungen bezeichnet.

Nach dieser Erfindung ist die eingangs beschriebene Spannungswandleranordnung dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des elektromagnetischen Transformators ein Impedanznetzwerk angeschlossen ist, dessen Übergangsfunktion die Umkehrung derjenigen Übergangsfunktion darstellt, die bei Betriebsbedingungen zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Kondensator spannungswandler s auftritt. Das Impedanznetzwerk besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren Operationsverstärkern mit jeweils zwei Impedanzen, die als Spannungsteiler geschaltet sind und eine negative Rückführung vorsehen. Die langsam ansprechenden Schaltungen werden direkt von der elektromagnetischen Transformatoreinheit gespeist, während die schnell ansprechenden Schaltungen an das Impedanznetzwerk angeschlossen sind.

Nach der Erfindung ist es somit möglich, durch das Anschalten von Schaltungsmitteln an den Ausgang der elektromagnetischen Transformatoreinheit schnell ansprechende Schaltungen mit bestehenden Kondensatorspannungswandlern zu betreiben, ohne daß in den Kondensatorspannungswandlern eine Änderung durchgeführt werden muß.

Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Figuren beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt eine allgemeine Anordnung in Form eines

Blockschaltbilds;

die Fig. 2 und 4 stellen Schaltbilder von zwei Formen des

Impedanznetzwerks, zusammen mit äquivalenten Schaltungen des KondensatorSpannungswandlers dar;

209 88 1/0434

die Fig. 3 zeigt eine praktische Ausführungsform der

Fig. 2;

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung soll die Spannung an einer Leitung 10 gemessen werden. Zwischen die Leitung 10 und Masse ist eine Kondensatorkette aus Kondensatoren C1 und C2 geschaltet. Der Kondensator C1 kann aus einer Reihe von Kondensatoren bestehen. Dem Kondensator C2 ist eine elektromagnetische Einheit 11 parallelgeschaltet. Diese Einheit enthält einen Transformator T1, eine weitere Abstimmspule L1, die zusätzlich zu dem Transformator T1 eine weitere erforderliche Induktivität zur Verfügung stellt, und weitere nicht dargestellte Schaltungsmittel. Die Einheit 11 speist langsam ansprechende Schaltungen 12. Es ist nicht erforderlich, daß diese Schaltungen innerhalb einer Zeit ansprechen, in der transiente Fehler zwischen der Spannung an der Leitung 10 und dem Ausgang der Einheit 11 aufgezehrt werden.

Weiterhin speist die Einheit 11 schnell ansprechende Schaltungen 14 über ein .Impedanznetzwerk 13. Die schnell ansprechenden Schaltungen 14 dienen dazu, auf Spannungsschwankungen an der Leitung 10 äußerst schnell anzusprechen, beispielsweise innerhalb einer einzigen Periode, so daß das Eingangssignal zu diesen Schaltungen der Spannung an der Leitung 10 sehr genau folgen muß, selbst wenn sich die Spannung an der Leitung 10 äußerst schnell ändert. Das Ausgangssignal der Einheit 11 ist nicht in der Lage, unter solchen Bedingungen der Spannung an der Leitung 10 zu folgen, da die Einheit 11 auf die Grundfrequenz der Spannung an der Leitung 10 abgestimmt ist. Das Impedanznetzwerk 13 ist derart ausgebildet, daß seine Übergangsfunktion die Umkehrung der Übergangsfunktion zwischen dem Eingang und dem Ausgang des

209881/0434

Kondensatorspannungswandlers ist, so daß die durch den Kondensatorspannungswandler hervorgerufene Verzerrung genau ausgeglichen wird. Die Übergangsfunktion hängt von der Belastung am Ausgang des Wandlers ab.

Die schnell ansprechenden Schaltungen 14 und das Impedanznetzwerk 13 können für ihren Betrieb Netzgeräte benötigen. Zu diesem Zweck ist an den Ausgang der Einheit 11 eine Netzeinheit 15 angeschlossen. Die Netzeinheit 15 nimmt ebenfalls Einfluß auf die Übergangsfunktion.

Anhand der Fig. 2 wird eine Ausführungsform des Impedanznetz— werks beschrieben. Der linke Teil der Fig. 2 stellt die äquivalente Schaltung oder das Ersatzschaltbild der Anordnung dar, wie sie vom Eingang des Impedanznetzwerks 13 aus gesehen wird, und zwar bei Anwendung des Helmholtz-Theorems, wobei vorausgesetzt wird, daß die Kondensatorkette homogen ist. Die auf diese Weise gesehene Spannung beträgt nVO an einer Quelle 20. Dabei ist η das Windungsverhältnis des Transformators T1, und VO ist die Leerlaufspannung am Kondensator C2, d.h. der C1/(C1+C2)-fache Wert der Spannung an der Leitung 10. Diese Spannung tritt in Reihe mit einer Ersatzimpedanz 21 auf, deren Wert Z1 beträgt und die eine Kapazität Ce(gebildet aus C1 und C2 in Parallelschaltung gesehen durch den Transformator T1), einen Widerstand Re (hauptsächlich in der elektromagnetischen Einheit 11) und eine Induktivität Le (in der Einheit 11) enthält. Weiterhin ist eine Parallelimpedanz 22 mit einem Wert Z2 vorgesehen, die der Belastung durch die langsam ansprechenden Schaltungen 12, die Netzeinheit 15 und den Magnetisierungszweig des Transformators T1 entspricht.

Das Netzwerk 13 enthält im wesentlichen einen Verstärker 25 hoher Eingangsimpedanz mit einer Rückführimpedanzkette aus Impedanzen 26 und 27, deren Werte auf kZ1 und kZ2 eingestellt sind, wobei k eine Konstante ist. Die Eingangsspannung V1

209881/0434

des Netzwerks 13 ist durch die folgende Gleichung gegeben:

V1 = Ti.Z2.Y0
Z1 + Z2

Die Ausgangsspannung V2 des Netzwerks 13 ist durch die folgende Beziehung gegeben:

V2 = _vl _

kZ2 Z2

Auf diese Weise gleicht das Impedanznetzwerk 13 die durch den Kondensatorspannungsteiler, die Einheit 11 und die daran angeschlossene Belastung hervorgerufene Verzerrung genau aus, wenn man von einer einfachen skalaren Größe absieht. In der Praxis ist ein vollkommen genauer Ausgleich nicht möglich, es wird jedoch eine beträchtliche Verbesserung des Verhaltens der Anordnung gegenüber transienten Vorgängen leicht erzielt.

Nach der Fig. 3 ist zwischen dem Ausgang des Transformators T1 und dem Eingang des Impedanznetzwerks 13 eine Einheit vorgesehen, die das ihr zugeführte Signal in einer linearen Weise ändert. Bei der Einheit 30 handelt es sich um einen Spannungsteiler, dessen Ausgangssignalpegel geeignet ist, einen Operationsverstärker geringer Leistung in Form einer kleinen integrierten Schaltung zu speisen. In diesem Fall braucht man dann einen Pufferverstärker 31, der die zum Speisen des Verbrauchers erforderliche Leistung aufbringt, beispielsweise den erforderlichen Spannungspegel für die schnell ansprechenden Schaltungen 14.

In der Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform des Impedanznetzwerks dargestellt. Der linke Teil der Schaltung trägt ein Ersatzschaltbild, wobei jedoch das Helmholtz-Theorem nicht angewendet wurde. Das gezeigte Ersatzschaltbild entspricht daher irgendeiner Kombination von Impedanzen in der

209881/0434

Kette. Die beiden Kondensatoren erscheinen als C12 und C22, wobei der erste eine Impedanz 30 mit einem Wert Z4 bildet. Der Transformator und die Spule der Einheit 11 treten als Impedanz 32 mit einem Wert Z3 gebildet aus einem Widerstand RT2 und.einer Induktivität LT2 auf. Die Belastung durch die langsam ansprechenden Schaltungen 12, die Netzeinheit 15 und den Magnetisierungszweig des Transformators T1 ist durch eine Impedanz 33 mit dem Wert Z2 dargestellt. Der Ersatzkondensator C22 und die Impedanzen 32 und 33 bilden zusammen eine Impedanz 31 mit dem Wert Z5.

Das Netzwerk 13 besteht aus zwei Verstärkern mit je einem Rückführzweig. Die erste Stufe besteht aus einem Verstärker 34 mit Rückführimpedanzen 35 und 36» deren Werte kZ3 und kZ2 betragen. Die zweite Stufe besteht aus einem Verstärker 37 mit Rückführimpedanzen 38 und 39, deren Werte k'Z4 und k^fZ5 betragen, k und k¹ sind Konstanten. Diese Anordnung gestattet eine genauere Einstellung der Übertragungskennlinien des Netzwerks 13. Wie bei der Fig. 3 kann eine Einheit zur linearen Signaländerung vorgesehen sein.

2U9881 /0434

Claims (4)

1. Patentansprüche 7081

   Spannungswandleranordnung mit einem Kondensatorspannungswandler aus mehreren Kondensatoren und einem elektromagnetischen Transformator,

   dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des elektromagnetischen Transformators (T1) ein Impedanznetzwerk (13) angeschlossen ist, dessen Übergangsfunktion die Umkehrung derjenigen Übergangsfunktion darstellt, die bei Betriebsbedingungen zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Kondensatorspannungswandlers auftritt.
2. 2. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 1,

   d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Impedanznetzwerk einen Operationsverstärker (25) mit zwei Impedanzen (26, 27) aufweist, die nach Art eines Spannungsteilers geschaltet sind und eine negative Rückführung vorsehen.
3. 3. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch g e'k ennzeichnet, daß das Impedanznetzwerk zwei in Reihe geschaltete Operationsverstärker (34, 37) mit Je zwei Impedanzen.' (35, 36 bzw. 38, 39) aufweist, die nach Art eines Spannungsteilers geschaltet sind und eine negative Rückführung vorsehen.
4. 4. Spannungswandleranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Impedanznetzwerks (13) mindesten« eine schnell ansprechende Schaltung (14) und an den Ausgang des elektromagnetischen Transformators (T1)

   209881/0A34

   mindestens eine langsam ansprechende Schaltung (12) angeschlossen ist.

   ReLi/Pi.

   209881/0A34