DE2351159A1 - Schaltung zum feststellen einer unsymmetrie an einer dreiphasigen energiequelle - Google Patents

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Meine Akte:C-3356

Anmelderin: Canadian General Electric Company Limited, Peterborough, Ontario/Kanada ,

Schaltung zum Feststellen einer Unsymmetrie an einer dreiphasigen Energiequelle

•Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Feststellen einer . Unsymmetrie von Phasenströmen an einer dreiphasigen Energiequelle .

Die meisten Drehstromverbraucher können als symmetrisch eingestellte Drehstromverbraucher, wie beispielsweise Drehstrommotoren, betrachtet werden. Den Unterschieden braucht im allgemeinen keine Beachtung geschenkt zu werden, da sie so klein sind, daß sie den Haschinen nicht schaden. Bei mittels Motoren angetriebenen Industrieeinrichtungen beruht die Stromunsymmetri-e im allgemeinen auf Unterschieden in den Phasenspannungen, welche durch unsymmetrische Verbraucher irgendwo in dem System hervorgerufen sind. Beispielsweise- kann einer oder.mehrere starke, an eine Phase angeschlossene Verbraucher in einem System zu Spannungsunterschieden in der Versorgung am Motor führen.

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Um die Wirkung von nicht ausgeglichenen oder unsymmetrischen , Strömen auf einen Asynchron- oder einen Synchronmotor zu verstehen, .muß die Theorie hinsiclüich. symmetrischer Komponenten herangezogen werden. Eine umfassende Abhandlung über Dreiphasenschaltungen ist in der entsprechenden Literatur zu finden, und es wird vorgeschlagen, dort im Hinblick auf die Anwendung von Dreiphasenschaltungen bei einem Motor nachzulesen. Die Grundlage dieser Überlegungen besteht darin, daß ein unsymmetrisches oder unausgeglichenes Drehstromsystem in ein System mit drei gesonderten, symmetrisch eingestellten Komponenten aufgelöst werden kann, die addiert v/erden können und dann einem nicht ausgeglichenen System gleichen. Diese drei" Komponenten können folgendermaßen bezeichnet v/erden:

(1) Die "positiven Phasenfolgekomponenten", v/obei es sich

um ein ausgeglichenes symmetrisch eingestelltes System handelt, das sich in derselben Sichtung dreht wie das Ausgangssystem.

(2) Die "negativen Phasenfolgekomponenten¹¹, v/obei es sich um ein ausgeglichenes, symmetrisch eingestelltes System handelt, das sich in der entgegengesetzten Richtung wie das Ausgangssystem dreht.

(5) die "Hullphasenkomponente", v/obei es sich um ein symmetrisch eingestelltes stationäres Feld handelt.

Wenn nunmehr angenommen wird, daß kein neutraler Anschluß d.h. kein Nulleiter und auch keine Störung durch Erdschluß auf der Verbraucherseite an der Stelle vorliegt, an v/elcher die Ströme gemessen v/erden, dann v/eist die "ITullphasenkomponente" die Amplitude null auf und kann daher außer Betracht bleiben.

Die positive Phasenfolgekomponente des Stroms erzeugt das Antriebsmoment an dem Kotor. Die negative Phasenfolgekomponente erzeugt, da sie ein sicn in der entgegengesetzten Richtung drehendes i'eld hervorruft, ein Drehmoment in der entgegen-

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gesetzten Richtung. Da dieses zweite Drehmoment viel kleiner ist als das durch die positive Phasenfolgekomponente erzeugte Drehmoment, wird das effektive Ausgangsdrehmoment der Maschine im allgemeinen dadurch nicht nennenswert verringert. Diese Tatsache führt aber zu einer Zunahme in der Temperatur, wenn sich der Rotor dreht, die in keinem Verhältnis■zu dem geringen Prozentsatz des negativen Phasenfolgestroms steht, der dies hervorruft. Diese übermäßige Erwärmung erklärt sich folgendermaßen: Das durch die positive "Phasenfolgekomponente hervorgerufene sich vorwärts drehende Magnetfeld induziert einen Strom in dem Rotor, dessen Frequenz gleich der Schlupffrequenz ist, da sich der Rotor in derselben Richtung wie das Feld, aber mit einer Geschwindigkeit dreht, die um den dem Schlupf entsprechenden Wert kleiner ist als die Geschwindigkeit des Feldes. Das durch die negative Phasenfolgekomponente erzeugte, sich in umgekehrter Richtung drehende Magnetfeld induziert einen Strom in dem Rotor, dessen Frequenz gleich zweimal der Synchronfrequenz minus der Schlupffrequenz ist. Im allgemeinen dürfte dies in der Größenordnung von 115 Hz für einen Asynchronmotor und bei 120 Hz für einen Synchronmotor liegen. Ein Motor wird so ausgelegt, daß er kleine negative Phasenfolgeströme aushält, aber für jede Maschine gibt es eine Grenze, jenseits welcher seine Lebensdauer unverhältnismäßig stark verkürzt wird, wenn zugelassen wird, daß die Maschine ständig mit einem negativen Phasenfolgestrom arbeitet, der über dieser Grenze liegt.

Eine naheliegende Möglichkeit, einen Rotor gegen eine übermäßige Erhitzung aufgrund der negativen Phasenfolge-

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komponenten besteht darin, die Motorleitungsströme mit schützen einer Einrichtung zu überwachen, mittels v/elcher die negativen Phasenfolgekomponenten abgetrennt und ihre Größe angezeigt wird. Sobald dieser Wert einen vorbestimmten Pegel erreicht, löst die Einrichtung eine Steuerfunktion aus, d.h. sie schaltet die Unterbrechereinrichtung an und setzt dadurch den Motor außer Betrieb. Die Zeit,'

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die verstrichen ist, bevor die Unterbrechereinrichtung angeschaltet ist, ist umgekehrt proportional der Größe der Komponenten. Leider sind jedoch bekannte Schaltungen zum Messen der negativen Phasenfolgekomponenten frequenzempfindlich und müssen auf die Systemfrequenz abgestimmt werden, welche beispielsweise in Kanada bei 60 Hz normiert ist. Wenn derartige Schaltungen bei irgendeiner anderen Frequenz verwendet werden, ergeben sich ungenaue Ausgänge und darüber hinaus führen Abweichungen von den reinen Sinuswellen zu Oberwellenkomponenten, welche die ungenauen Ausgänge zur Folge haben. Ein unmittelbares Fühlen der negativen Phasenfolge-Stromkomponenten ist in einigen Fällen möglich, aber keine dieser Einrichtungen hat in der Industrie eine Verbreitung gefunden. Industrielle Versorgungssysteme liefern Energie an viele Einrichtungen, welche die Wellenform verzerren, beispielsweise an Netzgeräte mit Thyristoren, Zyklokonverter sowie Inverter.

Da die negativen Phasenfolgekomponenten unmittelbar praktisch nicht gemessen werden können, ist man dazu übergegangen, durch Messen der Stromunsymmetrie zwischen den Phasen zu Meßwerten zu kommen. Hierbei ist allgemein bekannt, daß eine Leitungsstrom-Unsymmetrie in einem Drehstromsystem die Quelle der negativen Phasenfolgekomponenten ist. Die Beziehung zwischen der Stromunsymmetrie und den Komponenten ist etwas kompliziert, enthält aber sowohl die Größe bzw. Amplitude sowie die Phasenwinkel. Durch Feststellen der Stromunsymmetrie kann die Größe der negativen Phasenfolgekomponenten annähernd ermittelt werden. Auch bei der Erfindung ist das letzterwähnte Verfahren angewendet, bei welcher zur Feststellung der negativen Phasenfolgekomponenten die Stromunsymmetrie benutzt wird.

Gemäß der Erfindung wird eine Wechselspannung, welche eine Funktion des Leitungsstroms ist, von jeder Leitung einer

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dreiphasigen Energiequelle erhalten. Ein Einweggleichrichter wandelt die drei Wechselspannungen in drei Impulszüge gleicher Polarität um. Zwei verschiedene von den drei Impulszügen werden an die zwei Eingänge jeweils einer von drei die Differenz integrierenden Schaltungen angelegt. Jede Schaltung integriert- die Differenz an ihren Eingängen und gibt eine Ausgangsspannung ab, welche dieser Differenz proportional ist. Die Spannungen einer Polarität werden an den Ausgängen der drei die Differenz integrierenden Schaltungen ausgewählt und summiert. Der Wert· dieser Summe stellt die Stromunsymmetrie der Quelle dar,.. Darüber hinaus kann ein Pegeldetektor verwendet werden, um mit diesem Spannungspegel festzustellen und eine Steuerfunktion entsprechend einem vorher bestimmten Pegel einzuleiten. Gewöhnlich ist eine Verzögerungsschaltung vorgesehen, um die Steuerfunktion zu verzögern.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der folgenden Beschreibung, unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Feststellen einer Stromunsymmetrie an einer dreiphasigen Energiequelle;

Fig. 2 und 3 ein Sehaltbild der- Fig. 1, wobei in Fig. die eine und in Fig. J die andere Hälfte der Schaltung gezeigt ist;

J'ig. 4- eine grafische Darstellung der Impulse, welche an die Eingänge der die Differenz integrierenden Schaltungen angelegt sind; . und

Fig. 5 ©in Schaltbild"einer abgewandelten, die Differenz integrierenden Schaltung...

•Ε» Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Anzahl Schaltungsbauteile in Blockform in der Reihenfolge der Signalverarbeitung miteinander verbunden sind. Diese Ausführungsform weist im wesentlichen folgende Bauteile auf: eine dreiphasige Energiequelle, welche über eine Schaltungsunterbrechexeinrichtung 11 mittels drei Starkstromleitungen an einen Verbraucher 12, beispielsweise an einen Asynchronmotor angeschaltet ist; einen Strom-Spannungswandler 13 für jede Leitung 10, einen Einweggleichrichter 14, eine einstellbare Spannungskleramschaltung 155 einen Differenzintegrator 16, einen Einwer^leichrichter 17 einen Summierverstärker 18, eine stromverbrauchende Einrichtung 19» eine Zeitverzögerungsschaltung 20, Pegeldetektoren und 21, durch gestrichelte Linien 23 dargestellte .Leitungen, um die Ausgangsanschlüsse des Alarmpegeldetektors 21 an eine Alarmeinrichtung anzuschließen, und durch die gestrichelten Linien 24 dargestellte Leitungen, durch die Ausgangsanschlüsse des Schaltpegeldetektors 22 an die Schaltungsunterbrechereinrichtung 11 angeschlossen ist.

Der mit 15 bezeichnete Strom-Spannungswandler weist einen an eine Leitung 10 angekoppelten Stromwandler 25 mit niedrigem Übersetzungsverhältnis und .einen nit einem Widerstand 27 belasteten Übertrager 26 mit einem hohen Übersetzungsverhältnis auf, welcher an die Sekundäranschlüsse 28A und 29 angeschlossen ist. Die Anode einer Diode 3OA des Einweggleichrichters 10 ist an den Anschluß 28a und ihre Kathode an einen Eingangsanschluß J2A eines Teils 1A der einstellbaren Spannungsklemmschaltung 15 angeschaltet. Die Kathode der Diode ist ferner über einen Widerstand 31A geerdet; der Anschluß 29 ist ebenfalls geerdet. Für jede der Leitungen 10 ist ein Wandler 13 und für jeden Wandler ein Einweggleiehrichter 30 und 31 vorgesehen. Jede der Starkstromleitungen ist daher über einen Wandler und einen Gleichrichter an einen anderen Abschnitt 1A, 1B und IC der Spannungsklemmschaltung angeschlossen. Jeder

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der Klemmschaltungsabschnitt 1A, 1B und 1C erhält, daher einen Zug positiver Impulse, welcher den Wechselstrom jeweils auf einer anderen Starkstromleitung darstellt. Diese Eingänge an den Anschlüssen 32A bis 32C sind daher mit den großen Buchstaben A, B bzw. C bezeichnet. Theoretisch sind die Widerstände 31 für den Betrieb des Gleichrichters "lenient wichtig; sie sind'jedoch vorgesehen, um sicherzustellen, daß ein ausreichender Strom durch,die Dioden fließt, um einen gleichmäßigen Spannungsabfall an ihnen aufrecht zu erhalten.

Ähnlich wie der Gleichrichter 14- enthalten auch die Blöcke 15 bis 17 drei Abschnitte von gleichen Schaltungen. Die Komponenten, welche jeweils in einem Block gleich sind, sind daher auch mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, an die jedoch zur Bestimmung des jeweiligen Abschnittes einer der Buchstaben A, B oder C angehängt ist. In der folgenden Beschreibung wird ein Bezugszeichen nur angeführt, wenn über das Bauelement ohne Berücksichtigung eines bestimmten Abschnittes gesprochen wird und es wird das Bezugszeichen mit dem Buchstaben angeführt, wenn ein bestimmter Schaltungsabschnitt bezeichnet werden soll.

In Pig. 2 ist ein Anschluß 32 A über in Reihe geschaltete Widerstände 33A bis 35A an den negativen Eingang eines Funktionsverstärkers 3OA und über in Reihe geschaltete Widerstände 37C bis 39C an den positiven Eingang des Funktionsverstärkers 36C angeschlossen. Der Anschluß 32B ist in entsprechender Weise über Widerstände 33B bis 35B an den negativen Eingang des Funktionsverstärkers 36B und über Widerstände 37A bis 39A an den positiven Eingang des Verstärkers 36A angeschaltet. Ferner ist ein Anschluß .32G über Widerstände 33C' bis 35C an den negativen Eingang des Verstärkers 36C und über Widerstandes bis J9B an den positiven Eingang des Verstärkers 36B angeschaltet. Die

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Widerstände'33 und 37 stellen einen Teil der Spannungsklemmschaltung 15 dar. Die Klemmschaltung weist eine gemeinsame Leitung 40 auf, welche an eine einstellbare Spannungsquelle 41, 42 und Dioden 43 und 44 angeschaltet ist. An jeden der Funktionsverstärkereingänge ist zwischen den Widerständen 33 und 34 die Anode der Diode 43 und zwischen den Widerständen 37 und 38 die Anode der Diode angeschaltet. Die Kathoden beider Dioden sind mit der Leitung 40 verbunden.

Jeder der Abschnitte 2A bis 2C des Differenzintegrators 16 weist einen !"unktionsverstärker 36 mit Eingarggwiderständen 34 und 38, Schutzwiderständen 35 und 39 und zwei Integrierschaltungen auf. Die Integrierschaltung an dem negativen (dem invertierenden) Eingang weist einen Widerstand 45 und einen' parallel dazu geschalteten Kondensator 46 auf, die von dem Verstärkerausgangsanschluß 47 an einen Schaltungspunkt zwischen den Widerständen 34 und 35 geschaltet sind; die Integrierschaltung an dem positiven (nicht invertierenden) Eingang weist einen Widerstand 145 und einen dazu parallelgeschalteten Kondensator 146 auf, über welche ein Schaltungspunkt zwischen den Widerständen 38 und 39 geerdet ist. Eine Grundausführung des Differenzintegrators ist auf Seite 52 der ersten Auflage des Handbuchs über Funktionsverstärker-Anwendungen der Burr-Brown Research Corporation, Tucson, Arizona, dargestellt. Die Widerstände 45 und 145 sind parallel zu Kondensatoren 46 bzw. 146 geschaltet, damit die Schaltung eine venfcältnismäßig große Zeitkonstante hat, deren Aufgabe später noch erläutert v/ird.

Jeder der Abschnitte 3A bis 3C des Einweggleichrichters 17 weist einen Funktionsverstärker 48, eine Diode 49 und einen Widerstand 50auf, welche entsprechend der Arbeitsweise eines Einweggleichrichters zusammengeschaltet sind.

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Dies ist notwendig, da die Spannung am Anschluß 47 kleiner ist als die Schwellenwertspannung einer Diode; infolgedessen kann eine einfache Diode nicht verwendet werden. Ein Verstärker mit einer Diode in der Rückkopplungssehleife schafft eine im wesentliche lineare Einweggleichrichtungsfunktion bis auf einen sehr geringen Spannungspegel. Negative Spannungen liegen an den Aus gangs anschluss en 51 cles Gleichrichters 17 an.

In Fig. 3 werden die Ausgangsspannungen des Gleichrichters an den Anschlüssen 51 an den negativen Eingang eines Funktionsverstärkers 53 <3-es Summierverstärkers 18 über einen Verstärkereingangswiderstand 52 in jeder Beitung von dem Schaltungspunkt 51 zum Verstärker 53 angelegt. Der Verstärker 53 weist einen Rückkopplungswiderstand 54 auf. Er besitzt ferner zwei Widerstände 55 und 56, über die sein Ausgang geerdet ist, und einen Widerstand 57_s über welchen sein positiver Eingang .geerdet ist. Am Ausgang des Verstärkers 55 liegt eine Spannung an, die proportional der Summe aller negativen Differenzen, ist, d.h. der Summe der Spannungen an den Punkten 51A bis 51C· Der Widerstand 56 ist einstellbar, so daß ein Teil der Verstärkerausgangsspannung abgenommen werden kann und an eine Stromquelle 19 angelegt wird. Diese Steuerung normiert- den Eingangspegel an der Quelle 19 über den EingangsStrombereich bei Vollast des Stromwandlers 25, welcher normalerweise 2 bis 5A beträgt.

Die Stromschaltung 19 hat einen Funktionsverstärker 58, dessen positiver Eingang mit dem Schleifarm des Widerstands 56 verbunden und dessen Ausgang über einen Widerstand 59 an die Basis eines Transistors 60 angeschaltet ist; Der Emitter dieses Transistors ist mit dem negativen Eingang des Verstärkers verbunden über Widerstände 61 und 62 geerdet, von welchen der Widerstand 62 einstellbar ist, um erforderlichenfalls die Schaltpegel auszugleichen. Eine Zenerdiode 63,

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welche zwischen Erde und die Basis des Transistors geschaltet ist, begrenzt die Spannung des Transistors. Der Kollektor des Transistors ist an die Zeitverzögerung- ' schaltung 20 angeschaltet. Die Schaltung 20 weist zur Zeitverzögerung, wie üblich, einen Kondensator 64 und einen parallel dazu geschalteten Widerstand 65 auf. Ein Anschluß dieser Parallelschaltung ist an den Kollektor des Transistors 60 und der andere Anschluß an eine positive Spannungsleitung 66 angeschaltet. Die Schaltung hat eine ziemlich große Zeitkonstante, beispielsweise 100 sek., und verzögert den Betrieb der Spannungspegeldetektoren 21 und 22 für eine bestimmte Zeitdauer, nach der eine Unsymmetrie an den Leitungen 10 aufgetreten ist. Die Dauer der Verzögerung ist eine Funktion der Größe der Unsymmetrie. Hierdurch wird verhindert, daB ein Alarm gegeben und die Unterbrechereinrichtung bei zeitweiligen Störungen angeschaltet wird; ein Alarmsignal und eine Unterbrecheranschaltung sind nicht erwünscht, bis die Temperatur des Rotors der Maschine auf einen vorbestimmten Wert angestiegen ist.

Die Detektoren 21 und 22 weisen dieselben Schaltungen auf; sie unterscheiden sich nur in den Werten der Schaltungsbauteile, so daß der Detektor 21 ein Ausgangssignal etwas später abgibt als der Detektor 22. Der Detektor 21 weist ■ drei Transistoren 67 und 69, neun Widerstände 70 bis 78 und eine Diode 79 auf, die in der dargestellten Weise an die Spannungsleitung die Zeitverzögerungsschaltung angeschaltet sind. Der Ausgang des Transistors 69 wird zum Betreiben einer Alarmeinrichtung angelegt. In dem Detektor 22, tragen die entsprechenden Bauelemente dieselben Bezugszeichen mit dem zusätzlichen. Buchstaben "A". Der Ausgang des Transistors 69A wird zum Schalten der Schaltungsunterbrechereinrichtung 11 verwendet.

Im folgenden wird nunmehr die Betriebsweise des in den Fig.

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bis 'j dargestellten Systems beschrieben. Die Ausgänge der drei Strom-Spannungswandler können als drei gesonderte Wechselspannungen mit einer Phasenverschiebung und einer Amplitude betrachtet werden, welche durch die in den Leitungen 10 bis 12 fließenden Ströme bestimmt sind. Diese Spannungen liegen an den Anschlüssen 28A, 28B bzw. 280 in Form der drei in Fig. 4 dargestellten Sinuswellen 8OA bis 8OC. Wenn die Leitungsströme ausgeglichen sind, d.h. nur positive Phasenfolgekomponenten vorliegen,.dann sind die Spannungen an den entsprechenden Anschlüssen. 28 um 120° gerad in der Phase verschoben und in der Amplitude gleich. Wenn sie aber nicht "ausgeglichen sind, d.h. wenn negative Phasenfolgekomppnenten vorhanden sind, dann ist die Phasenbeziehung etwas anders als 120° und die Amplituden unterscheiden sich, wie es im allgemeinen der Fall ist. Das vorliegende System ist so ausgelegt, daß diese Differenzen überwacht und Steuerfunktionen ausgelöst werden, wenn sie übermäßig groß werden.

Mittels des Gleichrichters 14 wird die negative Hälfte jeder Periode 80 entfernt, so daß die durch stark ausgezogene Linien dargestellten Züge von positiven Impulsen 81A bis 810 erhalten bleiben. Diese Spannungen liegen an den Anschlüssen 32 an. Wie oben ausgeführt, -sind die Widerstände vorgesehen, damit ein ausreichender Strom durch die Dioden fließt, um dadurch sicherzustellen, daß die Spannungsabfälle an ihnen in Durchlaßrichtung ziemlich gleichmäßig angepaßt sind.

Mittels .der einstellbaren Spannungsklemmschaltung 15 wird ein Maximalwert der Amplitude der positiven Impulse 81 festgesetzt. Diese Maximalwerte sind in Fig. 4 durch die gestrichelten Linien 82A bis 820 dargestellt. Die Maximalwerte werden durch Verstellen der Schleifarme des Widerstandes 41 und üblicherweise auf einen Spannungswert eingestellt, der das 1,5-fache des Stroms am Verbraucher 12

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bei Vollast darstellt. Die in Pig. 4 dargestellten Impulse 81 steigen bis zu einem Wert 83» der den Strom bei Vollast darstellt, d.h. den normalen Betriebsbedingungen entspricht. Nur während ungewöhnlicher Betriebsbedingtingen steigen sie über den Pegel 83 an, werden jedoch nicht höher als der Pegel 84, v/o sie abgeschnitten v/erden. Wenn die Spannungen an den Anoden der Dioden 43 und 44 die mittels des Widerstands 41 eingestellte Spannung übersteign, leiten die Dioden über die Widerstände 33, 37, 41 und 42 zur Erde ab, wobei die Widerstände 33 und 37 als Stabilisierunswiderstände in der leitenden Schaltung wirken. Eine Spannungsklemmschaltung ist beispielsweise vorgesehen, um ein störende; unnötiges Schalten der Unterbrechereinrichtung 11 zu verhindern, während der Motor angelassen wird., da dann die Stromunsymmetrie sehr hoch sein kann. Bei niedrigeren Rotordrehzahlen sind die Verluste infolge der negativen Phasenfolgeströme weniger wichtig.

Die Eingänge an jedem der Jfunktionsverstärker 36 des Differenzintegrators 16 erhalten die Impulszüge 81 von zwei verschiedenen der drei Phasenleitungen A, B und C. Jede dieser Schaltungen mit den Bauelementen. 34 bis 36, 38, 39, 45, 46, 145 bis 147 integriert dann die Differenz zwischen den beiden Signalen und an ihrem Ausgang liegt eine Gleichspannung an, welche der Differenz proportional ist und unmittelbar von der Verstärkung der Verstärkerschaltung abhängt. Die Zeitkonstante der Verstärkerschaltun£ ist so gewählt, daß die Integrierfunktion mehr in der Art eines Filters als in der Art einer Integrierfunktion wirkt. Beispielsweise ergibt eine Zeitkonstante von 0,15 sek. eine gute KLlterwirkung. Ohne die Widerstände 45 und 145 ist die Schaltung ein normaler Differenzintegrator. Die Widerstände 45 und 145 begrenzen den Ausgang des !"unktionsverstärkers, so daß dieser proportional der Differenz der beiden Eingänge ist. Durch die vorbeschriebene Pilterwirkung

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wird eine Gleichspannung am Ausgangsanschluß 47 geschaffen, die im wesentlichen keine Welligkeit aufweist. Es findet somit eine Signalverstärkung in dem Differenzintegrator, beispielsweise eine Verstärkung um 1,5 statt. Wenn die Signale, welche an die drei Integrierschaltungen von den drei Phasen A bis G angelegt werden, mit a, b bzw. c bezeichnet werden, dann wird die Ausgangsspannung am Schaltungspunkt 47A. (b -a), Punkt 47B (c - b) und am Punkt C (a - c). Somit sind diese Ausgangsgleichspannungen in Abhängigkeit von den jeweiligen Werten a, b oder c entweder positiv oder negativ.

Der.Einweggleichrichter 17 beseitigt alle positiven Spannungen an den Anschlüssen 47, so daß die Spannungen an den An- ■ Schlüssen 51 nur' negative Gleichspannungen sind. Der Grund dafür, nur negative Spannungen zu erhalten, wird später noch angeführt.· Wie oben bereits erwähnt, arbeitet die. Schaltung aus dem Verstärker 48, der Diode 49 und dem Widerstand 50 als ein linearer Einweggleichrichter und ist vorgesehen, da die 'Spannungspegel sehr niedrig sind.

Ser Summierverstärker 18 summiert alle vom Gleichrichter 17 anliegenden Spannungen. Am Ausgang dieses Verstärkers liegt eine Spannung an, die der Summe aller negativen Differenzen proportional ist. Der Widerstand 56 ist einstellbar, um eine Steuerung des Teils der Ausgangsspannung zu -schaffen, die an der Stromechaltung 19 angelegt wird. Durch diese Steuerung wird der Singangspegel an der Stromschaltung über den Eingangsbereich des Stromwandlers 25 bei Vollast normiert, welcher üblicherweise ein Sekundärstrom von.2 - 5A ist.

In der Stromschaltung 19 nimmt der Transistor 60 Strom von dem Kondensator 64 in der Verzc>~;erungsschaltung 20 auf; der Strom flie'.t- dami vom Kollektor zum Emitter und die vviderstände 61 usw. C-2 zur Erde. Die Amplitude des aufgenommenen Stroms wira von dem i'unktionsverstSrker 58 entsprechend der

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Spannung am Suraraierversti'rker gesteuert. Der Wert dieses Stroms liegt dort,'wo der Spannungsabfall an den Widerständen 61 und 62 gleich der Spannung an dem positiven Eingang des Verstärkers 58 ist, d.h. die beiden Eingangsspannungen am Verstärker 58 gleich sind. Hierbei ist zu beachten, daß der Emitter des Transistors 60 unmittelbar an den negativen Anschluß des Verstärkers 58 und der Ausgang des Summierverstärkers 18 an dessen positiven Eingang angeschaltet 1st. Die vom Verstärker 58 über den '.Transistor 60 ausgeübte Steuerung ist so, daß der Kollektor-Emitterstrom auf einen Wert gehalten wird, der den Spannungsabfall an den Widerständen 61 und 62 gleich der Spannung am positiven Eingang des Verstärkers macht. Hierdurch fließt Strom von der Elektrode 64A des Kondensators 64 ab, wodurch dessen Spannung entsprechend abfällt.

Die Zeitverzögerung^schaltung 20 hat eine ziemlich große Zeitkonstante, beispielsweise von 100 sek. Wenn die dreiphasige Energiequelle anfangs ausgeglichen ist, führt der Kondensator 64 noch keine Spannung, d.h. beide Anschlüsse liegen an der Spannung der Spannungsleitung. 66. Bei einer Unsymmetrie nimmt die Stromquelle 19 Strom von dem Kondensator auf. Hierdurch fällt die Spannung an der unteren Kondensatorelektrpde 64A auf einen Wert, der "von der Amplitude des entnommenen Stroms abhängt. Mach einer durch die vierte des Kondensators 64 und des Widerstands 65 gesteuerten Zeitverzögerung bildet sich eine stationäre Spannung an der Elektrode aus. Die Grö£e dieser Spannung stellt den Wert der Unsymmetrie der Energiequelle dar.

Die Spannung an der Elektrode 64A des Kondensators 64 wird mittels der Pegeldetektoren 21 und 22 festgestellt. Wenn sie auf einen Pegel abnimmt, d.h. weniger positiv wird, wobei der Pe^eI anzeigt, dar- die Ströme in den

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Leitungen 10 sich einer sehr starken Unsymmetrie nähern, löst der Detektor"21 nach einer bestimmten Zeitverzögerung einen Alarm aus. Wenn die Unsymmetrie sich soweit verschlechtert, daß der Verbraucher 12 geschädigt werden könnte, bewirkt der Detektor 22, daß der Unterbrecher 12 den Verbraucher nach einer weiteren Zeitverzögerung abschaltet.' Mit anderen Worten, die -Alarm- und Schaltsignale werden einige Zeit nach dem Auftreten einer Unsymmetrie abgegeben,-Die Zeitverzögerungsschaltung hat einen Speicher; eine zweite Unsymmetrie wird infolge der von der ersten Unsymmetrie am Kondensator übriggebliebenen Aufladung früher als die erste Unsymmetrie festgestellt. Die Größe dieser Speicherung wird durch den Wert des Widerstands 65 bestimmt, der seinerseits von dem Kühlwert des Rotors der Maschine 12 abhängt.·

Die Arbeitsweise des Pegeldetektors 21 wird nunmehr unter Bezugnahme auf KLg. 3 beschrieben. Eine Reihenschaltung aus den Widerständen 70» 71 und der Diode 79 i^s"t parallel zu dem Kondensator 64 geschaltet. Die Diode bleibt nicht leitend, bis die Spannung an der Elektrode 64A des Kondensators 64 auf den Alarmpegel abfällt, bei welchem die Diode leitend wird, so daß im wesentlichen die Elektrodenspannung an der Basis des Transistors 67 anliegt. Die Widerstände 72 bis 7^ stellen einen Spannungsteiler für die Spannungen an den Emittern der Transistoren 67 und 68 dar.. Lie an' dem Emitter des Transistors 67 angelegte Spannung ist weniger negativ als die Spannung an der Elektrode 64A plus der Schaltspannung der Diode 79. Folglich schaltet der Transistor beim Durchschalten der Diode an. Wenn der Transistor 67 anschaltet, fließt ein Teil seines Kollektorstroms in die Basis des Transistors 68, wodurch letzterer anschaltet. Der Widerstand 76- reguliert diesen Stromteil und der Widerstand 75 begrenzt den Stromfluß. Wenn der Transistor 68 angeschaltet ist, wird der Spannungsabfall am Widerstand 64 größer, so daß die

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Spannung an dem Emitter des Transistors 67 zunimmt und bewirkt, daß dieser härter angeschaltet wird. Hierdurch wiederum wird der Basistrom des Transistors 68 erhöht, so daß dieser ebenfalls härter anschaltet. Wenn der Transistor 68 vollständig eingeschaltet ist, wird der Transistor 69 angeschaltet, wodurch die Alarmeinrichtung erregt wird.

D.er Widerstand 71 begrenzt den Strom, v/elcher von der Basis des Transistors 67 über die Diode 79 zur Elektrode 64A des Kondensators 64· fließt. Dies ist notv/endig, um die beiden Schaltungen 21 und 22 von einer Zeitverzögerungsschaltung aus zu betreiben. Ohnen den Widerstand 71 würde die Schaltung 21 den gesamten Kondensatorstrom aufnehmen, und es blieb kein Strom für die Schaltung 22 übrig. Der Widerstand 70 bewirkt ein Abschalten des Emitters des Transistors 67· Hierdurch ist eine Ableitung an dem Transistor verhindert, welche verstärkt würde und als ein verstärktes Signal am Kollektor des-Transistors erscheinen würde.

Der Pegeldetektor 22 ist, abgesehen von den Widerstandswerten der Widerstände 72A und 73A in dem Emitter-Spannungsteiler, derselbe wie der Detektor 21. Diese Werte sind so gewählt, daß die an dem Emitter des Transistors 67A angelegte Spannung negativer ist als die an dem Emitter des Transistors 67 angelegte Spannung. Hierdurch muß die Spannung an der Elektrode 64-A des Kondensators 64, die zum Anschalten des Transistors 67A erforderlich ist, unter den Wert fallen, der zum Anschalten des Transistors 67 erforderlich ist. Beim Auftreten einer Unsymmetrie löst daher der Detektor 21 nach einer gewissen Verzögerung einen Alarm aus; wenn die Unsymmetrie bestehen bleibt, leitet der Detektor 22 nach einer "weiteren Verzögerung eine Steuerfunktion ein. Die Pegel, bei Vielehen die Detektoren 21 und arbeiten, können mittels des Widerstands 61 in der Strom-

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schaltung eingestellt werden, damit sie derjeweiligen Maschine entsprechen,die vor zu großen, unsymmetrischen Strömen geschützt werden soll. Dieser Widerstand kann unmittelbar anhand der Unsymmetrie beispielsweise von 10# bis 30/0 geeicht sein. Der Pegel, bei welchem der Alarmdetektor arbeitet, ist beispielsweise auf etwa 67' >& des Pegels des Schaltdetektors eingestellt.

Es wurde bereits oben ausgeführt, daß bei Bezeichnung der Signale a, b bzw* c, welche in den drei Abschnitten 2A bis 2C des Differenzintegrators 16 angelegt sind, die Aus gangs spannung am Punkt 4-7A (b - a), am Punkt 4-7B (c - b) und am Punkt 4-7C (a - c) wird. Die angelegten positiven Impulse a, b" und c sind in Fig. 4 bei 81Ά bis 81C dargestellt. Die Ausgangsspannungen sind Gleichspannungen und sind in' Abhängigkeit von den· jeweiligen Vierten a, b oder c entweder positiv oder negativ. Wenn nunmehr entweder die positiven oder die negativen Spannungen summiert v/erden, dann zeigt die Größe der Summe den Wert an, um den die in den Leitungen 10 fließenden Ströme unsymmetrisch sind. In der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Schaltung werden die positiven Spannungen entfernt und die negativen Spannungen mittels des Verstärkers 18 summiert. Wenn keine Zeitverzögerung erforderlich ist, kann die Ausgangsspannung des Verstärkers 18 unmittelbar gemessen v/erden, d.h. die Stromschaltung 19 und die Zeitverzögerungsschaltung 20 sind nicht vorhanden. Dies kann in einigen ifilllen ausreichend sein, reicht jedoch nicht bei einer Dynamomaschine, wo ein unmittelbares Schalten der Unterbrechereinrichtung bei einer Unsymmetrie nicht ox*\7Lmcchü ist. . ■

Bei der Erfindung ist die Stroniunsymmetrie in den Leitungen 10 als Amplitudendifferenz zwischen den höchsten und niedrigsten Strömen festgelegt. Dies kann auch als irozent-

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satz des Stroms bei.Vollast ausgedrückt v/erden. Wenn die Phasenströme A, B und C Amplituden a, b bzw. c aufweisen, liegenden folgende Eingänge an dem Differenzintegrator an: (b - a), (c -b) und (a - c). Wenn nunmehr diese drei Ausdrücke einfach Algebraisch zusammengefaßt werden, erhält man folgendes:

Da die Summe der drei Klammerausdrücke gleich.null ist, müssen zwei von ihnen ein Vorzeichen und die dritte das entgegengesetzte Vorzeichen haben, d.h. zv/ei müssen positiv und eine negativ oder umgekehrt sein. Die Summe der beiden Werte mit dem gleichen Vorzeichen ist gleich der Große des dritten Werts mit den entgegengesetzten Vorzeichen. Hieraus folgt, daß der dritte Ausdruck der größte ist und seine Amplitude die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten der drei ganzen Zahlen a, b und c, darstellt. Fdglich gilt für irgendwelche drei Werte: Summe der positiven Differenzen = Summe der negativen Differenzen = Differenzzwisehen dem höchsten und niedrigsten Wert.

Um diesen Punkfanhand eines Beispiels zu erläutern, wird wieder die Gleichung verwendet:

wenn nun

ist, dann isc c der größere der drei Werte a, b oder c und a der kleinere Wert.

Obwohl bei der in den ifig. 2 und ~y dargestellten Schaltungen negative Differenzen verwendet sind, ist die Erfindung genauso mit positiven Differenzen durchführbar. In entsprechender

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Weise müssen dann die Eingänge an den Difzerenzintegrator 16 nicht positive Impulse sein, wie in Fig. 4 dargestellt ist; sie können dann negative Impulse sein. In der in Fig. 1 dargestellten Schaltung liegen die Eingänge für den Differenzintegrator von der dreiphasigen Energienuelle über Strom-Spannungswandler, einen Einweggleichrichter und die Spannungsklemmenschaltung an. Diese Eingänge aii dem Differenzintegrator können auch von anderen Quellen als einer dreiphasigen Energiequelle stammen und können zu anderen Zwecken als zur Bestimmung der S.tromunsymmetrie in der Vasorgungsquelle verwendet werden. Irgendwelche drei unterschiedliche Signale der gleichen Polarität können mittels des Difxerenzintegrators verarbeitet werden und dessen Ausgang kann zur Bestimmung der Größe der Differenzen verwendet werden.

Die in.den Fig. 2 und 3 dargestellte Schaltung stellt die Differenz zwischen den niedrigsten und höchsten Werten von a, b und c fest. Dieser Wert stellt dann die Differenz zwischen dem größten und kleinsten Strom der Leitungsströme dar. Durch Abändern der Differenz-Integrierechaitung kann, wie in Fig. 5 dargestellt ist, die Differenz zwischen einem" Mittelwert der dreiTeitungsströme und dem größten der drei Ströme festgestellt werden. Das an den nicht invertierenden Eingang jedes Funktionsverstärkers 36 in Fig. 2 angeschaltete Netzwerk aus dem Widerstand 145 und dem Kondensator 146 kann in Fig. 5 eingespart werden und durch ein einziges Netzwerk aus einem Widerstand 245 und einem Kondensator 246 ersetzt werden. Die Parallelschaltung des Widerstands 245 und des Kondensators 246 ist geerdet und an den nicht invertierenden Eingang aller drei Funktionsverstärker angeschaltet. Dadurch wird das dann . an den nicht invertierenden Eingängen der drei Verstärker anliegende Signal ein Mittelwert dieser drei Signale.

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Die Betriebsweise der in Fig. 5 dargestellten Schaltung entspricht der vorbeschriebenen Schaltung. Unterschiede bestehen bei der Bestimmung der Unsymmetrie. Das beruht vor allem auf der Bestimmung der Unsymmetrie, die so sowohl die Differenz zwischen den größten und kleinsten Stromamplituden als auch einen Prozentsatz des Stroms bei Vollast ausdrückt. Die in Pig. 5 dargestellte Schaltung beruht auf einer Definition, die sowohl die maximale Abweichung der Stromamplitude von dem Durchschnittsv/ert der drei Stromairrolituden als auch einen Prozentsatz des Stroms bei Vollast wiedergibt

Bei der theoretischen Arbeitsweise der in i'ig. 5 dargestellten Schaltung sind vier Werte erfaßt. Und zwar sind dies die ursprünglichen drei V/erte, nämlich a, b und c und ein vierter Wert" "d", v/elcher den Mittelwert der drei übrigen Werte wiedergibt. Die Ausgänge der drei Differenz— IntegrierSchaltungen können nun ausgedrückt werden als (d - a), (d - b) bzw. (d - c).

Da d = (a + b + c) / 3 isiy wird (a - a) + ( d - b) + (d - c) = Da die Summe der drei Klammerausdrücke gleich Hull ist, müssen zwei von ihnen das eine Vorzeichen und der dritte das entgegengesetzte Vorzeichen haben; d.h. zwei müssen positiv und einer negativ oder umgekehrt sein. Da, wie vorher, die Summe der zwei V/erte mit dem gleichen Vorzeichen ist gleich dem dritten V/ert mit dem entgegengesetzten Vorzeichen. Hieraus folgt, daß der dritte Ausdruck der größte ist und seine Amplitude die Differenz zwischen dem größten der V/erte a, b oder c und deren Durchschnittsv/ert d darstellt. Folglich gilt für die in Fig. 5 dargestellte Schaltung

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Summe der positiven Differenzen = Summe der negativen Differenzen = höchste Differenz zwischen einem Wert und dem Durchschnittswert aller drei Werte.

- Patentansprüche -

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Claims (8)

- 22 - Patentansprüche

1.) Schaltung'zum Feststellen einer Unsymmetrie an einer dreiphasi- ^- gen Energiequelle, indem das größte von drei elektrischen Signalen gleicher Polarität Destimmt wird, gekennzeichnet durch drei Differenz-Integrierschaltungen (16) mit jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang, durch eine Einrichtung zum Anlegen von zwei verschiedenen der drei Signale an die entsprechenden Eingänge jeder Integrierschaltung, wobei eine der Integrierschaltungen die Differenz zwischen den Eingangssignalen integriert und ein dieser Differenz proportionales AusgangsSignal abgibt, durch eine Einrichtung (17) zum Auswählen von Signalen der gleichen Polarität aus den Ausgangssignalen, durch eine Einrichtung (18) zum Summieren all*r ausgewählten Signale, und dürft eine Einrichtung (21, 22) zum Fest-

/aus
stellen des Signalpegels der Summe der ausgewählten Signale.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zeitverzögerungseinrichtung (20) zwischen der Summiereinrichtung (18) und den Pegeldetektoren (21, 22), um den Nachweis der summierten Signale zu verzögern.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz-Integrierschaltung (16) jeweils einen Funktionsverstärker (36) einen an den Differenz-Integrator angeschalteten Kondensator (46) und einen zu diesem parallel geschalteten Widerstand (45) zum Begrenzen des Verstärkerausgangs auf einen Wert, welcher der Differenz der Eingänge proportional ist, aufweist.

k. Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3» dadurch g e kenn ze i c h η e t, daß die Schaltung eine Einrichtung (13) aufweist, um die drei elektrischen Signale von einer dreiphasigen Energiequelle als Funktionen der in ihr fließenden Ströme zu erhalten.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e k e η η -

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zeichnet durch eine Einrichtung zum Einleiten einer Steuerfunktion bei dem Nachweis eines bestimmten Signalpegels mittels der Signalpegeldetektoren (21, 22).

6. Schaltung zum Feststellen einer Stromunsymmetrie an einer dreiphasigen Energiequelle, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g ek ennze i chne t durch einen Strom-Spannungswandler (13) für jede Phasenleitung (iO) der Energiequelle, um eine Wechselspannung zu erzeugen, welche eine Funktion des Leitungsstromes ist., durch einen Einweggleichrichter (14) zum Umwandeln der drei Wechselspannungen in drei Impuls-Züge der gleichen Polarität, durch drei Differena-Integrierschaltungen (16) mit zwei Eingängen und einem Ausgang, durch eine Einrichtung zum Anlegen von zwei verschiedenen der drei Impulszüge an die entsprechenden Eingänge der Integrierschaltung, wobei jede Integrierschaltung die Differenz zwischen ihren Eingängen integriert und ein Gleichspannungsausgangssignal abgibt, das dieser Differenz proportional ist, durch einen Einweggleichrichter (17) zum Umwandeln der Gleichspannungsausgänge der Integrierschaltungen (l6) in Gleichspannungssignale gleicher Polarität, durch eine Einrichtung (18) zum Summieren der Gleichspannungssignale, durch Einrichtungen (21, 22) zum Bestimmen des Summenwert s der GleichspannungssignaLe und zum Auslösen einer Steuer— funktion bei einem vorbestimmten Pegelwert, und durch eine Zeitverzögerungseinrichtüng (20) welche an den Ausgang der Summier— einrichtung (18) und an die Pegeldetektoren (21) angeschaltet ist, um das Auslösen des Steuersignals zu verzögern.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine Einrichtung (45) zum Begrenzen der Impulsamplitude der Impulszüge aufweist.

8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerungseinrichtung (IO) eine Stromschaltung (19) und eine Kondensator- (64) Widerstands- (65) Schaltung aufweist, wobej/der Kondensator (&) von einer Gleichspannungsquelle

- 2V-

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aufgeladen wird und einen Strom an die Stromschaltung (19) abgibt, wobei die Größe des an die Stromschaltung abgegebenen Stroms durch die Summe der Gleichspannungssignale gesteuert wird, und daß der Pegeldetektor (21, 22) zum Bestimmen der Spannung an dem Kondensator (64) vorgesehen ist.

9* Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzei chnet, daß die Differenz-Integrierschaltung (16) jeweils einen Funktionsverstärker (36) einen an den Differenz-Integrator angeschalteten Kondensator (46) und einen zu diesem parallel geschalteten Widerstand (45) zum Begrenzen des Verstärkerausgangs auf einen Wert, welcher der Differenz der Eingänge proportional ist, aufweist.

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