DE2406377A1 - Schaltung zur kompensation von stromstoersignalen - Google Patents

Description

Erf. Fd./Zh.

Socie*t£ Anonyme des Ateliers dg Se*cheron, Genf

Schaltung zur Kompensation von Strom-Störsignalen

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Kompensation von Strom-Störsignalen in einem Stromkreis, an dem eine mit einer Störkomponente behaftete Spannung liegt. Es handelt sich also um die Kompensation von einem stromabhängigen Signal innewohnenden Störsignalen, die nicht von Schwankungen einer Lastimpedanz des Stromkreises, sondern von.Schwankungen oder Aenderungen der den Stromkreis speisenden Quellenspannung oder

herrühren

des Quellen-Innenwiderstandes/T" Tatsächlich ist in der praktischen Anwendung die Abgrenzung zwischen äusserer Stromkreisimpedanz und Innenwiderstand oder -impedanz der Quelle von dem jeweiligen Mess- oder Ueberwachungsproblem abhängig. So ist z.B. im Fall der Ueberwachung eines bestimmten Netz- oder Leitungsabschnitts auf kurzschlussbedingte Ueberströme die Impedanz - gegebenenfalls eine entsprechende Ersatzimpedanz τ des betreffenden Abschnitts als die äussere Impedanz zu be- ■

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trachten, deren Schwankungen bzw. Zusammenbruch im Kurzschlüssen die zu detektierenden bzw. zu selektierenden Stromsignale bedingen, während die Ersatzimpedanz des übrigen Netzes, soweit sie von Einfluss auf den Strom im zu überwachenden Abschnitt ist, als Innenimpedanz der den Abschnitt speisenden Quelle zu betrachten ist. Schwankungen dieser Impedanz, wesentlicher aber solche der Quellenspannung - insbesondere periodische Spannungsschwankungen störender Art wie Oberwellen aus Umrichtern, Wechselrichtern oder Gleichrichtern - rufen die zu kompensierenden Strom-Störsignale in dem zu überwachenden Netz- oder leitungsabschnitt hervor.

Solche Störsignale beeinträchtigen in der Praxis die Ueberstrom- und Kurzschlussüberwachung sehr stark. Dies gilt besonders für Bahn-Fahrleitungen mit hohen maximalen, aber an sich noch zulässigen Betriebsströmen, die u.U. im Grössenbereich der Kurzschlussströme liegen können. Hier sind oft auch die quellenspannungsbedingten Stromschwankungen von gleicher Grössenordnung wie die Kurzschlussströme, so dass eine Kurzschlussdetektion ohne Kompensation der quellenspannungsbedingten Stromschwankungen nicht möglich ist. Eine Kurzschlussdetektion ist aber unabhängig von der Ueberschreitung zulässiger Kaximalströme notwendig, u.a. wegen der Zerstörungs- und insbesondere Brandgefahr an den betroffenen Anlagen.

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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Kompensationsschaltung, die eine Selektion der durch Schwankungen einer äusseren Impedanz oder Lastimpedanz bedingten Stromsignale gegenüber quellen- und insbesondere quellenspannungsbedingten Strom-Störsignalen ermöglicht. Die erfindungsgemässe lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einer Schaltung der eingangs genannten Art dadurch, dass ein Stromsignalzweig und ein von einer Störspannung gespeister Kompensationszweig, der ein steuerbares Signalstellglied umfasst, mit zueinander gegensinniger Polarität an ein Ueberlagerungsglied angeschlossen sind, dessen Ausgang ein resultierendes Ueberlagerungssignal führt und zusammen mit einem Anschluss des Kompensationszweiges oder des Stromsignalzweiges an einen Polaritätsvergleicher angeschlossen ist, dessen Ausgang mit einem Steuereingang des Signalstellgliedes in Wirkverbindung steht.

Die genannte Störspannung ist hierbei ZoB« ©in© quellenbedingte SpannungsSchwankung der eingangs erwähnten Art, im Fall eines

stromrichtergespeisten Gleichstromnetzes etwa die in·der Klemmenspannung des überwachten Netzabschnitts enthaltene, von der Pulszahl des Gleichrichters abhängige Wechselspannungskomponente und ihre Oberschwingungen. Ein dieser Störspannung entsprechendes Signal wird zur Kompensation der durch eben diese Störspannung hervorgerufenen Störkomponente des Stromsignals verwendet, und zwar vermöge eines durch den genannten Polari-

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tätsvergleicher wirkungsmässig geschlossenen Regelkreises. Der Polaritätsvergleicher stellt, wie seine Bezeichnung aussagt, das Polaritätsverhältnis - gleich oder ungleich - des der Störspannung entsprechenden Signals einerseits und des im allgemeinen jeweils mehr oder weniger unter- oder überkompensierten resultierenden Signals andererseits fest, welch letzteres sich durch Ueberlagerung der Signale des !Compensationszweiges und des Stromsignalzweiges ergibt und das nutzbare Ausgangssignal der Kompensationsschaltung darstellt. Bei entsprechender Polung steuert der Ausgang des Polaritätsvergleichers das Signalstellglied und damit das bei der Ueberlagerung wirksame Kompensationssignal jeweils im Sinne einer zur Unter- bzw. Ueberkompensation des Strom-Störsignals innerhalb des resultierenden Ueberlagerungssignals gegensinnigen Aenderung des augenblicklichen Zustandes. Das nutzbare Ueberlagerungssignal pendelt somit innerhalb von durch das Regelkreisverhalten bestimmten, praktisch recht engen Grenzen um den genauen Kompensationszustand.

Bei vorwiegend resistiver Lastimpedanz eignet sich die Störspannung bzw. das ihr entsprechende Kompensationssignal unmittelbar zur Störkompensation eines dem zu überwachenden Strom im wesentlichen proportionalen Stromsignals, bei vorwiegend induktiv-reaktiver Lastimpedanz entsprechend zur Störkompensation eines differentiellen Stromsignals, wie es bekanntermassen mit Vorteil zur Kurzschlussdetektion in Netzen, insbesondere in Gleichstrom-Bahnleitungen, verwendet wird.

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Die ,Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Hierin zeigt:

Fig.l das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemässen Korn- . pensationsschaltung,

Pig.2 das Einzelschaltbild des Polaritätsvergleichers aus . der Kompensationsschaltung gemäss Pig. I und

■^ig.jS ein Mehrf achrrZ e it diagramm zur Wirkungsweise der Kompensationsschaltung.

Die Schaltung nach Pig.l umfasst"einen differentiellen Stromsignal-Messgeber 11 in Form eines Stromwandlers, der ein Hochpassglied darstellt und an einen zu überwachenden Stromkreis 100 mit störspannungsbehafteter Speisequelle 101 und. einer Last in Form einer Sammelschiene 102 mit nicht dargestellten, überwiegend induktiven Verbrauchern angeschlossen ist. . Weiter umfasst die Schaltung ein gleichspannungssperrendes übertragungsglied in Form eines an einen Spannungsmesspfad des Stromkreises 100 angeschlossenen Spannungswandlers 21, der die im vorliegenden Fall als Störspannungen anzusehenden, der Quellengleichspannung überlagerten Wechselspannungen in ein entsprechendes Störspannungssignal Ug umsetzt.

An den Stromwandler 11, der ein dem zu überwachenden Strom i

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differentiell zugeordnetes Stromsignal u. liefert, ist ein Stromsignalzweig 1 angeschlossen, der zusammen mit einem an den Spannungswandler 21 angeschlossenen Kompensationszweig 2 zu einem Ueberlagerungsglied 3 in Form eines Summierverstärkers 3 führt. Im Kompensationskreis 2 ist ein über einen Eingang K hinsichtlich seines Verstärkungsgrades stetig steuerbarer Verstärker 22 als Signalstellglied angeordnet. Dieser Verstärker wirkt - durch die gegensinnigen Vorzeichen an seinem Ein- und Ausgang veranschaulicht -. invertierend und führt daher zu einer Subtraktion des an seinem Ausgang auftretenden, nicht näher bezeichneten Kompensationssignäls vom .Stromsignal u,. Infolge der vorausgesetzten induktiven Verbraucher entspricht das der Störspannung proportionale Signal mit weitgehender Annäherung dem zeitlichen Differentialquotienten des durch diese Störspannung innerhalb des Stromes i hervorgerufenen Störsignals, ist also annähernd dem differentiellen Stromsignal a. proportional und kann bei entsprechend bemessenem Betrag durch die genannte üeberlagerung das Strom-Störsignal kompensieren. Die restliche Störkomponente in dem sich am Ausgang des Summierverstärkers 3 ergebenden resultierenden Ueberlagerungssignal weist bei zu grosser Betragsbemessung des Kompensationssignals - Ueberkompensation - entgegengesetzte Polarität, bei zu geringer Betragsbemessung des Kompensationssignals - Unterkompensation - gleiche Polarität bezüglich der Störkomponente des Stromsignals auf. Entsprechend Umgekehrtes

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gilt für die Polarität des resultierenden ueberlagerungssignals bezüglich derjenigen des Kompensationssignals und damit des invertierten Störspannungssignals u~, sofern letzteres vom Spannungswandler 21 mit bezüglich des Stromsignals u. gleicher Polarität bzw. Phasenlage geliefert wird; Selbstverständlich sind diese Polaritätsverhältnisse gegebenenfalls durch ELemmenvertauschung umkehrbar.

Wesentlich ist jedenfalls, dass sich durch Polaritätsvergleich zwischen dem resultierenden Ueberlagerungssignal u. am Ausgang des Summierverstärkers 3 einerseits und dem Störsignal andererseits in Form des Störspannungs- bzw. Compensationssignals oder auch der Störkomponente des Stromsignals zwischen Unter- und Ueberkompensation des Strom-Störsignals innerhalb des resultierenden Ueberlagerungssignals, d.h. des Nutzsignals, unterscheiden lässt. Es kann also grundsätzlich sowohl das Störspannungssignal wie auch die Störkomponente des Stromsignals für den Polaritätsvergleich herangezogen werden. Im letzteren Fall ist im allgemeinen eine Abtrennung der Störkomponente von der Nutzkomponente durch Frequenzsiebung oder dergl. erforderlich, die allerdings bei spektral stark unterschiedlichem Stör- und Hutzsignal unkritisch ist und im Gegensatz zu einer direkten Frequenztrennung für die Veiterverarbeitung ohne grosse Trägheitserscheinungen im resultierenden Hutzsignal erreicht werden kann, wie z.B. im Fall eines periodischen Störsignals und eines

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einmaligen Nutzsignals (Kurzschluss). Die Störspannung ist dagegen selbst auf einfache Weise und oft ohne Siebung in der Klemmenspannung des zu überwachenden Stromkreisabschnitts verfügbar. Die "Verwendung der Stö'rspannung zur Kompensation und zum Polaritätsvergleich ist daher im allgemeinen vorteilhafter.

Im Beispielsfall ist ein Polaritätsvergleicher 4 vorgesehen, dessen Eingang B an den Kompensationszweig 2 und dessen Eingang A an den Ausgang des Summierverstärkers 3> angeschlossen ist. Der Eingang B kann stattdessen auch - wie strichliert angedeutet - über ein das Nutzsignal im wesentlichen sperrendes Siebglied S an den Stromsignalzweig angeschlossen werden. Gegebenenfalls kann auch der Eingang B mit dem Kompensationszweig über das Siebglied vom Stromsignalzweig anstelle des Spannungswandlers gespeist werden.

Der Ausgang C des Polaritätsvergleichers 4 ist über einen Integrator 5 an den Steuereingang K des Verstärkers 22 angeschlossen. Der Polaritätsvergleicher wirkt nach Art eines unstetigen Reglers - beispielsweise als Zweipunktregler oder als Dreipunktregler mit neutralem Steuerbereich - und hat infolge des zwischengeschalteten Integriergliedes, das gegebenenfalls in den Polaritätsvergleicher oder in das Signalstellglied einbezogen und durch ohnehin vorhandene Trägheitsglieder verwirklicht sein kann, eine stetige Steuerung des Signalstellgliedes zur Folge.

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Es ergibt sich somit ein geschlossener Regelkreis, der den- jeweiligen Abgleichzustand in engen Grenzen zwischen Ueber- und Unterkompensation hält.

Der Polaritätsvergleicher umfasst gemäss Pig. 2 einen dem Eingang A zugeordneten Grenzwertschalter 41 und einen dem Eingang B zugeordneten Rechteck-Signalformer 42 mit hochgradigem Verstärker 421 und nachfolgender Gleichrichter- und Begrenzerstufe 422. Am Ausgang P ergibt sich somit jeweils für die Dauer der positiven Werte des Störspannungssignals u- ein positiver Rechteckimpuls, der als binäres Bejahungssignal (1 = Bejahung, 0 = Verneinung) einer nachfolgenden Logikschaltung 43 zugeführt wird.

Weiterhin umfasst der Polaritätsvergleicher innerhalb des Grenzwertschalters 41 einen oberen und unteren Grenzwertgeber 413 bzw. 414 mit der oberen bzw. unteren Grenzspannung u. bzw. u., bei deren Ueberschreiten bzw. Unterschreiten zugehörige, mit ihren Normaleingängen parallel an den Eingang A angeschlossene Verstärker 411-bzw. 412 hochgradig ausgesteuert werden und über Gleichrichter- und Begrenzerstufen 415 bzw. 416 in den beiden genannten Pällen gleichermassen am Ausgang D bzw.E ein positives Rechtecksignal als binäres Bejahungssignal liefern. Sofern das Ueberlagerungssignal u. zwischen u. und u. liegt, führen beide Ausgänge D und E das verneinende Binär-

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signal entsprechend der Ausgangsspannung Uull. Dies entspricht dem neutralen Steuerbereich des Dreipunktreglers. Die Logikschaltung 43 umfasst einen Unterkompensationsdetektor 431 mit UND-Gattern 431a, 431b und einem zu einem Ausgang G führendem ODER-Gatter und einen Ueberkompensationsdetektor 432 mit UND-Gattern 432a und 432b sowie zu einem .zu Ausgang H führendem ODER-Gatter. Aus dem dargestellten Anschluss der UND-Gatter an die Ausgänge D, E und F der Schaltungsteile 41 bzw. 42 ergibt sich ohne weiteres die Wirkungsweise der Logikschaltung wie folgt: Wenn u. im neutralen Steuerbereich liegt, führen beide Ausgänge G und H verneinendes Binärsignal, im übrigen führt im Fall der Unterkompensation G bejahendes und H verneinendes und im Pail der Ueberkompensation G verneinendes und H bejahendes Binärsignal.

Diese Binärsignale an G bzw. H steuern zugehörige Arbeitsschalter 442 bzw· 443 einer nachfolgenden Üeberlagerungsstufe 44, deren durch einen Summierverstärker 441 gebildeter Ausgang C infolge eines Kulleinganges 444 dieses Verstärkers im neutralen Steuerbereich auf Nullpotehtial, bei Unterkompensation dagegen infolge der an den Schalter 442 angeschlossenen positiven Spannung ein vorgegebenes positives und bei Ueberkompensation infolge der an den Schalter 443 angeschlossenen negativen Spannung ein vorgegebenes negatives Potential annimmt. Diese Potentiale werden im Integrator 5 gemäss Fig. 1 zeitlich integriert und steuern das Signalstellglied 5 im Sinne des geschlossenen Kompensationsregelkreises.

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Venn die durch Potentiometer mit zugehörigen Spannungsquellen gebildeten Grenzwertgeber 413 und 414 auf Nullpotential eingestellt werden, so verschwindet der neutrale Steuerbereich, und der Polaritätsvergleicher nimmt den Charakter eines Zweipunktreglers an. Die Dreipunktregelung hat aber im Pail eines stark zeitlich unsymmetrischen Störsignalverlaufes den Vorteil einer besseren G-rundschwingungskompensation und bietet u.U. auch Vorteile hinsichtlich der RegelkreisStabilität.

In Fig.3 sind die Signalspannungsverläufe an den bereits im . einzelnen erläuterten Schaltungspunkten A, D und E in Zeile a), B und F in Zeile b) sowie an den Schaltungspunkten H und K in Zeilen c) bzw. d) dargestellt. Diese Schaltungspunkte entsprechen den Indices der über der Zeit t angegebenen Spannungsverläufe. Die Spannung Ug ist in Zeile a) nur der Uebersichtlichkeit halber im Gegensatz zu der Spannung U₀ von der Zeitachse aus nach unten aufgetragen. Gemäss Erläuterung des Polaritätsvergleichers anhand von Fig.2 entspricht u-, als bejahendes Binärsignal wie Uy. einem positiven Potential.

Das dargestellte Beispiel entspricht einem Fall der Ueberkompensation mit gegensinniger Polarität bzw. Phasenlage von u. und U_n. Demgemäss ergibt sich zwischen den Zeitpunkten

A. JJ

t, - tp und t. - tj- ein bejahendes Binärsignal u™, wobei dieses Binärsignal im Sinne der erläuterten Dreipunktregelung innerhalb der Zeitintervalle t~ - t. und t,- - tg infolge der

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gleichzeitig verneinenden Binärsignale u~ und o^ trotz an sich gegensinniger Polarität von u. und Og verneint ist. Ab ti wiederholt sich das Arbeitsspiel, jedoch mit verminderter Impulsdauer zwischen tJ und ti sowie t' und t' infolge der durch die Regelung bereits verminderten Ueberkompensation.

In Zeile d) ist das sich entsprechend vermindernde, von einem positiven Ueberkompensationswert ausgehende Steuersignal u^. am Ausgang des Integrators 5 dargestellt. Es ergibt sich durch Zeitintegration aus

Für die Ausregelung einer anfänglichen Unterkompensation, deren besondere Darstellung entbehrlich ist, ergibt sich umgekehrt ein ansteigender Verlauf von u~, wobei anstelle von Ug nun u_& in Wirkung tritt.

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Claims (9)

2A06377 - 13 - Erf. Patentansprüche

1. I Schaltung zur Kompensation von Strom-Störsignalen in einem Stromkreis, an dem eine mit einer Störkomponente behaftete Spannung liegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromsignalzweig (l) und ein von einer Störspannung gespeister Kompensationszweig (2), der ein steuerbares Signalstellglied (2'2) umfasst, mit zueinander gegensinniger Polarität an ein Ueberlagerungsglied (3) angeschlossen sind, dessen Ausgang ein resultierendes Ueberlagerungssignal (u.) führt und zusammen mit einem Anschluss des Kompensationszweiges (2) oder des Stromsignalzweiges (1) an einen Polaritätsvergleicher (4) angeschlossen ist, dessen Ausgang (C) mit einem Steuereingang (K) des Signalstellgliedes (22) in Wirkverbindung steht.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsignalzweig (1) durch ein übertragungsglied (11) mit Hochpasscharakteristik an den störspannungsbehafteten Stromkreis (100) angeschlossen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromsignal (u.) der zeitlichen Ableitung des in dem störspannungsbehafteten Stromkreis (100) fliessenden Stromes (i) zugeordnet und der Stromsignalzweig (1) über ein Differenzierglied (11) an den Stromkreis (100) angeschlossen ist.

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4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationszweig (2) durch ein gleichspannungssperrendes Uebertragungsglied (21) an einen Spannungsmesspfad des störspannungsbehafteten Stromkreises (100) angeschlossen ist,

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polaritätsvergleicher (4) als unstetiger Regler mit mindestens zwei gegensinnig wirkenden, den unterschiedlichen Polaritätsverhältnissen seiner Eingangssignale zugeordneten Schaltzuständen ausgebildet ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass der Polaritätsvergleicher (4) als Dreipunktregler mit einem bezüglich wenigstens eines seiner Eingangssignale neutralen Steuerbereich ausgebildet ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der neutrale Steuerbereich (u^ - u^.) des Polaritätsvergleichers (4) einem vorgegebenen Bereich des Betrages des resultierenden Ueberlagerungssignals (u^) zugeordnet ist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Signalstellgliedes (22) in bezug auf das Ausgangssignal des Polaritätsvergleichers (4) eine zeitliche Integralcharakteristik aufweist.

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9. Schaltung nach einem der Ansprüche .5 "bis 7, dadurch gekennzeichnet", dass das Signalstellglied (22) über einen Integrator (5) mit dem Polaritätsvergleicher (4) in Wirkverbindung steht. '

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