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Schaltung zur Überspannungsbegrenzung in Gleichstrom-Verteilsystemen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Überspannungsbegrenzung in Gleichstrom-Verteilsystemen
zur jvjehrfachverzweigung auf eine größere Anzahl von spannun»sempfindlichen Verbrauchern
oder Verbrauchergruppen.
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Im Verteilsystem einer zentralen Gleichstromversorgung können nach
einem Kurzschluß erhebliche Überspannungen auftreten, wenn der in der Beitungsinduktivität
fließende Kurzschlußstrom beim Auslösen einer Sicherung mehr oder weniger schnell
abgeschaltet wird. Amplitude und Dauer der Überspannung hängen von der IeitungsinduXtivität,
vom abgeschalteten Kurzschlußstrom und vom Eingangswiderstand der verbleibenden
Verbraucher ab. Ist der Verbraucherwiderstand nicht niederohmig genug, um die rach
einem Kurzschluß freiwerdende Speicherenergie der Letungsinduktivität unter Vermeidung
einer unzulässig hohen Überspannung unschädlich zu machen, dann kann zur Begrenzung
der Überspannung eine Ersatzlast in Form eines genügend großen Kondensators verwendet
werden, der die Stromquelle im ungestörten Betriebszustand nicht belastet. Die Leitungsinduktivität
und die zusätzlich vorgesehene Kapazität bilden jedoch einen Serienschwingkreis,
der bei geringer Belastung nur wenig bedämpft ist und zu störenden Einschwlngvorgängen
führt. Würde in die gemeinsame Zuleitung zu diesem Kondensator und zu den Verbrauchern
eine Diode eingeschaltet, so kann das Zurückschwingen zwar verhindert werden. Die
Entladung
des Kondensators, die nur über die noch in Betrieb befindlichen Verbraucher erfolgen
kann, führt jedoch zu einer unerwünschten Verlängerung der Dauer der Überspannung
(SpannuzEs-Zeitintegral) Weitere Nachteile dieser Anordnung sind der Spannungsabfall
und die Verlusts leistung, die der Betriebsstrom an der Diode ständig verursacht.
Die Diode liegt außerdem im turzschlußkreis und würde bereits vor dem Auslösen der
Sicherung beansprucht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand die
nach einem Kurzschluß auftretende Überspannung bei kleinem Spannungs-Zeitintegral
auf einen unschädlichen Wert zu begrenzen9 ohne daß die Versorgung der Verbraucher
im ungestörten Betriebszustand dadurch nachteilig beeinträchtigt ist0 Gemäß der
Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Verteilsystem zwischen einem
zentralen StromverZ sorgungsgerät und den über Sicherungselemente zu den Vor brauchen
führenden Le itungsverzweigungen eine Reihenschaltung aus einem Kondensator hoher
Kapazität und einer von einem Widerstand überbrückten Diode im Querzweig der stromftihrenden
Leitungen angeordnet ist0 Dabei ist es vorteilhaft, den Entladewiderstand so zu
bemessen, daß er bei der Entladung des auf die maximal auftretende Spannung geladenen
Kondensators einen Strom führt, der gerade dem kleinsten Belastungsstrom der Verbraucher
bei Nennspannung entspricht0 Die Beanspruchungszeit der Diode ist nur kurz und Maßnahmen
zur Kühlung sind nicht erforderlich, da an der Diode betriebsmäßig keine Verlustleistung
entsteht.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren 1 und
2 näher erlautertO
In Fig. 1 ist ein Verteilsystem zur Versorgung
mehrerer Verbraucher, die vor Überspannung zu schützen sind, im Prinzip dargestellt.
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Fig. 2 zeigt den Verlauf der Überspannungen.
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Von einer zentralen Stromversorgung 5V für z.B. 48 oder 60 V Gleichspannung
wird über eine gemeinsame Steigleitung, die eine teitungsinduktivität L aufweist
und eine Verzweigungsstelle E eine größere Anzahl von Verbrauchern G speist. In
der Fig. 1 ist nur einer der z.B. als Gleichstromumrichter ausgebildeten Verbraucher
dargestellt.
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Alle Verbraucher sind über Sicherungen Si von der Steigleitung abgezweigt.
Zwischen der zentralen Stromversorgung SV und der Verzweigungsstelle E ist zur Begrenzung
von Überspannungen, die nach einem Kurzschluß an den Eingangsklemmen 1, 2 des Verbrauchers
G auftreten können, im Querzweig der Steigleltalug eine Reihenschaltung aus einem
Kondensator C1 und eier Diode D vorgesehen. Die Diode D ist durch einen Entladewiderstand
R überbrückt.
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Der in der Fig. 1 angedeutete Kurzschluß K am Eingang eines der Verbraucher
führt zu einem starken Stromanstieg in der Steigleitung und schließlich zum Auslösen
der vorgeschalteten Sicherung Si. Die in der Leiungsinduktivität Ii gespeicherte
Energie wird zunächst den Kurzschlußstrom aufrechterhalten und eine Überspannung
hervorrufen, deren Größe vom Gesamtlastwidersand der noch angeschlossenen Verbraucher
abhängig ist. Durch Einschalten des Kondensators Cl, der die in der Leitungsinduktivität
L gespeicherte Energie aufnehmen könnte, ist es möglich, die Überspannungsamplitude
zu begrenzen. In Fig. 2 ist der Verlauf der Uberspannung bei fehlendem Kondensator
durch die Kurve a angedeutet. Der Spannungsverlauf nach Kurve b wird bei Verwendung
einns Kondensators ohne Diode erhalten.
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Durch die Reihenschaltung des Kondensators Cl mit der Diode D wird
ein Zurückechwingen der Überspannung verhindet. Die Bemessung der Diode hängt zwar
von dem theoretisch möglichen maximalen Anfangs strom (Kurzschlußstrom) ab. Da die
Beanspruchungszeit jedoch seh kurz ist und betriebsmäßig keine Verlustleistung entsteht,
sind Maßnahmen zur Kühlung nicht erforderlich. Die Amplitudenbegrenzung durch den
Kondensator Cl wirkt in bekannter Weise. Die Entladung erfolgt über einen zur Diode
parallel geschalteten Widerstand R, der so bemessen ist, daß bei der maximalenn
Spannung am Zusatzkondensator gerade der kleinste Belastungsstrom bei Nennspannung
an den Umrichtern geliefert werden kann.
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Sind am eingang des Verbrauchers, z.B. des Gleichstromumrichters G,
nur Entstörkondensatoren C2, C3 mit kleiner Kapazität vorgesehen, dann ergibt sich
eine steil abfallende Flanke im Maximum der Uberspannung. Das wirksame Spannungs-Zeitintegral
wird dadurch annähernd halbiert, ohne daß ein störender Einschvingvorgang auftreten
kann.
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In iig. 2 ist der Verlauf der Überspannung bei Anwendungen der erfindungsgemäßen
Schaltung durch die Kurve c wieder gegeben.
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2 Patentansprüche 2 Figuren