DE2546179A1 - Schaltungsanordnung zur gesteuerten einschaltung eines transformators - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung zur gesteuerten Einschaltung
• eines Transformators.
• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur gesteuerten Einschaltung eines Transformators mittels eines elektromechanischen Schalters.
• Bei verschiedenen Anwendungen, z.B. bei Komfortausrüstungen für Eisenbahnwagen, werden oft Transformatoren eingesetzt, die von der Heizleitung gespeist werden und die Spannung für die verschiedenen Verbraucher (z.B. Umformergruppe für Drehstrombordnetz, Batterieladung, Klimaanlage, Hilfsbetriebe) anpassen. Beim Einschalten von Transformatoren können Einschaltstromstösse auftreten, die wesentlich über-dem Nennstrom liegen und den Maximalstromschutz (z.B. Sicherung, Schaltgerät mit direkter oder indirekter Ueberstromauslösung) zum Ansprechen bringen. Wird der Schutz entsprechend dem grösstmöglichen Einschaltstromstoss angepasst, so ist ohne zusätzlichen Aufwand kein zuverlässiger Schutz gegen kleinere Ueberlastungen vorhanden.
• Diesellokomotiven sind teilweise mit statischen Heizwechselrichtern ausgerüstet, wobei der Ansprechwert ihres Schutzes nur wenig über der dauernd zulässigen Belastungsgrenze liegt and die Abschaltung binnen ca. 1 ms erfolgt. Soll nun im Betrieb der Heizwechselrichter voll ausgenützt werden können, so darf beim Einschalten der Heizleitung mit den Transformatoren der Ansprechwert des Schutzes nicht erreicht werden.
• Eine Begrenzung der Einschaltstromstösse ist daher erstrebenswert.
• Wird ein Transtrmator genau im Zeitpunkt des Spannungsmaximums an die Wechselspannungsquelle geschaltet, so können sich Fluss und Magnetisierungsstrom sofort entsprechend ihren stationären Werten ausbilden, siehe Fig. la. Erfolgt das Zuschalten nicht im Moment des Spannungsmaximums, so entsteht eine Verlagerung des Flusses, und der Magnetisierungsstrom erreicht grössere Werte als der stationäre Endwert. Der ungünstigste Moment ist das Einschalten beim Spannungsnulldurchgang, wo sich der Fluss auf den doppelten Wert 2 <Pm aufbauen muss (Fig. Ib). Wegen der Sättigung des Transformatorkernes erreicht der Magnetisierungsstrom beim doppelten Amplitudenwert des Flusses sehr hohe Werte, die ein Mehrfaches des Transformatornennstromes betragen können (Fig. lc). Wenn noch ein Remanenzfluss + r vorhanden ist, so kann die Summe entstehen (Fig. ld), die eine weitere Erhöhung des Magnetisierungsstromes zur Folge hat.
• In Fig. la .. d bedeutet u die Spannung den Fluss den Remanenzfluss den Maximalwert des stationären Flusses i den Magnetisierungsstrom t die Zeit Durch die stark asymmetrische Form des Magnetisierungsstromes tritt eine Gleichstromkomponente auf, die unter Einfluss des ohmschen Widerstandes des Transformatorprimärkreises abnimmt.
• Dieser Gleichstrom klingt in Funktion der Zeit etwa nach einer Exponentialfunktion ab, deren Zeitkonstante bei grösseren Transformatoren mehrere Sekunden betragen kann. Der Verlauf des Flusses und den Magnetisierungsstromes unter Berücksichtigung der ohmschen Widerstände ist in Fig. lb ... ld gestrichelt dargestellt.
• Unter Annahme einer idealisierten Magnetisierungskennlinie (Fig. 2) kann der Anfangsverlauf des MagnetisieruXngsstromes gemäss Fig. 3 bestimmt werden. In Fig. 2 und 3 bedeutet OB die Magnetisierungskennlinie (OAB tatsächlich, OCB idealisiert) den Fluss den Sättigungsfluss den Mittelwert des Flusses u die Spannung i den Magnetisierungsstrom t die Zeit Der verbreitete Einsatz von kaltgewalzten, kornorientierten Blechen im Transformatorenbau ermöglichte die Anwendung von Induktionen von bis zu 1,8 T (1 T = 1 Tesla = 104 Gauss), während bei den früher verwendeten gewöhnlichen, warmgewalzten Dynamoblechen 1,2 ... 1,6 T üblich war. Durch die Erhöhung der Induktion konnte das spezifische Leistungsgewicht (kg/kVA) d-er Transformatoren reduziert werden. Da der Anstieg der MagnedB wobei tisierungskurven.(dHX wobei B = Induktion, H = Feldstärke) oberhalb der vorerwähnten Induktionen bei den kornorientierten Blechen flacher erfolgt als bei den gewöhnlichen Bleichen, erreichen die Einschaltstromstösse von Transformatoren mit kornorientierten Blechen höhere Werte als solche älterer Bauart.
• Für die Berechnung des Einschaltstromstosses sind Theorie und Berechnungsgang bereits an anderen Stellen ausführlich erläutert worden, z.B. F. Huber: Einschaltstromstösse von Verteiltransformatoren, Brown Boveri Mitt. Band 52, 1965 (11/12), S. 908.
• Wie es sich gezeigthat, sind Massnahmen bei Transformatoren selbst zur Begrenzung des Einschaltstromstosses nur von sehr beschränktem Wert. Deshalb liegt es nahe, Begrenzungsmöglichkeiten mittels peripherer Geräte anzustreben.
• Die naheliegendste Begrenzung des Einschaltstromstosses ist diejenige mittels eines Vorwiderstandes, der nach einigen Sekunden überbrückt wird (Fig. 4). Hier bedeutet 1 ein Schütz 2 ein Ueberbrückungsschütz 3 den Vorwiderstand 4 den Transformator 5 einen Steuerkontakt 6 ein einschaltverzögertes Zeitrelais.
• Der Mehraufwand umfasst mindestens 1 Schütz, Vorwiderstand und Zeitrelais. Diese Anordnung könnte statt auf dem Wagen auf dem speisenden Trieb fahrzeug vorgesehen werden, was ins- -ges-amt einen geringeren Aufwand bedeutet. Dies bedingt allerdings eine feste Zuordnung der Trieb fahrzeuge zu den Kompositonen, deren Wagenausrüstungen Transformatoren enthalten, was einen freizügigen Einsatz des iRollmaterials erschwert.
• Weitere Möglichkeiten des peripheren Schutzes sind das Einbeziehen des Transformators in die Anlasschaltung der Umformergruppe, wo eine solche vorhanden ist, Massnahmen beim Ueberstromschutz und die gestaffelte Einschaltung, die in Betracht.
• gezogen werden kann, wenn das gleichzeitige Zuschalten der Wagentransformatoren vom Trieb fahrzeug aus infolge Ansprechen des Maximalstromrelais nicht möglich ist. Diese Einschaltung erfordert auf jedem Wagen ein Schütz, das nach dem Erscheinen der Spannung an der Zugsammelschiene über ein individuell eingestelltes Zeitrelais angesteuert wird.
• Bei all diesen Methoden ist es kaum möglich, die Einschaltung in einem in bezug auf den Momentanwert der Spannung genau definierten Zeitpunkt vorzunehmen, was aber günstig wäre, da die Höhe des Einschaltstromstosses von diesem Zeitpunkt hauptsächlich abhängig ist. Um dies zu erreichen, ist eine Einschaltung anzustreben, die auf einen vorbestimmten Zeitpunkt gesteuert ist. Hier bietet sichzunächst die gesteuerte Einschaltung mittels eines elektronischen Schalters (z.B. Thyristors) an, doch genügt diese Lösung trotz ihrer Eleganz nicht den Ansprüchen der Wirtschaftlichkeit.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Einrichtungen zu vermeiden und eine zur gesteuerten Einschaltung eines Transformators dienende Schaltungsanordnung anzugeben, die sich durch Einfachheit und Wirtschaftlichkeit auszeichnet. Dabei wird der Transformator mittels eines elektromechanischen Schalters eingeschaltet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Einschalten des elektromechanischen Schalters zur Vermeidung des Einflusses von Spannungs- und Temperaturänderungen mittels einer vorbestimmten von densatorentladung vorgenommen wird, derart, dass nach dem Schliesse eines in Reihe mit einem elektronischen Schalt element und der Spule des elektromechanischen Schalters liegenden Steuerkontaktes der Kondensator von einer Ladespannung über eine erste Diode und einen ersten und zweiten Widerstand auf eine höhere Spannung als die der Nennspannung der Spule ungefähr entsprechende Haltespannung aufgeladen wird, dass ein durch einen aus einem dritten und einem vierten Widerstand bestehenden Spannungsteiler gegebener Teil der Kondensatorspannung in einem Komparator mit einer Messpannung verglichen wird, die durch den Spannungsabfall an der über eine zweite Diode in Reihe mit einem fünften Widerstand von einer Konstantspannung gespeisten Serieschaltung aus einem sechsten Widerstand und der Spule gegeben ist, däss beim Erreichen der Messpannung durch die Kondensatorteilspannung der Komparatorausgang über eine Steuerelektronik die Zündung des elektronischen Schaltelements und damit die Entladung des Kondensators über die Spule, eine dritte Diode, das elektronische Schaltelement und den dritten Widerstand bewirkt, womit der elektromechanische Schalter mit seinem Hauptkontakt eingeschaltet wird und seinerseits den Transformator einschaltet.
• Die Erfindung sei jetzt anhand der Fig. 5 näher erläutert.
• Vor dem Einschalten des Steuerkontaktes S fliesst von der Konstantspannung UK ein kleiner Messstrom über die Spule Sp des elektromechanischen Schalters, der insbesondere als Schütz ausgebildet ist, über die Widerstände R6 und R5 und die Diode D2, wobei R5 den höchsten Widerst-andswert aufweist und damit strombestimmend ist. Der Widerstand R6 ist gleich dem Widerstand R1. Durch Angreifen der Messpannung UM über Sp und R6 wird der - temperaturabhängige - Spulenwiderstand berücksichtigt. Nach dem Schliessen des Steuerkontaktes S wird von der Ladespannung U über die Diode D1 sowie die Widerstände L langsam R1 und R2 der KondensatorCYauf eine höhere Spannung als die Haltespannung UH aufgeladen (die Haltespannung entspricht etwa der Spulennennspannung). Ueber den Spannungsteiler R3> R4 wird die Kondensatorteilspannung UC im Komparator K mit der Messspannung UM verglichen. Wenn die Teilspannung Us die Messspannung erreicht, erfolgt über die Steuerelektronik die ZUndung des Thyristors Thy und damit die Entladung des Kondensators über die Spule Sp, Diode D3> Thyristor Thy und Wider--stand R1, womit der elektromechanische Schalter (Schütz) eingeschaltet wird. Erst wenn die Spannung an Sp durch die Entladung des Kondensators den Wert der Haltespannung UH, unterschreitet, liefert letztere den erforderlichen Haltestrom, damit das Schütz eingeschaltet bleibt.
• Die Steuerelektronik ist aus folgenden Teilen aufgebaut: - Eine Trigger-Addierstufe T, die an ihren beiden Eingängen einerseits das Ausgangssignal des Komparators K und andererseits über ein Filter (F) mit nachgeschaltetem Impulsformer Imp eine Synchronisierspannung Usy empfängt, die synchron zur Wechselspannung des einzuschaltenden Transformators ist.
• - Ein der Addierstufe T nachgeschaltetes Zeitrelais Z, zur Einstellung des gewünschten Einschaltmomentes des Hauptkontaktes des elektromechanischen Schalters.
• - Eine eingangsseitig mit dem Ausgang des Zeitrelais Z und ausgangsseitig mit der Zündelektrode des Thyristors Thy verbundene Zündstufe Zs.
• Mit der vorgeschlagenen Schaltung können verschiedene Bauarten elektromechanischer Schalter (Schütze, Gasschalter, Flüssigkeitsschalter) gesteuert werden. Bei Schaltern, die eine Ausschaltspule besitzen, besteht auch die Möglichkeit für gesteuerte Ausschaltung.
• Leerseite

Claims (8)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e l.)Schaltungsanordnung zur gesteuerten Einschaltung eines Transformators mittels eines elektromechanischen Schalters, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschalten des elektromechanischen Schalters zur Vermeidung des Einflusses von Spannungs- und Temperaturänderungen mittels einer vorbestimmten Kondensatorentladung vorgenommen wird, derart, dass nach dem Schliessen eines in Reihe mit einem elektronischen Schaltelement (Thy) und der Spule (Sp) des elektromechanischen Schalters liegenden Steuerkontaktes (S) der Kondensator (C) über eine erste Diode (D1) und einen ersten und zweiten Widerstand (R1, R2) auf eine höhere Spannung als die der Nennspannung der Spule (Sp) ungefähr entsprechende Haltespannung (UH) aufgeladen wird, dass ein durch einen aus einem dritten und einem vierten Widerstand (R3, R4) bestehenden Spannungsteiler gegebener Teil (Uc) der Kondensatorspannung in einem Komparator (K) mit einer Messpannung (UM) ) verglichen wird, die durch den Spannungsabfall an der über eine zweite Diode (D2) in Reihe mit einem fünften Widerstand (R5) von einer Konstantspannung (UK) gespeisten Serieschaltung aus einem sechsten Widerstand (R6) und der Spule (Sp) gegeben ist, dass beim Erreichen der Messpannung (UM) durch die Kondensatorteilspannung (Uc) der Komparatorausgang über eine Steuerelektronik die Zilndung des elektronischen Schaltelements (Thy) und damit die Entladung des Kondensators (C) über die Spule (Sp), eine dritte Diode (D3), das elektronische Schaltelement (Thy) und den dritten Widerstand (R3) bewirkt, womit der elektromechanische Schalter eingeschaltet wird und seinerseits des Transformator einschaltet.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand (R1) und der sechste Widerstand (R6) einander gleich sind.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik aus folgenden Teilen aufgebaut ist: 3.1 Eine Trigger-Addierstufe (T), die an ihren beiden.

   Eingängen einerseits das Ausgangssignal des Komparators (K) und andererseits über ein Filter (F) mit nachgeschaltetem Impulsformer (Imp) eine Synchronisierspannung (Usy) empfängt, die synchron zur Wechselspannung des einzuschaltenden Transformators ist.

   3.2 Ein der Addierstufe (T) nachgeschaltetes Zeitrelais (Z), zur Einstellung des gewünschten Einschaltmomentes des Hauptkontaktes des elektromechanischen Schalters.

   3.3 Eine eingangsseitig mit dem Ausgang des Zeitrelais (Z) und ausgangsseitig mit der Zündelektrode des elektronischen Schaltelementes (Thy) verbundene Iundstufe (Zs).
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung auf den gewünschten Moment des Schliessens des Hauptkontaktes des Schalters (Sp) mittels eines Potentiometers im Zeitrelais (Z) erfolgt.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Schaltelement (Thy) ein Thyristor ist.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Schalter ein Schütz ist.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Schalter ein Gasschalter ist.
8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Schalter ein Flüssigkeitsschalter ist.