DE3030225A1

DE3030225A1 - Trennschaltung

Info

Publication number: DE3030225A1
Application number: DE19803030225
Authority: DE
Inventors: Edward Herman Waynesboro Va. Dinger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-08-14
Filing date: 1980-08-09
Publication date: 1981-03-12
Also published as: JPS5640215A; CA1155496A; US4347469A; SE8005720L; BR8005091A; MX148409A

Description

Trennschaltung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Schaltungsanordnung zum Feststellen und Messen des einer Belastung zugeführten Stroms und betrifft insbesondere eine Trennoder Isolierschaltung zum Abgeben eines Ausgangssignals an eine Schaltung relativ niedriger Leistung, das zu dem der Belastung aus einem Starkstromkreis zugeführten Strom proportional ist.

In einem Motorantriebssystem, in welchem beispielsweise ein Gleichstrommotor Strom aus einer Thyristoren enthaltenden Stromrichtergruppe empfängt, erfolgt die Regelung des Motors durch Abfühlen entweder des MotorankerStroms oder des Motorfeldstroms, aus welchem ein Signal erzeugt wird, das den Istmotorbetrieb angibt. Dieses Signal wird dann mit einem einen Sollbetriebszustand angebenden Referenzsignal verglichen, wobei aus ihnen ein Fehlersignal gebildet wird, das zum Steuern der Thyristorstromrichtergruppe benutzt wird. Solche Systeme finden weit verbreitete Anwendung und können in Abhängigkeit von der vorgesehenen spezifischen Aufgabe viele unterschiedliche Schaltungs-

130011/0663

konfigurationen haben. Wegen der relativ großen Ströme, die häufig auf der Starkstromseite des Motorantriebssystems auftreten, ist es unbedingt erforderlich, daß die Möglichkeit besteht, diese Ströme in sicherer und zuverlässiger Weise abzufühlen. Transformatoren können offensichtlich diese Forderung erfüllen, wenn es sich um Wechselströme handelt, wenn jedoch Gleichströme abgefühlt werden müssen, muß auf ausgeklügeltere Einrichtungen zurückgegriffen werden.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zum Feststellen eines in einem Starkstromkreis fließenden Wechsel- oder Gleichstroms zu schaffen.

Weiter soll eine verbesserte Schaltung zum Liefern eines elektrischen Ausgangssignals geschaffen werden, das proportional zu, aber elektrisch getrennt oder isoliert von dem in einem mit einer Belastung verbundenen Starkstromkreis fließenden Strom ist.

Ferner soll eine verbesserte Schaltung zum Liefern eines elektrischen Ausgangssignals geschaffen werden, das zu dem in der Feldwicklung eines Gleichstrommotors fließenden Strom proportional ist.

Außerdem soll eine verbesserte Schaltung zum Liefern eines Ausgangssignals geschaffen werden, das zu dem in der Ankerwicklung eines Gleichstrommotors fließenden Strom proportional ist.

Schließlich soll eine verbesserte Schaltung zum Liefern eines elektrisch getrennten Ausgangssignals geschaffen werden, das zu der Spannung in einem Starkstromkreis proportional ist, in welchem ein zu der Spannung proportionaler Strom verfügbar ist, beispielsweise über einen Widerstand, der an der Ankerspannung des Motors liegt.

13001 1/0663

Die Lösung dieser Aufgabenstellung und weitere Merkmale werden durch Vorsehen eines magnetischen Kreises erreicht, der u.a. eine mit sättigbarem Kern versehene Vorrichtung in Form eines Transformators enthält, von welchem eine Primärwicklung in einen Starkstromkreis mit irgendeiner Impedanz über einem weiten Bereich einschließlich eine große Impedanz aufweisenden Belastungen, wie die Feldwicklung eines Gleichstrommotors, und eine sehr niedrige Impedanz aufweisende Belastung, wie ein Shunt in dem Ankerkreis eines Gleichstrommotors, geschaltet ist, und wenigstens eine Sekundärwicklung, die mit einem Ausgangswiderstand und anderen Bauelementen in einer Regelschaltung verbunden ist, welche abwechselnde Perioden - bezüglich der Zeit - von positiven und negativen Spannungen anlegt, damit der Fluß in dem sättigbaren Kern zwischen einer positiven und einer negativen Sättigungsgrenze trotz des Vorhandenseins des Stroms in der Primärwicklung wechselt, welcher an sich bestrebt ist, den Kern in einer besonderen Magnetisierungsrichtung in Sättigung zu treiben.

Die Schaltung bewirkt die Umkehr der Polarität der an die Sekundärwicklung angelegten Spannung in der erforderlichen Weise, damit der Fluß in dem Kern zwischen der positiven und der negativen Sättigungsgrenze zu allen Zeiten aufrechterhalten wird, mit Ausnahme kurzer Perioden am Ende der positiven und der negativen Flußauswanderungen, wo die Sättigung auftreten darf. Es treten somit in einem Ausgangswiderstand vorübergehende Stromspitzen auf, die zu Spannungsspitzen an dem Ausgangswiderstand führen, welche durch die Regelschaltung benutzt werden, um die Umkehr der an die Sekundärwicklung angelegten Spannung einzuleiten und dadurch den Fluß zu veranlassen, die Sättigung zu verlassen und die Amperewindungs-Flußkennlinie in der entgegengesetzten Richtung zu durchlaufen, bis der Kern sich in der neuen Richtung zu sättigen beginnt. Aufgrund der

130011/0663

Tatsache, daß die Schaltung den Kern zwischen Sättigungsgrenzen im wesentlichen während der gesamten Zeit arbeiten läßt, ist, mit Ausnahme der Wirkung des Kernerregerstroms, der in der Sekundärwicklung und in dem Ausgangswiderstand fließende Strom durch das Verhältnis von Primärzu Sekundärwindungen auf den in der Primärwicklung fließenden Strom bezogen. An dem Ausgangswiderstand fällt demgemäß eine Spannung ab, die proportional zu, aber elektrisch getrennt von dem in der Primärwicklung fließenden Strom ist. In einer modifizierten Ausführungsform enthält die Magnetvorrichtung eine Zweikerndrossel, auf die zwei zusätzliche Wicklungen gewickelt sind, welche für Regelzwecke benutzt werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild, das die Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform für einen Betrieb in Verbindung mit einer eine hohe Impedanz aufweisenden Quelle, wie beispielsweise der Feldwicklung eines Gleichstrommotors, veranschaulicht,

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild einer Magnetvorrichtung mit einem einzelnen Kern und zwei Wicklungen, die in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung benutzt wird,

Fig. 3A und 3B Diagramme, die die Sättigungskennlinien

der in Fig. 2 gezeigten Magnetvorrichtung für dieser in entgegengesetzten Richtungen zugeführte Ströme veranschaulichen.

130011/0663

Fig. 4A und 4B zwei Scharen von Kurven, die die Arbeitsweise der in Fig. 2 gezeigten Magnetvorrichtung für Ströme entgegengesetzter Richtungen veranschaulichen,

Fig. 5 ein Schaltbild, das die Erfindung in ihrer

bevorzugten Ausführungsform für einen Betrieb in Verbindung mit einer eine niedrige Impedanz aufweisenden Quelle, wie beispielsweise einem in den Ankerkreis eines Gleichstrommotors geschalteten Shunt, veranschaulicht,

Fig. 6 ein Schaltbild, das eine Magnetvorrichtung

mit zwei Kernen und vier Wicklungen veranschaulicht, die in der in Fig. 5 gezeigten Schaltung benutzt wird, und

Fig. 7 eine Schar von Kurven, die die Ausgangsspannungen veranschaulicht, welche durch die in den Fig. 1 und 5 gezeigten Ausführungsformen gebildet werden.

In den Zeichnungen, in denen gleiche Teile gleiche Bezugszahlen tragen, wird zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen. Diese zeigt eine Schaltung nach der Erfindung, die dort benutzt wird, wo es erwünscht ist, ein Ausgangssignal zu erfassen und zu liefern, welches zu dem Strom proportional ist, der in einer eine relativ große Impedanz aufweisenden Belastung, wie der Feldwicklung eines Gleichstrommotors, fließt. In Fig. 1 ist eine eine relativ große Impedanz aufweisende induktive Belastung 10, bei der es sich beispielsweise um eine Gleichstrommotorfeldwicklung handeln kann, mit dem Ausgang einer Gleichstromquelle 12 verbunden, bei der es sich beispielsweise um eine bekannte Thyristorbrückenstromrichtergruppe handeln kann, die mit einer drei-

130011/0663

phasigen Wechselstromquelle über Klemmen 13.., 13₂ und 13₃ verbunden ist. In Reihe mit der eine relativ große Impedanz aufweisenden induktiven Belastung 10 liegt die Primärwicklung 14 eines einen sättigbaren Kern aufweisenden magnetischen Transformators 16, dessen Einzelheiten in Fig. 2 gezeigt sind. Der Transformator 16 hat darüber hinaus eine Sekundärwicklung 18. Gemäß Fig. 2 sind die Wicklungen 14 und 18 auf einen geschlossenen Magnetkern 20, beispielsweise einen Ringkern, gewickelt, der aus einem eine rechteckige Hystereseschleife aufweisenden Material hoher Permeabilität, wie beispielsweise Mu-Metall besteht. Die Punkte an einem Ende der Wicklungen 14 und stellen Polaritätspunkte gleicher gegenseitiger Polarität von daran erscheinenden Signalen dar.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform dient dazu, den in der induktiven Belastung 10 fließenden Gleichstrom folgendermaßen abzufühlen. Ein Ende der Sekundärwicklung 18 ist mit einer gemeinsamen Schaltungsverbindung 21 zwischen den Emittern von zwei Transistoren 22 und 24 verbunden, während das entgegengesetzte Ende der Sekundärwicklung 18 mit einer Seite eines festen Ausgangssignalwiderstandes 26 verbunden ist. Die entgegengesetzte Seite des Widerstands 26 ist mit einem Referenzpotentialpunkt verbunden, der als eine gemeinsame Schaltungssammelschiene 28 dargestellt ist_r die normalerweise an Masse liegt. Die mit der Sekundärwicklung 18 verbundene Seite des festen Widerstands 26 ist außerdem mit einem Paar gegensinnig gepolter Z-Dioden 30 und 32 verbunden, das andererseits mit dem invertierenden Eingang 34 eines Operationsverstärkers 36 verbunden ist. Der Verstärker 36 hat außerdem einen nichtinvertierenden Eingang 38. Rückkopplungswiderstände 40 und 4 verbinden den Ausgang 43 des Verstärkers 36 mit den Eingängen 34 bzw. 38. Darüber hinaus sind die Eingänge 34 und 38 über feste Widerstände 44 bzw. 46 mit der gemeinsamen Sammelschiene 28 verbunden. Das Verhältnis des zahlenmä-

130011/0663

mäßigen Widerstandswertes des Widerstands 4 6 zu dem des Widerstands 4 2 wird so gewählt, daß es niedriger als das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 44 und 40 ist. Das Ergebnis dieses Schaltungsaufbaus besteht darin, daß, wenn die Spannung an dem Ausgangssignalwiderstand 26 niedrig ist und keine Leitung über die Z-Dioden 30 und 32 erfolgt, das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 36 im wesentlichen null ist. Wenn jedoch der Magnetkern des Transformators 16 entweder in der positiven oder in der negativen Richtung in Sättigung getrieben wird, wie es die Kennlinien in den Fig. 3A bzw. 3B zeigen, wird die Spannung an dem Widerstand 26 auf einen relativ hohen Wert mit entweder positiver oder negativer Polarität gehen, was von der Sättigungsrichtung des Kerns abhängig ist. Die relativ hohe Spannung, die an dem festen Widerstand 26 auftritt, gelangt über die Z-Dioden 30 und 32 zu dem invertierenden Eingang 34 des Verstärkers 36 und bewirkt, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 3 6 einen vorbestimmten, von null verschiedenen Wert hat. Dieses von null verschiedene Signal, das an dem Ausgang 4 3 auftritt, wird über einen festen Widerstand 48 an den nichtinvertierenden Eingang 50 eines zweiten Operationsverstärkers 52 angelegt, der als eine bistabile Schaltung aufgebaut ist und zwischen zwei stabilen Zuständen (+) und (-) auf das von null verschiedene Ausgangssignal aus dem Verstärker 36 hin umgeschaltet werden kann.

Die bistabile Schaltung, die den Operationsverstärker 52 enthält, enthält eine Verbindung einer invertierenden Eingangsklemme 54 mit der gemeinsamen Sammelschiene 28. Der Ausgang 55 des Verstärkers 52 ist über eine Parallschaltung aus einem festen Widerstand 57 und einem Kondensator 59 mit dem nichtinvertierenden Eingang 50 verbunden. Darüber, hinaus ist ein Paar entgegengesetzt gepolter Halbleiterdioden 60 und 62 parallel zwischen den festen Widerstand 48 und den nichtinvertierenden Eingang 50 geschaltet.

130011/0663

Das Ausgangssignal des Verstärkers 36 triggert die bistabile Schaltung, die den Verstärker 52 enthält, zwischen positiven und negativen Spannungswerten, welche an die Basen der Transistoren 22 und 24 angelegt werden,und die eine Tor- oder Gatterschaltung bildet. Die Kollektoren der Transistoren 22 und 24 sind mit den Versorgungsspannungsklemmen 64 bzw. 66 verbunden, welche die Versorgungspotentiale +v bzw. -V aufweisen. Demgemäß wird in Abhängigkeit von der Polarität des Ausgangssignals der den Verstärker 52 enthaltenden bistabilen Schaltung der eine oder der andere der beiden Transistoren 22 und 24 leitend gemacht, so daß er entweder das Versorgungspotential +V oder das Versorgungspotential -V mit einem Ende der Sekundärwicklung 18 verbindet. Das Umschalten der bistabilen Schaltung auf das an dem festen Widerstand 26 gebildete Signal hin, wenn der Kern in Sättigung geht, erfolgt darüber hinaus in der richtigen Richtung, damit die Spannung +V oder -V mit der richtigen relativen Polarität über den Transistor 22 oder 24 an die Wicklung 18 in der richtigen Richtung angelegt wird, um die Magnetisierungskraft auf dem Kern 20 umzukehren und den Kern aus der Sättigung aus der Richtung, in der er gerade gesättigt worden ist, herauszutreiben. Infolge der neuen Polarität der Spannung, die an den Kern angelegt wird, wird er sich schließlich in der entgegengesetzten Richtung sättigen und die bistabile Schaltung veranlassen, die Spannung umzukehren und wieder mit der ersten Polarität anzulegen. Das hat wieder zur Folge, daß ein Spannungsabfall an dem Ausgangswiderstand 26 mit der entgegengesetzten Polarität gebildet wird, die zu dem Operationsverstärker 36 rückgekoppelt wird, der seinerseits die den Verstärker 52 enthaltende bistabile Schaltung in deren ent- . gegengesetzten Zustand triggern wird. Anhand der Pig. 3A und 3B sowie 4A und 4B wird deutlich, daß ein Schwingungszustand gebildet wird, der den Fluß in dem Transformatorkern zwischen einer positiven und einer negativen Sättigungsgrenze zu allen Zeiten aufrechterhält, mit Ausnahme

130011/0663

der kurzen Perioden an jeder Grenze, wenn ein Sättigungsund Spitzenstrom in dem Widerstand 26 aufgrund der Sättigung auftritt, die benutzt werden, um die an den Kern angelegte Spannung umzukehren und so zu bewirken, daß er prompt wieder die Sättigung verläßt.

Es werden nun kurz die Fig. 3A und 3B betrachtet. Fig. 3A soll die Magnetisierungskennlinie oder Hysteresekurve für einen in der Primärwicklung 14 fließenden positiven Strom I veranschaulichen, wohingegen Fig. 3B die Magnetisierungskennlinie für einen negativen oder entgegengesetzte Polarität aufweisenden Strom in derselben Primärwicklung 14 veranschaulichen soll. Beispielsweise sind die Amperewindungen NI für einen positiven Primärstrom I_p bestrebt, den Kern in einer ersten (positiven) Richtung in Sättigung zu treiben, während die sekundären Amperewindungen NI bestrebt sind, den Kern in der entgegengesetzten (negativen) Richtung in Sättigung zu treiben,und es ist die Differenz zwischen den primären und sekundären Amperewindungen, die den Fluß in dem Kern 20 aus einer Richtung in die andere treibt.

Somit steht zu allen Zeiten, ausgenommen in den Flußauswanderungspunkten, in denen der Kern kurz gesättigt wird, der Sekundärstrom I_c gemäß folgender Gleichung in Beziehung zu dem Primärstrom I_:

N₁
¹S ~ ⁽ N * ¹P ¹EXC

wobei N₁ZN das Verhältnis von Primär- zu Sekundärwindungen und It-,„-, der Magnetisierungsstrom des Kerns ist. Die Fig. 3A und 4A veranschaulichen die durch die Gleichung definierte Beziehung für einen positiven Primärstrom, während die Fig. 3B und 4B die Beziehung für einen negativen Primärstrom zeigen. Während der Zeit, in der der Kern nicht in Sättigung ist, was der größte Teil der Zeit ist, steht der Ausgangs- oder Sekundärstrom I₀ in Beziehung zu dem Primär-

130011/0663

strom Ip, welches der Strom ist, der durch das Windungsverhältnis N^N- abgefühlt wird. Es sei angemerkt, daß der Erregerstrom ein Wechselstrom ist, der eine Polarität I (+V) hat, wenn der Fluß aus der negativen Sättigungsrichtung positiver Sättigung geht, und die andere Polarität Ig(-V), wenn der Fluß in der entgegengesetzten Richtung geht. Die Zeitperioden positiven und negativen Erregerstroms können im wesentlichen gleichgemacht werden, indem der Widerstandswert des Widerstands 26 so gewählt wird, daß der Spannungsabfall an diesem Widerstand im Vergleich zu den Versorgungspotentialen +V und -V relativ klein ist. Demgemäß kann der größte Anteil der Erregerstromauswirkung herausgefiltert werden. Das Ausmaß an Filterung, das erforderlich ist, und somit die nachteilige Auswirkung, die sie auf die Ansprechgeschwindigkeit hat, kann minimiert werden, indem ein geschlossener Kern mit relativ kleinem Querschnitt benutzt wird. Das führt dazu, daß die Betriebsfrequenz und die Frequenz des ErregerStroms angehoben werden. Der Absolutwert des Erregerstroms in bezug auf den Strom, der abgefühlt wird, kann sogar vor dem 'Filtern minimiert werden, indem ein Kernmaterial hoher Permeabilität gewählt wird und indem ausreichend Windungen auf der Primärwicklung 14 benutzt werden.

In Fig. 7 veranschaulicht die Kurve 68 die Spannung, die an dem Ausgangswiderstand 26 auftritt und durch den Strom in der Sekundärwicklung 18 bei einem festen Wert des Stroms in der Primärwicklung 14 erzeugt wird. Es ist zu erkennen, daß die Spannung im wesentlichen konstant ist, mit Ausnahme der Wirkung der Erregerstromwelligkeit und der steilen Spannungsspitzen in den Augenblicken positiver und negativer Sättigung unmittelbar vor der Umkehrung der zeitlichen Änderung in dem Fluß und dem Kern. Die Flußumkehrungen werden, wie oben erwähnt, tatsächlich durch die steilen Spannungsspitzen der Schwingung eingeleitet.

130011/0663

Die Schaltung, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist unter der Annahme beschrieben worden, daß die Impedanz der induktiven Belastung 10 (d.h. der Feldwicklung eines Gleichstrommotors) , bei Betrachtung ihrer Rückwirkung auf die Sekundärwicklung des Transformators 16, in bezug auf die des Ausgangswiderstands 26 relativ hoch ist. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die gestattet, den Stromfluß in einem Schaltungselement mit relativ niedriger Impedanz abzufühlen, bei dem es sich beispielsweise um einen Shunt handeln kann, der zum Abfühlen des in dem Anker eines Gleichstrommotors fließenden Gleichstroms benutzt wird. Demgemäß bezeichnet die Bezugszahl 70 eine Belastung, die aus dem Ankerkreis eines Gleichstrommotors besteht, der zu einem eine niedrige Impedanz aufweisenden Shunt 72 in Reihe geschaltet ist. Die Belastung wird aus einer Thyristorbrückenstromrichtergruppe 12 gespeist, die mit einer dreiphasigen Wechselstromleitung über Klemmen 13^ 13₂ und 13-, verbunden ist. Die Modifizierung beinhaltet die Verwendung eines Sättigungstransformators 16' mit doppeltem Kern und vier Wicklungen und das Hinzufügen einer dritten Operationsverstärkerschaltung, die einen Verstärker 74 und dessen zugeordnete Schaltungselemente enthält, welche zwischen den bistabilen Ausgang des Verstärkers 52 und die Transistoren 22 und 24 geschaltet sind. Der Transformator 16' ist ausführlich in Fig. 6 gezeigt und besteht aus einem inneren Ringkern 76 sowie einem äußeren Ringkern 78, welche aus einem eine rechteckige Hystereseschleife aufweisenden Material hoher Permeabilität bestehen, auf das eine Primärwicklung 80 sowie eine Sekundärwicklung 82 gewickelt sind. Eine dritte Wicklung 84 ist auf beide Kerne gewickelt, während eine vierte Wicklung 86 nur um den äußeren Kern 76 gewickelt ist. Wieder geben die Pölaritätspunkte Wicklungsenden an, welche gleiche Augenblickssignal-Polaritäten in bezug auf einander haben.

13001 1/0663

Der zusätzliche Verstärker 74 (Fig. 5) hat einen Widerstand 88, der ein Ende der Transformatorwicklung 84 mit dem invertierenden Eingang 90 dieses Verstärkers verbindet. Das entgegengesetzte Ende der Wicklung 84 ist mit der gemeinsamen Schaltungssammelschiene 28 verbunden, die, wie zuvor, als mit Masse verbunden dargestellt ist. Ein zweiter fester Widerstand 92, der mit dem invertierenden Eingang 90 verbunden ist, verbindet den Verstärker 74 mit dem geklemmten Ausgang des Verstärkers 52. Die bistabilen positiven und negativen Amplituden der an der Ausgangsklemme 55 erscheinenden Spannung werden in beiden Richtungen durch ein Netzwerk geklemmt, das aus Dioden 94, 96, 98 und 100 sowie einer Z-Diode 102 besteht. Ein Widerstand 104 verbindet den Verstärkerausgang 55 sowohl mit dem Klemmnetzwerk als auch mit dem Widerstand 92. Der nichtinvertierende Eingang 106 des Verstärkers 74 ist zu der gemeinsamen Sammelschiene 28 zurückgeführt, und ein Rückkopplungswiderstand 108 verbindet die Ausgangsklemme 110 des Verstärkers 74 mit dessen invertierendem Eingang 90. Der Operationsverstärker, der den Verstärker 74 enthält, regelt die an die Sekundärwicklung 82 angelegte Spannung durch Steuern des Leitens der Transistoren 22 und 24, so daß nicht die vollen Größen des Potentials +V und -V, das mit den Kollektoren der Transistoren 22 bzw. 24 verbunden ist, an die Wicklung angelegt werden. Die sich ergebende Auswirkung des Anlegens der relativ niedrigeren gegenwirkenden Flußspannungen an die Sekundärwicklung 82 besteht darin, daß ein unerwünschter resultierender Strom minimiert wird, der von der Primärwicklung 80 her auf die Sekundärwicklung rückwirkt. Somit wird der unerwünschte Strom, der in den Ausgangswiderstand 26 fließt, verringert. Die Auswirkung des Klemmens des Eingangssignals an dem Verstärker 74 bewirkt weiter, daß die Spannung an der Wicklung 82 auf entsprechenden gleichen, aber kleineren Werten gehalten wird, um die Zeiten, zu denen der übergang zwischen positiver und negativer Kernsättigung erfolgt, praktisch gleichzu-

130011/0663

machen und so die Welligkeitsfrequenz symmetrisch und leicht filterbar zu machen.

Die vierte Wicklung 86 wird benutzt, um die Umschaltung der bistabilen Schaltung zu steuern, ohne daß es erforderlich ist, daß eine Signalspannung an dem Widerstand 26 erscheint, der, wie mit Bezug auf die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform beschrieben, in Kombination mit den Z-Dioden 30 und 32 und dem Verstärker 36 bewirkt, daß Triggersignale bei den hohen Stromspitzen erzeugt werden, die auftreten, wenn der Kern in das positive und in das negative Sättigungsgebiet getrieben wurde. In der hier beschriebenen Ausführungsform bleiben die Z-Dioden 30 und 32, ebenso wie der den Verstärker 36 und dessen zugeordnete Schaltungselemente enthaltende Operationsverstärker. Diese Schaltungsanordnung wird jedoch lediglich benutzt, um einen richtigen Anlauf sicherzustellen, sie erfüllt aber keine Steuerfunktion während des normalen Betriebes. Gemäß Fig. 5 ist die Wicklung 86 mit dem invertierenden Eingang 54 des Verstärkers 52 über einen Parallelwiderstand 112 und einen Reihenwiderstand 114 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang 50 des Verstärkers 52 ist über einen festen Widerstand 116 zu der gemeinsamen Schaltungssammelschiene 28 zurückgeführt. Es sei angemerkt, daß die Signaleingänge des Verstärkers 52 gegenüber denen in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform vertauscht sind. Der Grund dafür ist das Vorhandensein der Regelverstärkerschal tungs anordnung, die den Verstärker 74 nun zwischen der bistabilen Schaltung und der aus den Transistoren 22 und 24 bestehenden Gatterschaltung angeordnet enthält. Darüber hinaus enthält die in Fig. 5 gezeigte Schaltung einen festen Widerstand 118 in Reihe mit dem Kondensator 61, die zwischen den Ausgang 55 und den nichtinvertierenden Eingang 50 geschaltet sind, um die Umschaltgeschwindigkeit der bistabilen Schaltung zu verbessern.

13001 1/0663

Die bistabile Umschaltung, die nun durch die Wicklung 86 gesteuert wird, geht folgendermaßen vor sich. Wegen der größeren Flußweglänge des äußeren Kerns 76 (Fig. 6) wird sich der Fluß nur in dem die kürzere Weglänge aufweisenden inneren Kern 78 und nicht in dem die größere Weglänge aufweisenden äußeren Kern ändern, bis der innere Kern sich der Sättigung nähert. Ebenso wird die von der Wicklung abgegebene Spannung null sein, sofern keine Flußänderung auftritt, bis der Fluß beginnt, sich in dem äußeren Kern zu ändern, genau wenn sich der innere Kern der Sättigung nähert. Das Auftreten dieser kleinen positiven und negativen Spannungsspitzen, die auftreten, wenn sich der innere Kern der positiven bzw. negativen Sättigung nähert, sind in der Kurve 120 von Fig. 7 gezeigt. Diese relativ kleinen positiven und negativen Spannungsspitzen bewirken, wenn sie an den invertierenden Eingang 54 des Verstärkers 52 angelegt werden, daß die bistabile Schaltung umschaltet und somit die Richtung der an die Wicklung 82 durch das Leiten entweder des Transistors 22 oder des Transistors 24 angelegten Spannung umschaltet. Das Endergebnis der in Fig. 5 gezeigten Schaltungskonfiguration mit zwei Kernen besteht darin, daß sie die Spitzen in dem an dem Widerstand 26 auftretenden Signal stark verringert. Da weniger Filterung dieses Signals erforderlich ist, ist die Ansprechgeschwindigkeit beträchtlich größer als die der in Fig. 1 gezeigten Schaltung mit einem Kern.

Was gezeigt und beschrieben worden ist, sind somit zwei Schaltungsvariationen, die in der Lage sind, elektrische Ausgangssignale zu liefern, welche zu dem Strom proportional sind, der in durch einen Starkstromkreis gespeisten Schaltungselementen fließt, welche eine hohe Impedanz bzw. eine niedrige Impedanz haben. Durch die Verwendung einer magnetischen Vorrichtung, die einen Kern aus einem eine rechteckige Hystereseschleife und eine hohe Permeabilität aufweisenden Material enthält und eine Wicklung hat, die

130011/0663

den abzufühlenden Starkstromkreis strom führt, sowie eine zweite Wicklung zum Liefern eines proportionalen Ausgangsstromsignals, erreicht die Schaltung Proportionalität durch Anlegen abwechselnder Perioden positiver und negativer Spannung an die zweite Wicklung, deren Zeitdauer bewirkt, daß der Fluß zwischen einer positiven und einer negativen Sattigungsgrenze wechselt, woraufhin die beiden Ströme in der einen bzw. anderen Wicklung durch das Windungsverhältnis der Vorrichtung aufeinander bezogen sind.

130011/0663

Claims

Patentansprüche :

( 1. J Trennschaltung zum Liefern eines elektrisch getrennten Aüsgangssignals, das zu dem elektrischen Strom proportional ist, welcher in einer durch einen Starkstromkreis gespeisten Belastung fließt, gekennzeichnet durch:

a) eine Belastung (10), die mit dem Starkstromkreis verbunden ist;

b) eine Magnetvorrichtung (16), die eine Primärwicklung (14) und eine Sekundärwicklung (18) aufweist, welche auf ein Kerngebilde (20) gewickelt sind, das aus einem Material besteht, welches eine Magnetisierungskennlinie in Form einer im wesentlichen rechteckigen Hystereseschleife hat, wobei die Primärwicklung mit der Belastung verbunden ist und auf den Strom in der Belastung anspricht, um das Kerngebilde in einer ersten magnetisierbaren Richtung zur Sättigung zu treiben;

c) eine Ausgangssignalimpedanz (26), die mit einem Ende der Sekundärwicklung (18) verbunden ist und auf den Strom anspricht, der in dieser fließt, um das Ausgangssignal zu erzeugen; und

d) eine Regelschaltungsanordnung, die zwischen die Ausgangssignalimpedanz (26) und das andere Ende der Sekundärwicklung (18) geschaltet ist und auf das Ausgangssignal

anspricht, um eine Spannung zu bilden und an die Sekundärwicklung anzulegen, damit das Kerngebilde in einer zweiten magnetisierbaren Richtung, die zu der ersten Richtung entgegengesetzt ist, zur Sättigung getrieben wird, wodurch ein Betriebszustand zwischen einer positiven und einer negativen Sättigungsgrenze gebildet wird, in welchem in der Sekundärwicklung fließender Strom durch das Windungsverhältnis zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung in proportionaler Beziehung zu dem in der Primärwicklung fließenden Strom steht.
2. Trennschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung (a) einen Elektromotor (70) aufweist.
3. Trennschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung (a) die Feldwicklung (10) eines Elektromotors (70) aufweist.
4. Trennschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignalimpedanz (c) eine ohmsche Impedanz (26) aufweist, die zwischen die Sekundärwicklung (18) und einen Referenzpotentialpunkt (28) geschaltet ist.
5. Trennschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltungsanordnung (d) enthält:

e) eine Gatterschaltungsanordnung (22,24), die zwischen ein positives und ein negatives Quellenpotential (+V,-V) geschaltet ist und positive und negative Potentiale vorbestimmter Größen an das andere Ende der Sekundärwicklung (18) anlegt, und

f) eine bistabile Schaltungsanordnung (52), die einen mit der Gatterschaltungsanordnung verbundenen Ausgang (55) hat und auf die Größe des Ausgangssignals anspricht, um zwischen einen ersten und einem zweiten bistabilen Zustand umgeschaltet zu werden und dadurch die Gatter-

130011/0663

schaltungsanordnung zu veranlassen, das positive und das negative Potential abwechselnd bei jeder Zustandsumschaltung der bistabilen Schaltungsanordnung anzulegen.
6. Trennschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltungsanordnung (d) weiter enthält:

g) einen Umschaltkreis (36), der zwischen die ohmsche Impedanz (26) und die bistabile Schaltungsanordnung (52) geschaltet ist und auf die Größe des Ausgangssignals anspricht, das an der ohmschen Impedanz erscheint, um ein Umschaltsignal zu erzeugen, das an die bistabile Schaltungsanordnung angelegt wird, um diese von einem der bistabilen Zustände auf den anderen umzuschalten.
7. Trennschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rege!schaltungsanordnung (d) weiter enthält:

h) ein Paar Z-Dioden (30,32), die gegensinnig gepolt zwischen die ohmsche Impedanz (26) und den Umschaltkreis (36) geschaltet sind.
8. Trennschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterschaltungsanordnung (e) enthält:

i) zwei Halbleitervorrichtungen (22, 24), die gemeinsam zwischen das positive und das negative Quellenpotential (+V,-V) geschaltet sind und LeitungsSteuerelektroden haben, welche gemeinsam mit dem Ausgang (55) der bistabilen Schaltungsanordnung (52) verbunden sind, und Stromausgangselektroden, die gemeinsam mit dem anderen Ende (21) der Sekundärwicklung (18) verbunden sind.
9. Trennschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitervorrichtungspaar (i) enthält:

ein Paar Transistoren (22, 24) mit Basis, Emitter- und Kollektorelektroden, wobei die Kollektorelektroden mit dem positiven bzw. negativen Quellenpotential (+V,-V), die

130011/0663

Basiselektroden gemeinsam mit dem Ausgang (55) der bistabilen Schaltungsanordnung (52) und die Emitterelektroden gemeinsam mit dem anderen Ende (21) der Sekundärwicklung (18) verbunden s ind.
10. Trennschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Schaltungsanordnung (f) enthält:

j) einen Operationsverstärker (52) mit einem invertierenden Eingang (54) und einem nichtinvertierenden Eingang (50) sowie einem Ausgang (55), der mit der Gatterschaltung sanordnung (22, 24) verbunden ist,

k) ein Parallelnetzwerk, das aus einem Widerstand (57) und einem Kondensator (59) besteht und zwischen den Ausgang (55) und einen der beiden Eingänge des Operationsverstärkers geschaltet ist,

1) ein Paar Halbleiterdioden (60, 62), die zueinander parallel und entgegengesetzt gepolt zueinander zwischen den einen Eingang des Operationsverstärkers und den Umschaltkreis (36) geschaltet sind, und

m) eine Einrichtung, die den anderen Eingang (54) des Operationsverstärkers mit dem Referenzpotentialpunkt (28) verbindet.
11. Trennschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltkreis (g) enthält:

n) einen Operationsverstärker (36) mit einem invertierenden Eingang (34) und einem nichtinvertierenden Eingang (38) sowie einem Ausgang (43) , der mit der bistabilen Schaltungsanordnung (52) verbunden ist,

o) einen ersten Rückkopplungssignalweg, der einen ersten Widerstand (40) enthält, welcher zwischen den Ausgang (43) und einen der beiden Eingänge des Operationsverstärkers (36) geschaltet ist,

p) einen zweiten Widerstand (44), der zwischen den einen Eingang (34) und einen Referenzpotentialpunkt (28) geschaltet ist,

130011/0663

q) einen zweiten Rückkopplungssignalweg, der einen dritten Widerstand (42) enthält, welcher zwichen den Ausgang (43) und den anderen Eingang (38) des Operationsverstärkers (36) geschaltet ist,

r) einen vierten Widerstand (46), der zwischen den anderen Eingang (38) und einen Referenzpotentialpunkt (28) geschaltet ist, und

wobei das Verhältnis des Widerstandswertes des zweiten Widerstands zu dem des ersten Widerstands relativ niedriger ist als das Verhältnis des Widerstandswertes des vierten Widerstands zu dem des dritten Widerstands und wobei die Schaltungskombination so betreibbar ist, daß der Signalwert des Ausgangssignals während Nichtleitungszuständen des Z-Diodenpaares (30, 32) auf einem Potential von im wesentlichen null gehalten wird.
12. Trennschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetvorrichtung (b) ein geschlossenes Kerngebilde (20) enthält und daß die Sekundärwicklung (18) eine relativ größere Anzahl von Windungen als die Primärwicklung (14) aufweist.
13. Trennschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung(a) eine ohmsche Impedanz (72) aufweist, die an der Ankerspannung eines Elektromotors (70) liegt.
14. Trennschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungsstrom abgefühlt wird, indem ein Shunt mit relativ niedriger Impedanz (7 2) in Reihe mit der Ankerwicklung eines Elektromotors (70) benutzt wird.
15. Trennschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetvorrichtung (b) eine weitere Wicklung (86) aufweist, die auf das Kerngebilde (76, 78) gewickelt

130011/0663

ist, und

daß die Regelschaltungsanordnung (d) enthält:

e) eine Gatterschaltungsanordnung (22, 24), die zwischen ein positives und ein negatives Quellenpotential (+V, -V) geschaltet ist, um positive und negative Potentiale vorbestimmter Größen an das andere Ende der Sekundärwicklung (82) anzulegen, und

f) eine bistabile Schaltungsanordnung (52) mit einem Ausgang (55), der mit der Gatterschaltungsanordnung (22, 24) verbunden ist, und mit einem Eingang (54), der mit der weiteren Wicklung (86) verbunden ist, welche auf den in der Primärwicklung (80) fließenden Strom anspricht, um ein Triggersignal zu bilden und an die bistabile Schaltungsanordnung anzulegen, damit die Binärzustände der bistabilen Schaltung umgeschaltet werden.
16. Trennschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kerngebilde (76, 78) der Magnetvorrichtung

(b) aus einem inneren Ringkern (78) und einem äußeren Ringkern (76) besteht,

wobei die Primär- und die Sekundärwicklung (80, 84) auf beide Kerne gewickelt sind und wobei die weitere Wicklung

(86) nur auf den äußeren Kern (76) gewickelt ist.
17. Trennschaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich¹-net, daß die Regelschaltungsanordnung (d) weiter enthält:

g) eine bipolare Spannungsklemmschaltung (92, 94, 96, 98, 100, 104), die zwischen die bistabile Schaltungsanordnung (52) und die Gatterschaltungsanordnung (22, 24) geschaltet ist.
18. Trennschaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltungsanordnung (d) weiter enthält: h) eine Spannungsreglerschaltung (74, 84), die zwischen die bistabile Schaltungsanordnung (52) und die Gatter-

130011/0663

schaltungsanordnung (22, 24) geschaltet ist, um die Größe des positiven und des negativen Potentials, die an das eine Ende der Sekundärwicklung (82) angelegt werden, in Abhängigkeit von dem vorhandenen bistabilen Zustand der bistabilen Schaltungsanordnung auf einen Wert zu regeln, der relativ niedriger als die Größe der Quellenpotentiale ist.
19. Trennschaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglerschaltungsanordnung (h) enthält:

noch eine weitere Wicklung (84) auf dem Kerngebilde (76, 78), die auf den inneren und den äußeren Kern gewickelt ist, und

i) einen Operationsverstärker (74), der wenigstens einen Eingang (90) und einen Ausgang (110) hat, wobei der Eingang gemeinsam mit der noch weiteren Wicklung (84) und dem Ausgang (55) der bistabilen Schaltungsanordnung (52) verbunden und wobei der Ausgang mit der Gatterschaltungsanordnung (22, 24) verbunden ist.
20. Trennschaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterschaltungsanordnung (e) enthält:

j) ein Paar Halbleitergatter (22, 24), die gemeinsam zwischen das positive und das negative Quellenpotential (+V,-V) geschaltet sind und Steuerelektroden haben, welche gemeinsam mit dem Ausgang (55) der bistabilen Schaltungsanordnung (52) verbunden sind, und Stromausgangselektroden, die gemeinsam mit dem anderen Ende

(21) der Sekundärwicklung (82) verbunden sind.
21. Trennschaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitergatterpaar (j) ein Paar Transistoren (22, 24) mit Basis-, Emitter- und Kollektorelektroden aufweist, wobei die Kollektorelektroden mit dem positiven bzw. negativen Quellenpotential (+V,-V), die Basiselektroden

130011/0663

gemeinsam mit dem Ausgang (55) der bistabilen Schaltungsanordnung (52) und die Emitterelektroden gemeinsam mit dem anderen Ende (21) der Sekundärwicklung (82) verbunden sind.

130011/0663