DE3439875A1

DE3439875A1 - Schaltungsanordnung zur fernspeisung elektrischer verbraucher mittels wechselspannungs-parallelspeisung

Info

Publication number: DE3439875A1
Application number: DE19843439875
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 8039 Puchheim Albrecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-10-31
Filing date: 1984-10-31
Publication date: 1986-04-30
Also published as: DE3439875C2

Description

Schaltungsanordnung zur Fernspeisung elektrischer Verbraucher mittels Wechselspannungs-Parallelspeisung

Die Erfindung bezieht sich auf eine wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebene Schaltungsanordnung.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bereits aus E. Ganzer und W. Hering: "Die Fernspeise-Einrichtungen des 12-MHz-Trägerfrequenzsystems V270" bekannt. Bei der bekannten Einrichtung ist ein magnetischer Spannungskonstanthalter vorgesehen. Tritt ein unzulässiger überstrom im Stromversorgungsgerät auf, dann spricht ein Schaltauto· mat an und eine Fernüberwachung meldet den Fehlerort.

Ferner ist bereits aus der DE-OS 31 22 835 eine Schaltungsanordnung zur Einschaltstrombegrenzung bekannt, bei der eine Ladekondensatorschaltung mit einem Verbraucher über einen Vorwiderstand, der durch einen elektronischen Schalter nach dem Einschaltzeitpunkt zeitverzögert kurzschließbar ist, an ein Wechselstromnetz angeschlossen wird.

Man kann bei einer Schaltungsanordnung zur Wechselspannungs-Parallelspeisung durch Verwendung von Spezialtransformatoren, die narve der magnetischen Sättigung betrieben werden, erreichen, daß der Kurzschlußstrom auf einen Wert begrenzt wird, der etwa dem doppelten Betriebsstrom entspricht. Von Vorteil ist dabei, daß unmittelbar nach Beseitigung des Kurzschlusses der normale Speisebetrieb selbsttätig wieder aufgenommen wird. Dabei ist es allerdings erforderlich, in der Schaltungsanordnung erhebliche

35 Leistungsreserven vorzusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung Wd 1 EM /30.10.1984

zur Fernspeisung elektrischer Verbraucher mittels Wechselspannungs-Parallelspeisung derart auszubilden, daß im Hinblick auf Fehler, die bei der Fernspeiseleitung bzw. im Fernspeisenetz auftreten können, in der Schaltungsanordnung eine möglichst geringe Leistungsreserve vorgesehen zu werden braucht und daß dabei eine selbsttätige Wiederaufnahme des normalen Fernspeisebetriebes unmittelbar nach Beseitigung des Fehlers gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung wird die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zur Lösung der gestellten Aufgabe in der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Weise ausgebildet. Dabei kann der steuerbare Schalter als elektromechanischer oder als gesteuerter Halbleiter-Schalter ausgebildet sein. Die Widerstandsanordnung kann aus wenigstens einem ohmschen Widerstand und/oder wenigstens einem Halbleiter bestehen, der als gesteuerter Widerstand verwendet wird. Insbesondere können die Widerstandsanordnung und der steuerbare Schalter durch einen bipolaren Transistor oder Feldeffekttransistor gebildet sein, der zwischen dem gewünschten Wert der Widerstandsanordnung und einem möglichst kleinen Sättigungswert umsteuerbar ist.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß für den Kurzschlußfall keine Leistungsreserven erforderlich sind, so daß sich besonders günstige Voraussetzungen für einen raumsparenden Aufbau, einfache Kühlungsmaßnahmen und/oder eine geringe thermische Belastung der verwendeten Schaltmittel ergeben. Ferner kann eine Schaltungsanordnung, die für einen bestimmten maximalen Betriebsstrom bestimmt und für einen demgegenüber wesentlich größeren Dauerkurzschlußstrom ausgelegt ist, durch eine einfach realisierbare Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen so verbessert werden, daß sie für einen wesentlich größeren Betriebsstrom geeignet ist. Da auf

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diese Weise eine besonders große Zahl von Verbrauchern gespeist werden kann, ergibt sich eine besonders große Reichweite der Fernspeisung.

Ist der Ausgang der Schaltungsanordnung nicht durch einen Kurzschluß, sondern z.B. zusätzlich zum Verbraucher oder zu den Verbrauchern z.B. durch einen Leckwiderstand belastet oder liegt an einer anderen Stelle der Speiseleitung oder des Speisenetzes ein Kurzschluß vor, so ergibt sich ein entsprechend geringerer Wert des begrenzten Ausgangsstromes. Der Abfallwert wird zweckmäßigerweise so weit unter den Wert des begrenzten Kurzschlußstromes gelegt, daß die Strombegrenzung auch bei solchen Fehlern möglichst nicht wieder aufgehoben wird.

Man kann den Ausgangsstrom der KonstantspannungsquelIe durch einen Stromfiihler erfassen, der eingangsseitig in einen oder in beide Speisestrompfade eingeschleift und mit seinem Ausgang an die Steuervorrichtung geführt ist. Die Steuerschaltung enthält zweckmäßigerweise Schwellwertschalter oder Komparatoren zur Gewinnung der Ein- und Ausschaltsignale zur Steuerung des parallel zur Widerstandsanordnung liegenden Schalters. Gegebenenfalls kann zur Gewinnung der Einschaltsignale und der Ausschaltsignale jeweils ein eigener Stromdiskriminator mit Schwellwertschalter oder Komparator vorgesehen sein. Vorteilhaft ist ferner die Verwendung eines hysteresebehafteten Komparators, der im angesprochenen Zustand ein den Schalter öffnendes und im abgefallenen Zustand ein den Schalter schließendes Steuersignal abgibt. Dabei ist zweckmäßigerweise der Ansprechwert des Komparators um einen vorgegebenen ersten Betrag größer als der maximal zulässige Betriebsstrom und der Abfallwert um einen vorgegebenen zweiten Betrag kleiner als der begrenzte Kurzschlußstrom bei kurzgeschlossenem Ausgang der Schaltungsanordnung ist.

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Zweckmäßigerweise ist der begrenzte Kurzschlußstrom, der sich aus der Ausgangsspannung der KonstantspannungsquelIe und dem Gesamtwiderstand der Widerstandsanordnung bei kurzgeschlossenem Ausgang der Schaltungsanordnung ergibt, um einen vorgegebenen Betrag kleiner als der maximal zulässige Betriebsstrom, so daß sich im Kurzschluß- oder Überlastfall ein besonders geringer Leistungsverbrauch ergibt.

Bildet man in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Schaltungsanordnung entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 3 aus, so wird der begrenzte Kurzschlußstrom oder der begrenzte überstrom periodisch hochgetastet. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß ein vergleichsweise geringer Dauerkurzschlußstrom nur für die Zeit einer geneuen Messung erhöht wird.

Man kann einen Stromfühler vorsehen und die Schaltungsanordnung dabei entsprechend Patentanspruch 4 ausbilden. Sieht man andererseits zwei Stromfühler vor, so sind die Maßnahmen nach Anspruch 5 besonders vorteilhaft.

Werden zwei Stromfühler und eine Widerstandsanordnung mit wenigstens zwei in Serie zueinander angeordneten Widerständen vorgesehen, so führen die Maßnahmen nach Anspruch 6 zu einem besonders geringen Aufwand.

Zweckmäßige Maßnahmen zur Funktionsüberwachung der Schaltungsanordnung gehen aus Patentanspruch 7 hervor. Eine bevorzugte Verwendung der Schaltungsanordnung ist in Patentanspruch 8 angegeben.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. 35

Es zeigen

g 3A39875

. χ_ vpA & P 1 3 S 5 OE

Fig. 1 eine Wechselstrom-Fernspeiseeinrichtung mit Strombegrenzung,

Fig. 2 und Fig. 3 Betriebszustandsdiagramme für die Wechsel strom-Fernspeiseeinrichtung nach Fig. 1 und

Fig. 4 eine Wechselstrom-Fernspeiseeinrichtung mit geringem Dauerkurzschlußstrom, der nur für die Zeit einer genauen Messung erhöht wird.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung enthält die Wechselstromquelle 1 und eine Strombegrenzungseinrichtung. Die Wechselstromquelle 1 besteht z.B. aus einem Transformator, der eine Netzspannung von 220 V auf eine Wechselspannung von 50 V heruntertransformiert. Der Ausgang der Wechselstromquelle 1 ist einpolig an Bezugspotential gelegt. Der spannungsführende Anschluß des Ausgangs ist über den Vorwiderstand 4. und die dazu in Serie liegende Primärwicklung des Stromwandlers 5 an den Ausgang der Fernspeiseeinrichtung geführt, der ebenfalls einpolig an Bezugspotential liegt.

Die Strombegrenzungseinrichtung enthält den zur Strombegrenzung dienenden Widerstand 4., der durch den dazu parallel angeordneten Schalter 3. überbrückt werden kann.

Der Vorwiderstand 4. ist insbesondere ein ohmscher Widerstand. Gegebenenfalls kann es sich als zweckmäßig erweisen, den Widerstand 4.

als gesteuerten Halbleiter auszubilden. Der Schalter 3_Ί wird zweckmäßigerweise als elektromechanischer oder als elektronisch gesteuerter Halbleiter-Schalter ausgebildet. Er wird durch die Auswerte- und Steuerschaltung Z^ gesteuert, die an die Sekundärwicklung des als Stromfühler, dienenden Stromwandlers 5 angeschlossen ist.

Am Ausgang der Schaltungsanordnung liegt ein Koaxialkabel, das zugleich zum Verteilen von Fernsehen- und/oder

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Rundfunkprogrammen und zur Fernspeisung von Zwischenverstärkern dient. Der Außenleiter des Koaxialkabels ist an Bezugspotential gelegt. Der Innenleiter ist an die Primärwicklung des Stromwandlers 5 angeschlossen. 5

Die Messung des Betriebs- bzw. Kurzschlußstromes wird durch transformatorische Auskopplung mit Hilfe des Stromwandlers 5 vorgenommen. Anstelle des Stromwandlers 5 kann ein Meßwiderstand in Verbindung mit einer Messung des Spannungsabfalles an diesem Meßwiderstand Verwendung finden. Gegebenenfalls kann die Messung des Kurzschlußstromes separat durch Messung des Spannungsabfalles am Vorwiderstand 4₁ vorgenommen werden. Die stromproportionale Meßgröße wird unmittelbar der Auswerte- und Steuerschaltung 2₁ zugeführt, die den Schalter S₁ betätigt.

Die Auswertung der jeweiligen Betriebszustände veranlaßt Reaktionen entsprechend den in den Figuren 2 und 3 gezeigten Diagrammen.
20

Fig. 2 zeigt ein Betriebszustandsdiagramm der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung für den Fall, daß die Steuerschaltung 2~ bei einer langsamen Überschreitung des maximal zulässigen Betriebsstromes Io_max bzw. bei einer überlastung um die Größe AI_Bmax den Schalter 3. öffnet. Dabei ist der Ausgangsstrom der Fernspeiseeinrichtung über der Zeit aufgetragen. Der Ausgangsstrom steigt zunächst an, bis er den Wert des maximal zulässigen Betriebsstromes Ißmax ^errei^cn"t· ^Zum Zeitpunkt t₁ beginnt der Ausgangsstrom I vergleichsweise langsam weiter anzusteigen. Zum Zeitpunkt t₂ ist er auf einen Wert angewachsen, der um den Betrag Δΐ_βΠ]3χ über dem Wert I_ßmax liegt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schalter 3.j der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 geöffnet und der Ausgangsstrom ι sinkt - bedingt durch den jetzt wirksamen Vorwiderstand 4.J - auf den Wert Ii/_max ab. Solange der Kurzschluß am

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Ausgang der Schaltungsanordnung weiter besteht, bleibt auch der begrenzte Kurzschlußstrom Ii/_max bestehen. Zum Zeitpunkt to wird der Fehler behoben, so daß der Ausgangsstrom I absinkt.
5

Der Schalter 3^ wird geschlossen, wenn der Kurzschlußstrom auf einen Wert Ii/m<_n absinkt, aus dem eindeutig hervorgeht, daß die überlastung beseitigt ist. Zur Vermeidung von Instabilitäten ist eine Wiedereinschaltzeit At- vorgesehen, während der der Strom kleiner oder hochstens gleich dem Wert Ii/_mj_n bleibt.

Zum Zeitpunkt t. erreicht der Ausgangsstrom I den Wert

¹KnUn"
15

Nach Ablauf der Zeitspanne At^ wird der Schalter 3. nach Fig. 1 geschlossen und der Ausgangsstrom nimmt den vor Beginn der Störung vorhandenen Wert I_Bmax an.

Das Betriebszustandsdiagramm nach Fig. 3 bezieht sich auf den Fall, daß bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung die Steuerschaltung 2₂ bei einer abrupten Überschreitung des maximal zulässigen Betriebsstromes I_Bmax bzw. bei einem Kurzschluß den Schalter 3. spätestens nach einer vorgegebenen Ausschaltzeit Δΐ_ο öffnet. Im übrigen stimmt das Betriebszustandsdiagramm mit dem nach Fig. 2 überein.

Entsprechend den Diagrammen nach Fig. 2 und Fig. 3 wird im Kurzschlußfall, d.h. bei überschreiten des maximal zulässigen Betriebsstromes I_Bmax der Schalter 3,| geöffnet und der Fernspeisestrom durch den Vorwiderstand 4. auf einen zulässigen Wert, und zwar auf den maximalen Kurzschlußstrom I_Kmax begrenzt. Der begrenzte maximale Kurzschlußstrom I_Kmax ist kleiner als der maximal zulässige Betriebsstrom Ißmax* ^{Abweicnencl von den} Figuren 2 und 3 kann er im Grenzfall gleich dem maximal zulässigen Betriebsstrom sein.

-X- VPA M P 18 35 DE

Der Schalter S₁ wird erst dann wieder geschlossen und damit der Vorwiderstand 4. wieder überbrückt, wenn durch ständige Messung des begrenzten Kurzschlußstromes sicher festgestellt ist, daß der äußere Kurzschluß bzw. die äußere Überlastung beseitigt ist.

Nach Fig. 1 dient der Stromwandler 5 als Stromfühler sowohl für das Öffnen als auch für das Schließen des Schalters 3.. Abweichend davon kann gegebenenfalls der Vorwiderstand 4₁ als weiterer Stromfühler dienen, der bei geöffnetem Schalter 3^ wirksam ist und den begrenzten Strom überwacht. In diesem Fall wird durch ständige Messung des Spannungsabfalles am Vorwiderstand 4. festgestellt, ob der äußere Kurzschluß oder die überlastung beseitigt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung wird im Kurzschlußfall oder im Fall von häufigen Umschaltungen, d.h. instabiler Betriebszustände ein Fernalarm, z.B. über das Koaxialkabel des BK-Netzes ausgelöst.

Die zugelassene Größe AI_Bniax bzw. die Überschreitung des maximal zulässigen Betriebsstromes und die AusschaltzeitAtfi werden abhängig von den Eigenschaften des zu speisenden Verbrauchers bemessen.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die Widerstandsanordnung abweichend von Fig. 1 aus mehreren Einzelwiderständen 4^ und 4₃ zusammengesetzt ist. Mit dieser Anordnung lassen sich ein vergleichsweise geringer Kurzschlußstrom und damit auch eine besonders geringe Kurzschluß-Verlustleistung bzw. eine besonders geringe Erwärmung erreichen. Zur genaueren Diagnose, ob die überlastung des Netzes beseitigt ist, wird ein Teil der Widerstandsanordnung, und zwar der weitere Vorwiderstand 43 zeitweilig überbrückt. Der verbleibende Vorwiderstand

4. stellt sicher, daß der maximale Kurzschlußstrom I,,
kleiner oder höchstens gleich dem maximal zulässigen
Betriebsstrom Iß_max bleibt. Die überbrückung des weiteren Vorwiderstandes 4^ für Meßzwecke wird - vom Taktgeber 7 gesteuert - zyklisch wiederholt. Der Taktgeber 7
wird durch die Auswerte- und Steuerschaltung aktiviert, sobald die Strombegrenzung eingesetzt hat.

Abweichend von Fig. 4 kann der Schalter 3, anstatt zyklisch durch den Taktgeber 7 oder zusätzlich zu der zyklischen Steuerung durch den Taktgeber 7 von der Auswerte- und Steuerschaltung 2~ gesteuert werden.

8 Patentansprüche
4 Figuren

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

MJ Schaltungsanordnung zur Fernspeisung elektrischer Verbraucher mittels Wechselspannungs-Parallelspeisung, wobei die Verbraucher an einen Ausgang der mit einer KonstantspannungsquelIe versehenen Schaltungsanordnung anschließbar sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung mit einer Vorrichtung zur Strombegrenzung versehen ist, die eine in Serie zur Konstantspannungsquelle (1) liegende und aus wenigstens einem Widerstand bestehende Widerstandsanordnung enthält, und daß der Widerstand der Widerstandsanordnung derart bemessen ist, daß der begrenzte Kurzschlußstrom, der sich aus der Ausgangsspannung der Konstantspannungsquelle und dem Gesamtwiderstand der Widerstandsanordnung bei kurzgeschlossenem Ausgang der Schaltungsanordnung ergibt, maximal annähernd gleich dem höchst zulässigen Betriebsstrom (Ig_max) der Speiseschaltung ist und daß parallel zur Widerstandsanordnung ein steuerbarer Schalter (3^ 3₂) angeordnet ist, der durch eine Steuervorrichtung (2^, 2₂) in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom (I) der Konstantspannungsquelle derart steuerbar ist, daß er einerseits bei Strömen oberhalb eines über dem höchst zulässigen Be-

25triebsstrom liegenden Ansprechwertes und/oder bei Stromänderungen, die ein vorgegebenes Maß übersteigen, geöffnet wird und andererseits bei Strömen unterhalb eines unter dem begrenzten Kurzschlußstrom liegenden Abfallwertes geschlossen wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der begrenzte Kurzschlußstrom, der sich aus der Ausgangsspannung der Konstantspannungsquelle und dem Gesamtwiderstand der Widerstandsanordnung bei kurzgeschlossenem Ausgang der Schaltungsanordnung ergibt, um einen vorgege-

benen Betrag kleiner als/der maximal zulässige Betriebs^strom ^Bmax) ^ist·
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Widerstandsanordnung wenigstens zwei in Serie zueinander angeordnete Widerstände enthält und daß einer der Widerstände mittels eines durch einen Taktgeber steuerbaren Schalters periodisch kurzschließbar ist. 10
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fernspeisestrompfade durch ein Koaxialkabel gebildet sind und daß ein zur Erfassung des Ausgangsstromes der Schaltungsanordnung vorgesehener, der Steuervorrichtung vorgeschalteter Stromfühler in der Zuleitung zum Innenleiter des Koaxialkabels angeordnet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (2., 22) an zwei Stromfühler angeschlossen ist und daß einer der Stromfühler wenigstens durch einen Teil der Widerstandsanordnung gebildet und mit einem Komparator zur Bildung eines den Schalter schließenden Steuersignals verbunden ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Steuervorrichtung in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom überbrückbare Widerstand der Widerstandsanordnung den einen Stromfühler bildet.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung mit einer Auswertevorrichtung versehen ist, die im Kurzschlußfall und/oder bei einer

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vorgegebenen Zahl aufeinander folgender Betätigungen des Schalters einen Fehleralarm abgibt.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 5gekennzeichnet durch eine Verwendung der Schaltungsanordnung als Vorrichtung zur Fernspeisung von Zwischenstellen in Verteilnetzen der elektrischen Nachrichtenübertragungstechnik.