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Verfahren und Vorrichtung zum Entmagnetisieren eines
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mit pulsförmigen Strömen betriebenen induktiven Stromwandlers Verfahren
zum Entmagnetisieren eines mit pulsförmigen, unipolaren Strömen betriebenen induktiven
Stromwandlers, in dem in der primärstromlosen Pause an dessen Sekundärwicklung eine
die Magnetisierung abbauende Gegenspannung anliegt. Die Erfindung betrifft auch
eine entsprechende Vorrichtung.
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Eine derartige Entmagnetisierungsvorrichtung wird bevorzugt angewendet
bei einem induktiven Stromwandler, der insbesondere in den Ventilzweigen von Stromrichterschaltungen
den Stromfluß erfaßt. Dieser kann die Stromlosigkeit einzelner Thyristoren oder
ganzer Thyristorgruppen erkennen, um daraus z. B. mittels eines zusätzlichen Steuergerätes
ein Signal zum Umschalten antiparalleler Stromrichterbrücken abzuleiten. Auch die
Störung und der Ausfall einzelner Ventile kann erfaßt werden, wenn diese vom Normalbetrieb
abweichende Stromführungsdauern haben. Hierfür sind konventionelle Stromwandler
aber nicht einsetzbar, da der Gleichanteil pulsförmiger Ventilströme deren magnetischen
Kreis sättigen würde. Als Folge davon geht die Proportionalität zwischen Primär-und
Sekundärstrom verloren und es steht kein auswertbares Wandlerausgangssignal mehr
zur Verfügung. Der in den Primärstrompausen in Form eines Ausgleichsvorganges fließende
Magnetisierungsstrom macht ferner die Meßstromnullerkennung unmöglich. Werden dagegen
diese Pausen durch Anlegen einer Gegenspannung an die Sekundärwicklung zum Entmagnetisieren
des Kernes genutzt, so bilden
w v W | induktive Stromwandler
auch bei Betrieb mit pulsförmigen, unipolaren Strömen den Verlauf des Primärstromes
richtig ab. Solche Stromwandler sind auch auf der Wechselstromseite zur Nullerkennung
eines Brückenstromes einsetzbar.
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Für die Ventilstromerfassung bei Einfachstromrichtern mit unipolaren
Strömen bekannten Vorzeichens ist bereits eine einfache Anordnung bekannt. Sie besteht
aus einem induktiven Stromwandler, der auf seiner Sekundärseite mit einer Reihenschaltung
aus einer Diode und einem Bürdenwiderstand abgeschlossen ist. Im Normalbetrieb wird
bei Vorliegen eines Primärstromes die Diode in Durchlaßrichtung betrieben und der
Wandler ist niederohmig abgeschlossen. Bei einer Primärstrompause dagegen fließt
auf der Sekundärseite in entgegengesetzter Richtung ein Magnetisierungsstrom. Dieser
versucht zwar in Form eines Ausgleichsvorganges langfristig die gespeicherte magnetische
Energie abzubauen, doch wäre ohne Diode die zur Verfügung stehende Pausenzeit hierzu
entschieden zu kurz.
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Da der Magnetisierungsstrom die Diode aber in Sperrichtung belastet,
wirkt auf die Wandlersekundärseite auf Grund der Diodenkennlinie die maximale Sperrspannung
im Durchbruchbereich. Diese reicht aus, um den Wandlerkern rechtzeitig bis zum nächsten
Primärstrompuls zu entsättigen.
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Diese einfache Anordnung hat den Nachteil, daß sie bei Stromrichterschaltungen
nicht funktionsfähig ist, in denen antiparallele Ventile eingesetzt sind und somit
aus konstruktive Gründen nur der Summenstrom beider Ventile erfaßt werden kann,
d. h. allgemein bei Stromrichtern mit Doppelbausteinen. Hier kann sich die Polarität
der unipolaren Primärstrompulse umkehren.
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Das Problem läßt sich auch nicht durch einfaches Gleichrichten des
Wandlersekundärstromes lösen, da nun auf der Gleichstromseite ein durch einen Meßstrom
hervorgerufener echter Sekundärstrom und ein in der Primärstrompause in umgekehrter
Richtung fließender Magnetisierungsstrom gleiches Vorzeichen haben. Es steht folglich
kein Kriterium zur Unterscheidung dieser beiden Stromarten mehr zur Verfügung. Der
an einem niederohmigen Bürdenwiderstand allein über den Magnetisierungsstrom hervorrufbare
Spannungsabfall ist zu gering, um während der Primärstrompause den Kern zu entsättigen.
Auch eine Begrenzung der am Bürdenwiderstand maximal abfallenden Spannung, z. B.
auf die Durchlaßspannung einer dem Bürdenwiderstand in Stromrichtung parallelgeschalteten
Diode, verhindert nicht die Sättigung des Wandlerkerns.
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Bei Stromwandlern besteht grundsätzlich auf Grund des hohen Übersetzungsverhältnisses
bei einer Unterbrechung im Bürdenkreis die Gefahr eines Isolationsschadens durch
Überspannung. Aus diesem Grund kann der Sekundärseite als Schutzelement z. B. ein
Varistor parallelgeschaltet werden. Dieser schließt in einem solchen Fall wegen
seiner im Durchlaßbereich diodenähnlichen und bezüglich dem Ursprung punktsymmetrischen
Kennlinie die Wandlerausgangsseite ausreichend niederohmig ab. Auch im Ausführungsbeispiel
zur Erfindung gemäß Fig. 2 ist ein solcher Varistor zwischen dem Knoten 11 und 12
vorhanden. Im Prinzipschaltbild Fig. 1 ist er der Übersichtlichkeit halber weggelassen
und wird des weiteren nicht mehr explizit erwähnt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem induktiven Stromwandler,
der wegen des Transformatorprinzips zunächst nur zur Erfassung von mittelwert freien
Wechselströmen geeignet ist, durch Entmagnetisieren in
der stromlosen
Pause die Sättigung zu vermeiden, um diesen auch bei unipolaren, pulsförmigen Primärströmen
beliebiger Polarität einsetzen zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während des
primärseitigen Stromflusses, unabhängig von dessen Polarität, der Wandler niederohmig
abgeschlossen wird, und in den Pausen zeiten des Primärstromes die entmagnetisierende
Gegenspannung mittels einer Umschaltung an den Wandlerausgang gelegt wird. Dabei
wird vorteilhaft der Betrag der Gegenspannung so gewählt, daß im vorgesehenen Meßbereich
die Proportionalität zwischen Primär- und Sekundärstrom erhalten bleibt und es im
eingeschwungenen Zustand nicht zu einer Sättigung des Kernes kommt. Zur Vermeidung
einer zusätzlichen Hilfsenergieversorgung wird die Gegenspannung durch den Magnetisierungsstrom
selbst hervorgerufen. Eine Vormagnetisierung des Kernes in umgekehrter Richtung
ist ausgeschlossen, wenn mit Erlöschen des Magnetisierungsstromes auch wiederum
die Gegenspannung zu Null wird. Der auf der Wandlersekundärseite fließende Strom
wird vorteilhaft gleichgerichtet, um insbesondere von der u. U. unbekannten Polarität
des Primärstromes unabhängig zu sein. Hierdurch bedingt liegt die Gegenspannung
automatisch immer so an der Sekundärwicklung an, daß sie ihre Ursache, den Magnetisierungsstrom,
abbaut.
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Als Kriterium zur Umschaltung zwischen niederohmigem Abschluß und
Anlegen der Gegenspannung kann der Betragsunterschied zwischen beiden Sekundärstromarten
dienen.
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So findet z. B. die Umschaltung auf niederohmigen Abschluß dann statt,
wenn der wiederkehrende Sekundärstrom nach einer Primärstrompause eine durch den
Wert des maximalen Magnetisierungsstromes bestimmte untere Schwelle
überschreitet.
Diese Schwelle wählt man vorteilhaft so, daß sie deutlich über dem Betrag des maximal
möglichen Magnetisierungsstromes liegt, um Fehlumschaltungen zu vermeiden.
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Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in
den Unteransprüchen angegeben und in Fig. 1 als Prinzipschaltbild dargestellt. Anhand
dieser und drei weiterer Figuren wird die Erfindung näher erläutert.
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Dabei zeigen Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel und die Figuren 3 und
4 den dazugehörigen Verlauf von Spannungen und Strömen bei zwei unterschiedlichen
Betriebszuständen.
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In Fig. 1 ist ein induktiver Stromwandler 1, 2 auf seiner Sekundärseite
2 mit einer als Diodenbrückenschaltung ausgeführten Gleichrichteranordnung 4 versehen,
an die ein niederohmiger Bürdenwiderstand 10 bei primärseitigem Stromfluß i1 über
das Schaltelement 18 angeschlossen ist.
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Der Sekundärstrom i2 wird somit in den gleichgerichteten Sekundärstrom
i2G überführt. In Abhängigkeit von dessen Betrag, der über die Meßstelle 15 erfaßt
wird, steuert der Grenzwertmelder 17 das Schaltelement 18 an. Dieses befindet sich
im dargestellten Zustand, wenn i2G eine durch den Grenzwertmelder 17 vorgegebene
untere Schwelle überschritten hat. Ein spannungserzeugendes Element 16 ist dabei
wirkungslos, so daß der Primärstrom il in die Spannung u B am niederohmigen Bürdenwiderstand
10 abgebildet wird. Bei Unterbrechung des Primärstromes am Ende des Pulses stellt
sich der Sekundärstrom nach einem kurzen Nulldurchgang auf den Wert des Magnetisierungsstromes
ein. Das Schaltelement 18 schaltet das spannungserzeugende Element 16 so in den
Sekundärkreis ein, daß eine im Vergleich zum Spannungsabfall u B am Bürdenwiderstand
10 hohe entmagnetisierende Gegenspannung uG am Ausgang der Gleichrichteranordnung
zwischen den Klemmen 13 und 14 anliegt.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel zur Vorrichtung nach Fig. 1
wird nun anhand Fig. 2 zusammen mit den dazugehörigen Kurvenverläufen der elektrischen
Zustandsgrößen il, UB, uAK und uR gemäß Fig. 3 und 4 erläutert.
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Dabei zeigt Fig. 3 die Kurvenverläufe bei einem nicht lückenden Ventilstrom
i1 einer B6-Stromrichterbrückenschaltung, Fig. 4 entsprechend bei einem lückenden
Meßstrom.
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Wie aus Fig. 2 zu entnehmen, ist das die entmagnetisierende Gegenspannung
uG aufbauende spannungserzeugende Element 16 (Fig. 1) eine vom Magnetisierungsstrom
im Durchbruchbereich betriebene Zenerdiode 5. Deren Knickspannung uZ bestimmt im
wesentlichen den Betrag der Gegenspannung, während die Spannungsabfälle uR und uB
an den Widerständen 6 und 10 im Vergleich dazu vernachlässigbar sind. Das Schaltelement
18 (Fig. 1) ist ein vom gleichgerichteten Sekundärstrom 2G selbst gezündeter Thyristor
9. Dieser schließt bei Primärstromfluß nicht nur die Zenerdiode 5 kurz, sondern
auch die dem Grenzwertmelder 17 entsprechende und seiner Steuerelektrode vorgeschaltete
Zündvorrichtung, bestehend aus einem Widerstand 6, einer Zenerdiode 7 und einem
Kondensator 8.
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Der Thyristor 9 wird dann gezündet, wenn der wiederkehrende Sekundärstrom
i2G eine durch den Wert des maximalen Magnetisierungsstromes bestimmte untere Schwelle
überschreitet. Diese ist durch den Wert der Knickspannung der Zenerdiode 7 gegeben.
Als Zündspannung dient die durch den Sekundärstrom am Widerstand 6 hervorgerufene
Spannung uR abzüglich der Knickspannung der Zenerdiode 7.
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Am Ende eines Primärstrompulses sperrt der Thyristor in dem Moment,
in dem zwischen Abklingen des Sekundärstromes i9 und dem anschließenden Aufbau des
Magnetisierungs-
stromes der Strom i2G kurzzeitig zu Null wird.
Der Magnetisierungsstrom kann den Thyristor 9 über den Widerstand 6 nicht erneut
zünden. Ferner verhindert der Kondensator 8 unmittelbar nach Abklingen des Primärstromes
eine Fehlzündung über einen parasitären, kapazitiven Strom. Der Thyristor 9 hat
einen niedrigen Haltestrom in der Größenordnung von 5 bis 20 mA, so daß dieser bei
Abklingen eines, durch einen Primärstrom hervorgerufenen, Sekundärstromes nicht
zu früh sperrt. Die Wandlersekundärseite 2 ist also im wesentlichen im Falle einer
Primärstrompause durch eine Reihenschaltung aus einer Zenerdiode 5, einem Widerstand
6 und dem Bürdenwiderstand 10, und bei Vorliegen eines Primärstromes i1 durch Zünden
eines Thyristors 9 niederohmig über den Bürdenwiderstand abgeschlossen.
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Mit dieser Vorrichtung wird während der Primärstrompausen der Wandlerkern
ausreichend entsättigt, so daß auch bei Betrieb mit pulsförmigen Strömen beliebigen
Vorzeichens im vorgesehenen Meßbereich die Proportionalität zwischen Primär- und
Sekundärseite erhalten bleibt. Aus den in Fig. 3 dargestellten Kurven ist ersichtlich,
daß der Strom i1 eines Thyristorventils einer stationär bei nicht lückendem Strom
ausgesteuerten B6-Stromrichterbrükkenschaltung nahezu verzerrungsfrei in die Spannung
uB am Bürdenwiderstand 10 abgebildet wird. Dabei ist die Spannung uAK am gezündeten
Thyristor 9nahezu null. Erst nach Ende des Primärstromflusses nimmt sie den Wert
der entmagnetisierenden Gegenspannung an. Man erkennt am Verlauf von uR, daß diese
Spannung, und damit der Magnetisierungsstrom, kontinuierlich bis auf Null abklingt.
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Schließlich verschwindet auch die vom Magnetisierungsstrom getriebene
Gegenspannung uAK (rechter Bildrand).
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Dabei sind der Wert der Gegenspannung und die zur Verfügung stehende
Pausenzeit so aufeinander abgestimmt,
daß vor Beginn eines neuen
Primärstrompulses der Wandler vollständig entsättigt ist und alle Ausgleichs vorgänge
abgeklungen sind. Der somit erreichte stationäre Ausgleichszustand stimmt mit dem
am linken Bildrand vorliegenden Ausgangszustand überein. Man erkennt, daß dort alle
elektrischen Zustandsgrößen zu Null geworden sind.
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Die Spitze zu Beginn des Primärstrompulses, bedingt durch die TSE-Schutzbeschaltung
des Stromrichterbrükkenventils, unterstützt die Zündung des Thyristors 9.
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Die Vorrichtung ist auch uneingeschränkt funktionsfähig, wenn die
Stromrichterschaltung unterhalb der Lückgrenze betrieben wird, wie in Fig. 4 dargestellt
ist. Grundsätzlich ergeben sich die gleichen Verhältnisse wie bei nichtlückendem
Ventilstrom gemäß Fig. 3. Lediglich wird in der Stromlücke durch Sperren des Thyristors
9 kurzzeitig zusätzlich entmagnetisiert. Das Zünden des Thyristors zu Beginn des
zweiten Primärstrombuckels dauert hier etwas länger, da keine Stromspitze aus der
TSE-Beschaltung zur Verfügung steht. Die Spannung uR steigt erst stark an und überschreitet
die durch die Zenerdiode 7 (Fig. 2) bestimmte untere Schwelle, bevor der Thyristor
gezündet wird. Der Verlauf der Spannung uB wird hierdurch nicht beeinflußt. Der
im Vergleich zu Fig. 3 kurze Verlauf und schnelle Abfall von u AK zeigt, daß hier
die Entmagnetisierung schneller abläuft. Dies liegt sowohl an der kurzen Entmagnetisierung
in der Stromlükke, als auch an dem geringeren Betrag und der insgesamt kürzeren
Stromflußdauer des Primärstromes.
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Die Vorrichtung ermöglicht es somit, induktive Stromrichter auch zur
Erfassung pulsförmiger Ströme beliebigen Vorzeichens einzusetzen.
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13 Patentansprüche 4 Figuren