DE3511710A1

DE3511710A1 - Verfahren und vorrichtung zum entmagnetisieren eines mit pulsfoermigen stroemen betriebenen induktiven stromwandlers

Info

Publication number: DE3511710A1
Application number: DE19853511710
Authority: DE
Inventors: Alois Dr.-Ing. 8520 Erlangen Weschta
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1985-03-29
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1986-10-02

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Entmagnetisieren eines
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Als Kriterium zur Umschaltung zwischen niederohmigem Abschluß und Anlegen der Gegenspannung kann der Betragsunterschied zwischen beiden Sekundärstromarten dienen.
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.
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.
Dabei zeigen Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel und die Figuren 3 und 4 den dazugehörigen Verlauf von Spannungen und Strömen bei zwei unterschiedlichen Betriebszuständen.
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.
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.
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.
Dabei zeigt Fig. 3 die Kurvenverläufe bei einem nicht lückenden Ventilstrom i1 einer B6-Stromrichterbrückenschaltung, Fig. 4 entsprechend bei einem lückenden Meßstrom.
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.
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.
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.
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.
Schließlich verschwindet auch die vom Magnetisierungsstrom getriebene Gegenspannung uAK (rechter Bildrand).
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.
Die Spitze zu Beginn des Primärstrompulses, bedingt durch die TSE-Schutzbeschaltung des Stromrichterbrükkenventils, unterstützt die Zündung des Thyristors 9.
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.
Die Vorrichtung ermöglicht es somit, induktive Stromrichter auch zur Erfassung pulsförmiger Ströme beliebigen Vorzeichens einzusetzen.
13 Patentansprüche 4 Figuren

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Entmagnetisieren eines mit pulsförmi gen, unipolaren Strömen (i1) betriebenen induktiven Stromwandlers (1, 2), in dem in der primärstromlosen Pause an dessen Sekundärwicklung (2) eine die Magnetisierung abbauende Gegenspannung (u,) anliegt, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß während des primärseitigen Stromflusses, unabhängig von dessen Polarität, der Wandler niederohmig abgeschlossen wird, und in den Pausenzeiten des Primärstromes die entmagnetisierende Gegenspannung mittels einer Umschaltung (18) an den Wandlerausgang gelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Betrag der Gegenspannung (UG) so gewählt wird, daß im vorgesehenen Meßbereich die Proportionalität zwischen Wandlerprimär- und Sekundärstrom erhalten bleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein als Magnetisierungsstrom bezeichneter und während einer Primärstrompause im Sekundärkreis fließender Strom die Gegenspannung (u,) hervorruft.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mit Erlöschen des Magnetisierungsstromes auch die Gegenspannung (u,) zu Null wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der auf der Wandlersekundärseite fließende Strom (i2) gleichgerichtet wird (i2c).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Umschaltung auf niederohmigen Abschluß dann stattfindet, wenn der wiederkehrende Sekundärstrom (i2G) eine durch den Wert des maximalen Magnetisierungsstromes bestimmte untere Schwelle überschreitet.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit a) einem induktiven Stromwandler (1, 2), b) einer Gleichrichteranordnung (4) auf der Sekundärseite (2), und c) einem an die Gleichrichteranordnung (4) angeschlossenen Bürdenwiderstand (10), g e k e n n z e i c h n e t durch d) eine Diodenbrückenschaltung als Gleichrichteranordnung (4), e) ein Schaltelement (18) zum Anschließen des niederohmigen Bürdenwiderstandes (10) an die Gleichrichteranordnung (4) bei primärseitigem Stromfluß (in), f) einen Grenzwertmelder (17) zum Ansteuern des Schaltelementes (18) in Abhängigkeit vom Betrag des gleichgerichteten Sekundärstromes (i2c), und g) ein spannungserzeugendes Element (16), das über das Schaltelement (18) so in den Sekundärkreis einschaltbar ist, daß eine im Vergleich zum Spannungsabfall (UB) am Bürdenwiderstand (10) hohe entmagnetisierende Gegenspannung (u,) am Ausgang der Gleichrichteranordnung (Klemmen 13 und 14) anliegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das spannungserzeugende Element (16) eine vom Magnetisierungsstrom im Durchbruchbereich betriebene Zenerdiode (5) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Schaltelement (18) ein vom gleichgerichteten Sekundärstrom (i2G) selbst gezündeter Thyristor (9) ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Thyristor (9) einen niedrigen Haltestrom besitzt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Thyristor (9) dann gezündet wird, wenn der wiederkehrende Sekundärstrom (i2, i2G) eine durch den Wert des maximalen Magnetisierungsstromes bestimmte untere Schwelle überschreitet.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, g e k e n n z e i c h n e t durch eine der Steuerelektrode des Thyristors (9) vorgeschaltete Zündvorrichtung, bestehend aus einem Widerstand (6), einer Zenerdiode (7) und einem Kondensator (8), als Grenzwertmelder (17).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wandlersekundärseite (2) 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 (il) durch Zünden eines Thyristors (9) niederohmig über den Bürdenwiderstand (10) abgeschlossen ist.