DE3815824C2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung mindestens einer stromproportionalen Spannung mit mindestens einem Shunt - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanord­ nung zur Erzeugung einer stromproportionalen Span­ nung in einer dreiphasigen Strom­ versorgungsanordnung mit drei elektrischen Leitungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art ist aus der DE-OS 26 57 784 bekannt. Bei dieser Schaltungsanord­ nung werden die Ströme einer Stromversorgungsanordnung für eine Gebäudeheizeinrichtung durch Shunts geführt, um die in den Leitungen fließenden Ströme zu erfassen und so beim Er­ reichen eines Stromhöchstwertes zumindest die überlastete Lei­ tung abzuschalten. Die an den Klemmen der Shunts auftretenden Wechselspannungen sind proportional zu den durch die Shunts und durch die zugehörenden Leitungen fließenden Strömen und werden jeweils an drei Verstärkern angelegt. Die ankommende Wechselspannung wird dort entsprechend den Scheitelwerten in eine Gleichspannung gleichgerichtet, die zu einer Fotodiode eines Optokopplers geführt wird. Der Optokoppler gewährleistet die Übertragung der stromproportionalen Signale und die galvanische Trennung zwischen der Stromversorgungsanordnung des Gebäudes und einer elektronischen Schutz- und Steuerein­ richtung zur Abschaltung der überlasteten Leitungen. Eine galvanische Trennung zwischen den Shuntanschlüssen und der elektronischen Schutz- und Steuereinrichtung ist erforderlich, weil zwischen den Shunts in den einzelnen Phasenleitungen die volle verkettete Spannung der Stromversorgungsanordnung herrscht. Die elektronische Schutz- und Steuereinrichtung wäre zu teuer, wenn sie für diese Spannung ausgelegt werden müßte. Die hier zur galvanischen Trennung verwendeten Optokoppler sind aber auch verhältnismäßig teuer und die dazu erforderliche Schaltanordnung kompliziert, so daß diese Schaltungsanordnung gesamthaft gesehen nachteilig ist.

Aus dem AEG-Hilfsbuch 2, 10. Auflage 1967, Elitera Ver­ lag, Berlin, I SBN 38708 70222, S. 406, 407, ist das Messen der Wirkleistung in einer dreiphasigen gleichbelasteten Strom­ versorgungsanordnung bekannt, bei dem mittels dreier gleicher Widerstände, die jeweils gleichzeitig an einen verschiedenen Leiter der Phase und an der anderen Seite zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet sind, ein künstlicher Nullpunkt gebildet wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Gattung anzugeben, die einfach und wirtschaftlich vorteilhaft ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der im Anspruch 1 angegebenen Art gelöst.

Bei dieser einfachen Schaltungsanordnung ist eine galva­ nische Trennung zwischen den Shuntimpedanzen und einer elek­ tronischen Schutz- und/oder Steuereinrichtung nicht notwendig, weil die stromproportionalen Spannungen zwischen den gemeinsa­ men Punkten abgegriffen werden, die abgesehen von den kleinen stromproportionalen Spannungen das einheitliche Potential des Sternpunktes der dreiphasigen Stromversorgungsanordnung auf­ weisen. Die Einfachheit und die wirtschaftlichen Vorteile die­ ser Schaltungsanordnung sind augenfällig.

Bei einer in Anspruch 3 angegebenen Anordnung tritt zwi­ schen den zu den vor dem ersten Abschnitt und nach dem letzten Abschnitt liegenden Abschnittsgrenzen gehörenden gemeinsamen Punkten eine nach einer der Shuntimpedanzen verbraucherseitig aus der Stromversorgungsanordnung fließendem Erdstrom propor­ tionale Spannung auf. Diese Schaltungsanordnung kann mit Vor­ teil zur Speisung eines elektronischen Schutzrelais mit Über­ strom- und Erdschlußstromauslösung verwendet werden.

In der dreiphasigen Stromversorgungsanordnung können ge­ mäß Anspruch 2 auch nur zwei Abschnitte vorhanden sein, wobei zwischen den zu den vor dem ersten Abschnitt und nach dem letzten Abschnitt liegenden Abschnittsgrenzen gehörenden ge­ meinsamen Punkten eine in der shuntfreien, dritten Leitung fließendem Strom proportionale Spannung auftritt. Diese ver­ einfachte Schaltungsanordnung erlaubt die Erfassung auch des in der shuntfreien, dritten Leitung fließenden Stromes, obwohl nur zwei Shuntimpedanzen vorhanden sind.

Vorteilhafterweise ist jede Shuntimpedanz ein ohm′scher Widerstand. Auch jede Meßimpedanz kann ein ohm′scher Wider­ stand sein.

An den Anschlüssen jeder Shuntimpedanz kann ein mit der zugeordneten Meßimpedanz ausgangsseitig verbundener Verstärker angeschlossen sein, wobei bei mehreren Shuntimpedanzen alle Verstärker untereinander gleich sind. Durch diese Maßnahme können bei Beibehaltung der Meßgenauigkeit der gesamten Schaltungsanordnung höhere Abweichungen zwischen den Impedanzwerten der verwendeten Meßimpedanzen zugelassen werden.

Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer stromproportionalen Spannung in einer dreiphasigen Stromversorgungsanordnung mit einer Shuntimpedanz,

Fig. 2 mit drei Shuntimpedanzen,

Fig. 3 mit zwei Shuntimpedanzen,

Fig. 4 die Schaltungsanordnung mit zwei Shuntimpedanzen und mit zwei Verstärkern.

Die in Fig. 1 dargestellte dreiphasige Stromversorgungsanordnung enthält die drei elektrischen Leitungen R, S, T und dient zur Versorgung der Last 1 mit elektrischer Energie. Die Schaltungsanordnung weist einen alle Leitungen R, S, T umfassenden Abschnitt auf, zwischen dessen Abschnittsgrenzen 2, 3 in der Leitung T ein Shuntimpedanz Z eingeschaltet ist. An den beiden Abschnitts­ grenzen 2, 3 sind an jeder Leitung R, S, T Meßimpedanzen M angeschlossen. Alle Meßimpedanzen M weisen den gleichen Impedanzwert auf. Die anderen, den Leitungen R, S, T abgekehrten Anschlüsse der Meßimpedanzen M sind je Abschnittsgrenze 2, 3 je in einem gemeinsamen Punkt 4, 5 miteinander elektrisch leitend verbunden. Es läßt sich ableiten, daß die Spannung U_T zwischen den Punkten 4 und 5 dem in der Leitung T fließenden Strom I_T proportional ist und ein Drittel des Produktes aus dem Impedanzwert der Shuntimpedanz Z in der Leitung T und aus dem Strom I_T, U_T = Z × I_T/3 beträgt. Wenn in den Leitungen R, S, T kein Strom fließt, weisen die gemeinsamen Punkte 4 und 5 das gleiche Potential auf, nämlich das Potential des Sternpunktes der Stromversorgungsanordnung. An den gemeinsamen Punkten 4 und 5 kann eine nicht dargestellte, elektronische Meß-, Schutz- und/oder Steuereinrichtung ohne Potentialtrennung angeschlossen werden.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist in drei Abschnitte aufgeteilt, zwischen deren Abschnittsgrenzen 6, 7, 8, 9 drei Shuntimpedanzen Z angeschlossen sind. In jedem Abschnitt ist eine Shuntimpedanz Z aber jeweils in einer anderen Leitung R, S, T angeordnet. Die Impedanzwerte der Shuntimpedanzen Z sind untereinander gleich. An den Abschnittsgrenzen 6, 7, 8, 9 sind an jeder Leitung R, S, T Meßimpedanzen M angeschlossen, die untereinander den gleichen Impedanzwert aufweisen. Die den Leitungen R, S, T abgekehrten Anschlüsse der Meßimpedanzen M sind pro Abschnittsgrenze 6, 7, 8, 9 je in einem gemein­ samen Punkt 10, 11, 12, 13 miteinander elektrisch leitend verbunden. Zwischen den Abschnittsgrenzen 6 und 7 liegt die Shuntimpedanz Z in der Leitung T. Zwischen den zu diesen Abschnittsgrenzen 6, 7 gehörenden gemeinsamen Punkten 10 und 11 wird eine dem in der Leitung T fließenden Strom I_T proportionale Spannung U_T auftreten. Ihre Größe ist ein Drittel des Produktes aus der Impedanzwert der Shuntimpedanz Z und aus dem Strom I_T. Ähnlich treten zwischen den gemeinsamen Punkten 11 und 12 dem Strom I_S und zwischen den gemeinsamen Punkten 12 und 13 dem Strom I_R proportionale Spannungen U_S und U_R auf. Die Größe dieser Spannungen U_S und U_R ist jeweils ein Drittel des an der Shuntimpedanz Z vorhandenen Spannungsabfalls, U_S = Z × I_S/3 und U_R = Z × I_R/3. Zwischen den gemeinsamen Punkten 10 und 13, die vor dem ersten Abschnitt, an der Abschnittsgrenze 6, bzw. nach dem letzten Abschnitt, an der Abschnittsgrenze 9 liegen, wird eine Spannung U_E auftreten, die dem nach einer der Shuntimpedanzen Z in der Leitung R verbraucherseitig aus der Stromversorgungsanordnung fließenden Erdstrom I_E proportional ist. Deshalb kann die Spannung U_E in einem nicht dargestellten Schutzrelais zu Erdschlusschutzzwecke verwendet werden. Die Größe der Spannung U_E ist wiederum ein Drittel des Produktes aus dem Impedanzwert der Shuntimpedanzen Z und aus dem Erdstrom I_E. Die in der Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung kann den dreiphasigen Stromwandler in der im Prospekt der Firma Sprecher + Schuh AG, 5001 Aarau/Schweiz, Nr. 1.1012 d.SSA/3.87/55/10 (2252) auf Seite 25 angegebenen Schaltanordnung ersetzen, wobei diese Schalt­ anordnung noch mit einem Erdschlusschutz ergänzt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Schaltungsanordnung mit zwei, in zwei Abschnit­ ten untergebrachten Shuntimpedanzen Z. Diese beiden Abschnitte sind durch die drei Abschnittsgrenzen 14, 15, 16 begrenzt. Auch bei dieser Schaltungsanord­ nung sind an den Abschnittsgrenzen 14, 15, 16 an den Leitungen R, S, T Meßimpedanzen M angeschlossen, die mit ihren anderen Anschlüssen pro Abschnittsgrenze 14, 15, 16 in den gemeinsamen Punkten 17, 18, 19 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Zum ersten Abschnitt gehört die in der Leitung T liegende Shuntimpedanz Z, wobei zwischen den dazugehörenden gemeinsamen Punkten 17 und 18 die dem Strom I_T proportionale Spannung, U_T = Z × I_T/3 auftritt. Zum nächsten zwischen den Abschnittsgrenzen 15, 16 liegenden Abschnitt gehört die Shuntimpedanz Z in der Leitung S, zwischen den dazugehörenden gemeinsamen Punkten 18 und 19 wird eine dem Strom I_S proportionale Spannung U_S meßbar, deren Größe U_S = Z × I_S/3 ist. Zwischen den gemeinsamen Punkten 17 und 19, die zur Abschnittsgrenze 14 vor dem ersten Abschnitt und zur Abschnittsgrenze 16, nach dem letzten Abschnitt gehören, kann eine dem Strom I_R in der shuntfreien Leitung R proportionale Spannung U_R erfaßt werden. Die Größe dieser Spannung ist U_R = Z × I_R/3. Diese nur mit zwei Shuntimpedanzen Z versehene Schaltungsanordnung kann bereits einen dreiphasigen Stromwandler ersetzen.

In der Regel werden für die Shuntimpedanzen Z und für die Meßimpedanzen M rein ohm′sche Widerstände verwendet.

Um eine ausreichende Genauigkeit der stromproportionalen Spannungen U_R, U_S und U_T zu erreichen, sind an die Toleranzen der Impedanzwerte und an die Temperaturkoeffizienten der Meßimpedanzen hohe Anforderungen gestellt. Um eine Meßgenauigkeit für die Ströme I_R, I_S, I_T in einer 430 V Stromversorgungs­ anordnung von 5% zu erreichen, sollte die Toleranz der Impedanzwerte zwischen den einzelnen Meßimpedanzen M nicht über 0,00025% und die Toleranz der Temperaturkoeffizienten zwischen den einzelnen Meßimpedanzen M nicht über 0,16 ppm/°C liegen. Diese Toleranzwerte können wesentlich höher gesetzt werden, wenn der Spannungsabfall an den Shuntimpedanzen Z verstärkt wird. Fig. 4 zeigt eine solche Schaltungsanordnung. Die speisungsseitigen An­ schlüsse der Shuntimpedanzen Z sind an die nichtinvertierenden Anschlüsse der Operationsverstärker 20, 21 geführt. An den Ausgängen der Operationsverstär­ ker 20, 21 sind Meßimpedanzen M angeschlossen, die bei der Anordnung nach Fig. 3 noch direkt an den speisungsseitigen Anschlüssen der Shuntimpedanzen Z angeschlossen waren. Zwischen den Ausgängen der Operationsverstärker 20, 21 und den lastseitigen Anschlüssen der Shuntimpedanzen Z ist je ein ohm′scher Teiler mit den Widerständen R₁ und R₂ angeschlossen. Der zwischen den Widerständen R₁ und R₂ liegende Abgriff des Teilers ist jeweils zum inver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkers 20, 21 geführt. Das Teilerverhältnis R₁/R₂ ergibt den wirksamen Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers. Zwischen den zu den Abschnittsgrenzen 22, 23, 24 gehörenden gemeinsamen Punkten 25, 26, 27 der Meßimpedanzen M erscheint jeweils der um das Verhältnis R₁/R₂ verstärkte Spannungsabfall an den Shuntimpedanzen Z. Zwischen den vor dem ersten und nach dem letzten Abschnitt liegenden gemeinsamen Punkten 25 und 27 mißt man auch in dieser Anordnung, wie in der Anordnung nach Fig. 3, eine dem in der shuntfreien Leitung R fließenden Strom I_R proportionale aber im Verhältnis von R₁/R₂ verstärkte Spannung U_R.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer strompropor­ tionalen Spannung in einer zur Versorgung einer Last dienenden dreiphasigen Stromversorgungsanordnung mit drei elektrischen Leitungen, mit einem von allen drei elektrischen Leitungen durchlaufenen ersten Abschnitt, der eine versorgungsseitige Abschnittsgrenze und eine erste lastseitige Abschnittsgrenze aufweist, und einem Shunt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Abschnitt eine erste Shuntimpedanz (Z) in eine erste (T) der drei Leitungen (R, S, T) eingeschaltet ist, den elek­ trischen Leitungen (R, S, T) jeweils eine erste Meßimpedanz (M) zugeordnet ist, die einerseits an der versorgungsseitigen Abschnittsgrenze (2, 6, 14, 22) an die betreffende elektrische Leitung (R, S, T) angeschlossen ist, und andererseits mit ei­ nem allen ersten Meßimpedanzen (M) gemeinsamen ersten Punkt (4, 10, 17, 25) elektrisch leitend verbunden ist, und den Lei­ tungen (R, S, T) jeweils eine zweite Meßimpedanz (M) zugeord­ net ist, die einerseits an der ersten lastseitigen Abschnitts­ grenze (3, 7, 15, 23) an die betreffende elektrische Leitung (R, S, T) angeschlossen ist und andererseits mit einem allen zweiten Meßimpedanzen (M) gemeinsamen zweiten Punkt (5, 11, 18, 26) elektrisch leitend verbunden ist, wobei sämtliche Meßimpedanzen (M) den gleichen Impedanzwert aufweisen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Abschnitt lastseitig von einem von allen drei elektrischen Leitungen (R, S, T) durchlaufenen zweiten Abschnitt gefolgt wird, der eine dem ersten Abschnitt zugewandte Abschnittsgrenze (7, 15, 23) und eine zweite last­ seitige Abschnittsgrenze (8, 16, 24) aufweist, wobei in dem zweiten Abschnitt eine zweite Shuntimpedanz (Z) in eine zweite (S) der drei Leitungen (R, S, T) eingeschaltet ist und den drei Leitungen (R, S, T) jeweils eine dritte Meßimpedanz (M) zugeordnet ist, die einerseits an der zweiten lastseitigen Ab­ schnittsgrenze (8, 16, 24) an die betreffende elektrische Lei­ tung (R, S, T) angeschlossen ist und andererseits mit einem allen dritten Meßimpedanzen (M) gemeinsamen dritten Punkt (12, 19, 27) elektrisch leitend verbunden ist, die zweite Shuntim­ pedanz (Z) den gleichen Impedanzwert aufweist wie die erste Shuntimpedanz (Z) und die dritten Meßimpedanzen (M) den glei­ chen Impedanzwert aufweisen wie die ersten und zweiten Meßim­ pedanzen (M).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Abschnitt lastseitig von einem von allen drei elektrischen Leitungen (R, S, T) durchlaufenen dritten Abschnitt gefolgt wird, der eine dem zweiten Abschnitt zugewandte Abschnittsgrenze (8) und eine dritte lastseitige Abschnittsgrenze (9) aufweist, wobei in dem dritten Abschnitt eine dritte Shuntimpedanz (Z) in eine dritte (R) der drei Lei­ tungen (R, S, T) eingeschaltet ist und den drei Leitungen (R, S, T) jeweils eine vierte Meßimpedanz (M) zugeordnet ist, die einerseits an der dritten lastseitigen Abschnittsgrenze (9) an die betreffende elektrische Leitung (R, S, T) angeschlossen ist und andererseits mit einem allen vierten Meßimpedanzen (M) gemeinsamen vierten Punkt (13) elektrisch leitend verbunden ist, die dritte Shuntimpedanz (Z) den gleichen Impedanzwert aufweist wie die erste und zweite Shuntimpedanz (Z) und die vierten Meßimpedanzen (M) den gleichen Impedanzwert aufweisen wie die ersten, zweiten und dritten Meßimpedanzen (M).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Shuntimpedanz (Z) ein ohm′scher Widerstand ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Meßimpedanz (M) ein ohm′scher Widerstand ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß an Anschlüssen jeder Shuntimpedanz (Z) ein mit der mit der versorgungsseitig angeschlossenen Meßimpedanz (M) des entsprechenden Abschnitts, die der ent­ sprechenden Leitung (R, S, T) zugeordnet ist, ausgangsseitig verbundener Verstärker (20, 21) angeschlossen ist, wobei bei mehreren Shuntimpedanzen (Z) alle Verstärker (20, 21) unter­ einander gleich sind.