DE3912542A1

DE3912542A1 - Schaltungsanordnung zum erkennen eines wechselstromflusses in einer leitung

Info

Publication number: DE3912542A1
Application number: DE19893912542
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Reichert
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1989-04-17
Filing date: 1989-04-17
Publication date: 1990-10-18
Also published as: AU625384B2; AU5307790A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Als Unterfunktion in einem Gerät oder einer Anlage kann es notwendig sein, das Fließen eines Wechselstromes und gegebenenfalls dessen Phasenlage zu erkennen oder zu überwachen.

Zu diesem Zweck ist es bekannt, einen Shunt-Widerstand in den Strompfad einzufügen und den Spannungsabfall an diesem Shunt-Widerstand auszuwerten. Hierbei ist es nachteilig, daß die zur Auswertung des Wechselstromes verwendete Schaltung nicht potentialgetrennt von dem vom Wechselstrom durchflossenen Strompfad betrieben werden kann. Außerdem entstehen, insbesondere bei hohem Strom über den Shunt-Widerstand, unerwünschte Verluste, die den Widerstand erwärmen und in seinem Wert verändern können.

Es ist auch bekannt, die Primärwicklung eines Stromwandlers in den Strompfad zu legen und die Spannung am Bürdenwiderstand der Sekundärwicklung des Stromwandlers auszuwerten. Stromwandler für niedrige Frequenzen sind jedoch groß und schwer. Sie sind außerdem empfindlich gegen überlagerte Gleichspannungen, die schnell zur Sättigung des Stromwandlerkerns führen.

Andere bekannte Methoden, z.B. das Einfügen der Leuchtdioden zweier Optokoppler in den Strompfad, gegebenenfalls parallel zu einem Shunt-Widerstand, sind jeweils nur in einem relativ engen, vorgegebenen Bereich einsetzbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache Schaltungsanordnung anzugeben, die, galvanisch von einem Stromkreis getrennt, erlaubt, das Fließen eines Wechselstromes in diesem Stromkreis über einen weiten Stromstärkebereich hinweg zu erkennen, ohne nennenswerte Verluste oder größeren Spannungsabfall zu verursachen. Ein überlagerter Gleichstrom soll, solange seine Stärke geringer ist als die des Wechselstroms, die Funktionsfähigkeit der Schaltungsanordnung nicht beeinträchtigen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die vorhandene bistabile Schaltung erlaubt, anstelle eines großvolumigen Stromwandlers, einen kleinen, leicht magnetisch sättigbaren Ringkernübertrager zu verwenden, der von jeder Halbwelle des Wechselstromes ummagnetisiert wird. Die Polarität der bei der Ummagnetisierung in der Sekundärwicklung entstehenden Spannungsimpulse wird durch die bistabile Schaltung jeweils bis zum nächsten Spannungsimpuls gespeichert. Dank des leicht sättigbaren Übertragerkerns genügt eine Primärwicklung mit wenig Windungen, die dem Wechselstrom nach Sättigung des Kerns keinen nennenswerten ohmschen oder induktiven Widerstand entgegensetzt und deshalb kaum Verluste verursacht. Die Schaltung arbeitet ohne Bereichsumschaltung in einem sich über 2 Zehnerpotenzen hinweg erstreckenden Stromstärkebereich und bis zu hohen Frequenzen. Ein Gleichstromanteil stört erst, wenn seine Stärke die Stromstärke des Wechselstroms erreicht oder übertrifft.

Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Ansprüche 2 bis 4 betreffen Maßnahmen zur Amplitudenbegrenzung der in der Sekundärwicklung des Übertragers induzierten Spannungsimpulse. Die Ansprüche 5 und 6 enthalten verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung der bistabilen Schaltung. Anspruch 7 beschreibt eine einfache Möglichkeit zur Erfassung der am Ausgang der bistabilen Schaltung anstehenden Wechselspannung.

Anspruch 8 ermöglicht die Auswertung der Phasenlage des Wechselstromes gegenüber einer Vergleichswechselspannung. Anspruch 9, schließlich, ermöglicht die Feststellung eines dem Wechselstrom überlagerten Gleichstromes.

Anhand zweier Figuren soll nun ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ausführlich beschrieben und seine Funktion erklärt werden.

In Fig. 1 ist ein Übertrager UE dargestellt, dessen Primärwicklung in einem Stromkreis liegt, der von einem Wechselstrom I 1 durchflossen wird. Die Sekundärwicklung des mit einem kleinen aber hochpermeablen Kern ausgestatteten Übertragers UE ist mit einer Auswerteschaltung verbunden, die folgende Teile aufweist: Einen Abschluß A, eine bistabile Schaltung BS, eine Schaltung MF zur Erfassung einer am Ausgang der bistabilen Schaltung anstehenden Rechteck-Wechselspannung, eine Phasenvergleichsschaltung PV und eine Gleichstromerkennungsschaltung GE. Der Abschluß A besteht entweder aus einem ohmschen Widerstand, einer Antiparallelschaltung zweier Dioden oder einer Reihenschaltung aus 2 gegeneinander gepolten Z-Dioden und dient der Begrenzung der beim Ummagnetisieren des Übertragerkerns in dessen Sekundärwicklung induzierten Spannungsimpulse. Die durch den Abschluß in ihrer Amplitude begrenzten Spannungsimpulse werden der bistabilen Schaltung zugeführt. Diese besteht aus einem Operationsverstärker OP 1, der einen Mitkopplungswiderstand R 2 aufweist und sich deshalb wie ein mit Schalthysterese behafteter Schmitt-Trigger verhält. Die über einen Vorwiderstand R 1 dem Operationsverstärker zugeführten Spannungsimpulse bewirken ausgangsseitig eine konstante Spannung deren Polarität der Polarität des jeweils vorhergegangenen Spannungsimpulses entspricht.

Ist der Strom I 1 ein Wechselstrom, so wird am Ausgang der bistabilen Schaltung, ungeachtet dessen, daß der Übertrager bei jeder Wechselstromhalbwelle in die Sättigung gefahren wird, eine Rechteck-Wechselspannung anstehen, deren Frequenz der Frequenz des Wechselstromes I 1 entspricht. Dem Nachweis des Anstehens einer Rechteck-Wechselspannung am Ausgang der bistabilen Schaltung dient ein monostabiles Kippglied MF, an dessen Ausgang Q 1 ein bestimmtes Gleichspannungssignal erscheint, solange die Polarität am Ausgang der bistabilen Schaltung in nicht zu großen Zeitabständen wechselt.

Um die Phasenlage der Rechteck-Wechselspannung am Ausgang der bistabilen Schaltung zu prüfen, ist dieser Ausgang mit dem Eingang einer Phasenvergleichsschaltung PV verbunden, an deren Vergleichseingang eine Vergleichswechselspannung U _V angelegt werden kann. An einem Signalausgang Q 2 gibt die Phasenvergleichsschaltung ein Signal aus, wenn die Ausgangswechselspannung der bistabilen Schaltung eine vorgegebene Phasenlage zur Vergleichswechselspannung U _V einnimmt.

Der Ausgang der bistabilen Schaltung ist weiterhin mit einer Gleichstromerkennungsschaltung GE verbunden, die einen Tiefpaß und einen nachgeschalteten Fensterkomparator FK enthält und ein Signal auf einen Signalausgang Q 3 ausgibt, wenn dem (im wesentlichen sinusförmigen) Wechselstrom ein Gleichstrom überlagert ist. Der Tiefpaß der Gleichstromerkennungsschaltung besteht in dem hier dargestellten Fall aus einem Verzögerungs-Glied aus Widerständen R 3 und R 4 und einem Kondensator C. Die am Kondensator C anstehende Spannung wird über einen Vorwiderstand R 5 dem Fensterkomparator FK zugeführt. Dieser Fensterkomparator nimmt ein vorgegebenes positives oder negatives Ausgangspotential an, sobald die Spannung am Kondensator C um einen vorgegebenen Mindestbetrag nach oben oder unten von einer zugeführten Referenzspannung U _R abweicht.

In Fig. 2 ist oben ein angenommener Verlauf des durch die Primärwicklung des Übertragers fließenden Wechselstromes I 1 dargestellt. Darunter ist schematisch der Verlauf der an der Sekundärwicklung des Übertragers auftretenden Spannung U 2 abgebildet. Aus dem Verlauf der Spannung U 2 geht deutlich hervor, daß lediglich im Bereich der Nulldurchgänge des Wechselstromes I 1 Spannungsspitzen induziert werden, deren Polarität der Richtung des jeweiligen Nulldurchgangs entspricht.

In Fig. 2, unten, ist schematisch die Spannung am Ausgang der bistabilen Schaltung dargestellt. Aus dem Verlauf dieser Spannung geht hervor, daß die bistabile Schaltung durch jeden einzelnen an ihrem Eingang eintreffenden Spannungsimpuls jeweils in den Zustand kippt, in dem ihr Ausgangspotential dieselbe Polarität aufweist wie der triggernde Spannungsimpuls. Dieser Zustand bleibt jeweils bis zum Eintreffen des nächsten Spannungsimpulses erhalten.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Wechselstromflusses in einer Leitung mit einem Übertrager, dessen Primärwicklung in den über die Leitung führenden Strompfad geschaltet ist und dessen Sekundärwicklung mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, die das in der Sekundärwicklung induzierte Signal auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (UE) einen hochpermeablen Kern sehr kleiner Baugröße besitzt und daß die Auswerteschaltung eine bistabile Schaltung (BS) enthält, die durch in der Sekundärwicklung des Übertragers induzierte Spannungsimpulse getriggert wird und deren Polaritat bis zum jeweils nächsten Spannungsimpuls speichert, und eine Vorrichtung (MF), die das Auftreten einer Rechteck-Wechselspannung am Ausgang der bistabilen Schaltung feststellt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Eingang der bistabilen Schaltung (BS) ein Abschluß (A) vorgesehen ist, der die in der Sekundärwicklung induzierten Spannungsimpulse in ihrer Amplitude begrenzt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschluß (A) ein ohmscher Widerstand ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschluß (A) eine aus antiparallel geschalteten Dioden oder in Reihe geschalteten, gegeneinander gepolten Z-Dioden bestehende Spannungsbegrenzungsschaltung ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Schaltung (BS) eine Schmitt-Trigger-Schaltung ist, die so dimensioniert ist, daß sie eine Schalthysterese aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Schaltung (BS) ein mitgekoppelter Operationsverstärker (OP 1) ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bistabilen Schaltung (BS) ein monostabiles Kippglied (MF) nachgeschaltet ist, welches bei Anstehen einer Rechteck-Wechselspannung am Ausgang der bistabilen Schaltung (BS) ein diesen Zustand anzeigendes Anwesenheitssignal auf eine Signalleitung (Q 1) ausgibt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bistabilen Schaltung (BS) eine Phasenvergleichsschaltung (PV) nachgeschaltet ist, die die Phase der Ausgangsspannung der bistabilen Schaltung mit der Phase einer Vergleichswechselspannung (U _V) vergleicht und bei vorgegebener Phasenlage der beiden Spannungen gegeneinander ein diese Phasenlage anzeigendes Signal auf einen Signalausgang (Q 2) ausgibt.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bistabilen Schaltung (BS) ein Tiefpaß nachgeschaltet ist, dessen Ausgangsspannung einem Fensterkomparator (FK) zugeführt ist, und daß der Fensterkomparator ein Gleichstrom-Anwesenheitssignal ausgibt, wenn die Ausgangsspannung des Tiefpasses einen vorgegebenen Spannungsbereich verläßt.