DE3913932A1 - Schutzschaltung eines halbwellengesteuerten wechselstromschalters insbes. mit transformatorgekoppelter last - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überstromschutz einer Schaltungsanordnung mit einem Wechselstromschalter, der jeweils nur im Nulldurchgang einer über ihm liegenden Wechselspannung mittels eines Steuersignals einzuschalten ist.

Wechselstromschalter der bekannten Art sind insbes. als optisch gesteuerte Thyristoren paarweise ausgestaltet, deren Zündsteuerung über einen Nulldurchgangsdetektor, besonders Störstrahlungsarm erfolgt. Derartige Schalter zünden deshalb den Stromdurchgang jeweils mit dem Beginn der nächsten Halbwelle, sobald das Steuersignal den optischen Sender, der eine in dem Schaltelement integrierte Lichtdiode ist, bestromt, und der Schalter beendet die Stromleitung, sobald diejenige Halbwelle endet, während der das Steuersignal verschwindet. Die Stromleitung kann jedoch auch durch externe Einflüsse bei einem Spannungsausfall oder -einbruch vor dem Ende der Halbwelle unterbrochen werden.

Daß das Steuersignal völlig asynchron zur Wechselspannung und unabhängig von der Lage der Halbwelle bei einer Stromunterbrechung auftritt, führt, insbes. bei Schaltungen mit transformatorisch gekoppelter Last, dann zu extremen Überlastungen, wenn der nächste Einschaltvorgang mit einer, zur beim Ausschalten wirksam gewesenen gleichpoligen Halbwelle erfolgt. In einem solchen Fall ist der Transformator bei üblicher Dimensionierung bereits durch die vorhergehenden Halbwellen weitgehend durchgesteuert gewesen, so daß er bei der weiteren Magnetisierung in gleicher Richtung in die Übersättigung kommt, was zu einem extrem hohen Kurzschlußstrom und einer entsprechend hohen Belastung der Primärseite des Transformators und des Thyristors führt.

Treten häufig solche Überlastspitzen auf, kann dies zu bleibenden Schäden an den Bauteilen oder zu deren Ausfall führen. Sofern eine sehr flinke Absicherung des Stromkreises vorgesehen ist, führt deren Durchbrennen oder Auslösung zu einem Stillstand und entsprechendem Reparaturaufwand, was insbes. bei sicherheitstechnischen Anlagen sehr nachteilig ist. Die Verwendung von transformatorgekoppelten Lasten ist insbes. in der Verkehrssignaltechnik üblich, wobei sämtliche Signallampen jeweils über einen zugehörigen Transformator mit jeweils einem Thyristorschalter betrieben werden. Da die Funktion der Lampen vorteilhaft primärseitig überwacht wird, werden hierfür sehr verlustarme Ringbandtransformatoren eingesetzt, die eine geringe Entmagnetisierung und somit eine hohe Remanenz aufweisen. Insbes., wenn nach einem Stromausfall viele Lampen gleichzeitig einzuschalten sind, entsteht je nach der Lage der Ausschaltphasenlage zur Anschaltphasenlage ein extremer Anlagenkurzstrom, wenn mehrere primäre Lampenstromkreise gleichzeitig in die Sättigung kommen, was dann zum Sicherungsausfall führt. Darüber hinaus ergibt sich durch die minütliche Einschaltung der Verkehrsampeln jeweils bei ungünstiger Phasenlage des Steuersignales zur vorherigen Ausschaltphasenlage eine erhebliche Erwärmung des Transformators durch die periodischen hohen Spitzenverluste.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu offenbaren, mit denen Transformatoren, die mit im Nulldurchgang schaltenden Schaltern geschaltet werden, die Sättigungsgrenze nicht überschreitend zu betreiben sind.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß in einem Speicherelement die Stromrichtung des jeweils letzten Stromflusses in dem Wechselstromschalter als eine Richtungsinformation gespeichert wird und abhängig von dieser Richtungsinformation der Wechselstromschalter erst dann wieder eingeschaltet wird, wenn jeweils ein Nulldurchgang in diejenige Spannungsrichtung erfolgt, bei der der Stromfluß dann umgekehrt zur gespeicherten Stromrichtung fließen wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltung besteht darin, daß sich das Speicherelement in der Ansteuerschaltung des Wechselstromschalters befindet, die das Steuersignal erzeugt, das einem optischen Signalgeber in einem handelsüblichen Thyristor-Wechselstromschalter zugeführt ist. Die jeweils zuletzt vorhandene Stromrichtung und die jeweils zuletzt vorhandene Spannungsrichtung werden über Optokoppler der Steuerungsbaugruppe zugeführt, so daß eine Entkopplung und Isolation zwischen dem Steuerkreis und den die Wechselspannung führenden Bauelemente gegeben ist. Die Speicherung erfolgt zweckmäßig in einem Flipflop, das über eine Hilfsbatterie auch bei Stromausfall versorgt wird. Auch elektrostatisch speichernde Bauelemente nach Art eines elektrisch änderbarem Lesespeichers sind als Speicherelemente zu verwenden, wodurch die Batterie erspart wird.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltung besteht darin, daß der geschaltete Strom über eine Setzwicklung eines Speicherringkernes geführt ist und die Startflanke des Steuersignals jeweils in einen Auslesestromimpuls gewandelt wird, so daß das Lesesignal aus dem Speicherringkern geeignet verstärkt und zwischengespeichert in Verbindung mit dem Steuersignal zur Ansteuerung der nächsten, entsprechend anders gerichteten Halbwelle dient.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltung besteht darin, das Speicherelement auf der Wechselspannungsseite der Schaltbaugruppe in Verbindung mit dem Nulldurchgangsdetektor anzuordnen. Die Stromsignale lassen sich dort unmittelbar abnehmen und zur Speicherung und Auswertung des Speicherzustandes verwenden. Als Speicherelement eignet sich hierfür besonders eine ferroelektrische Kapazität. Besonders einfach wird eine derartige Schaltung, wenn sie paarweise für die beiden Stromrichtungen aufgebaut ist. Diese Schaltung läßt sich in einem Baustein unterbringen und ist gegen die handelsüblichen Schaltbausteine ohne weitere Schaltungsänderung austauschbar. Statt der dargestellten, von dem Steuerelement getrennten Anordnung des Speicherkondensators, kann auch eine unmittelbar mit einem Steuertransistor integrierte vorgesehen sein.

Statt in einer kompakten Schaltung läßt sich das Schaltungsschutzverfahren auch mit einem Mikroprozessor verwirklichen, was insbes. dann vorteilhaft ist, wenn die geschalteten Ströme nach ihrer Richtung erkannt und laufend überwacht werden, was in sicherheitstechnischen Vorrichtungen, z. B. in Verkehrssicherungsanlagen, üblich ist, in denen die Signallampenströme ständig überwacht werden. Durch ein Zusatzprogrammteil werden jeweils die zuletzt vorhandenen Stromrichtungen der verschiedenen Lampenstromkreise gespeichert und die Steuersignale zum Wiedereinschalten der Signallampen jeweils mit einer zur jeweiligen Wechselspannungsphasenlage geeigneten Phasenlage ausgegeben, so daß dann jeweils die der früheren Stromrichtung entgegengesetzte Stromrichtung auftritt.

Einzelheiten der verschiedenen Ausführungen sind anhand der Fig. 1 bis 4 dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Schutzschaltungsanordnung mit einer Optokopplung, die dem Wechselstromschalter vorgeordnet ist;

Fig. 2 zeigt eine Schutzschaltungsanordnung mit einem Ferritspeicherkern, die den Wechselstromschalter vorgeordnet ist;

Fig. 3 zeigt eine Schutzschaltungsanordnung, die wechselspannungsseitig angeordnet ist;

Fig. 4 zeigt eine Mikroprozessorschaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Schaltungsschutz.

Fig. 1 zeigt eine Schutzschaltung deren Speicherelement (FF 1) durch eine Langzeitbatterie (DB) gespeist ist, die über eine Trenndiode (TD) von der Gleichspannungsversorgung (UG) der Steuervorrichtung (SV), die das Steuersignal (ZS) liefert, gespeist ist. Der Wechselstromschalter (WS) ist ein handelsüblicher mit einer Leuchtdiode (LD) und einem internen Nulldurchgangsdetektor (ZD) gesteuertes Thyristorpaar (TP), dem zur Leistungserhöhung ein externes Thyristorpaar (ET) in bekannter Weise nachgeschaltet ist. Die Thyristorschaltstrecken liegen in Reihe mit einem Bandkern-Transformator (T), der sekundärseitig beispielsweise mit einer Verkehrssignallampe (L) belastet ist. Primärseitig ist die Reihenschaltung aus der Transformatorwicklung und dem Wechselstromschalter von einer Wechselspannung (UAE) von z. B. 220 V, 50 Hz gespeist. In den Strompfad des Thyristorpaares (TP) sind zwei entgegengesetzte Optokoppler (LI 1, LI 2) eingeschaltet, deren Ausgangssignale das Speicherelement (FF 1) jeweils gemäß der geschalteten Stromrichtung setzen. Ein weiteres einander entgegengesetzt gerichtetes Optokopplerpaar (LU 1, LU 2) ist in Serie mit einem Vorwiderstand über das Thyristorpaar (TP) geschaltet, so daß deren Ausgangssignale jeweils bei offenem Wechselstromschalter die eine bzw. andere Spannungsrichtung signalisieren und demgemäß dann eines der Spannungsrichtungssignale (UP, UN) außerhalb des Nulldurchgangsbereiches abgeben. Die beiden Ausgangssignale des Speicherelements (FF 1) werden dann jeweils in einem Und-Gatter (U 1, U 2) mit dem entsprechenden Spannungsrichtungssignal (UP, UN) und mit dem Steuersignal (ZS) verknüpft und deren Ausgangssignale werden in einem Odergatter (OG) verknüpft und auf den Setzeingang eines weiteren Flipflop (FF 2) gegeben, dessen Ausgangssignal (ZS′) dem Wechselstromschalter (WS) als Steuersignal zugeführt ist. Dieses Flipflop (FF 2) wird über einen Inverter (N) mit der Inversion des Zustandssignals (ZS) gelöscht.

Die Funktionsweise dieser Schutzschaltung ist somit die, daß erst dann das Ausgangssignal (ZS′) von dem Flipflop (FF 2) abgegeben wird, wenn in das Speicherflipflop (FF 1) mit einem der Stromrichtungssignale eine Richtungsinformation eingespeichert wurde und wenn nach dem Abschalten des Steuersignales (ZS) dieses wieder aktiviert ist und wenn danach ein zum Speicherinhalt gleichartiges Spannungsrichtungssignal (UP, UN) auftritt, so daß das Ausgangssignal (ZS′) zusammen mit dem nächsten Nulldurchgangssignal zu einer Thyristenzündung führt, wonach dann die Stromrichtung umgekehrt zur früheren ist. Eine Überschreitung der Sättigungsgrenze des Transformators ist somit verhindert. Diese Schaltung arbeitet auch dann korrekt, wenn eine externe Unterbrechung der Wechselspannung (UA) erfolgte, da die tatsächliche Stromrichtung stets gespeichert wird.

Fig. 2 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung, in der das Steuersignal (ZS) mit der gespeicherten Richtungsinformation verknüpft und danach in geeigneter Phasenlage zur anliegenden Wechselspannung als Ausgangssignal (ZS′′) an den Wechselstromschalter (WS) abgegeben wird, wo dieses nach der Verknüpfung mit dem nächsten Nulldurchgangssignal (ZD) zur Thyristorzündung führt. Die Potentialtrennung der Wechselspannung zur Steuerspannungsseite sowie die Speicherung wird durch einen Speicherringkern (KS) vorgenommen. Sobald das Steuersignal (ZS) in den Einzustand wechselt, wird eine Impulsschaltung (IS) getriggert, die einen Lesestrom (IL) durch den Speicherkern (KS) treibt, so daß dieser, falls er entsprechend magnetisiert war, unmagnetisiert wird und sein in der Lesewicklung (LW) durch die Induktion entstehendes Lesesignal das Auswerteflipflop (FF 10) setzt, dessen Zustandssignale nach dem Ende des Leseimpulses von einem weiteren Impulssignalgeber (S 2) über die Und- und Oder-Gatter, wie in der Schaltung Fig. 1 verknüpft, einen zweiten Flipflop (FF 20) zugeführt ist, das das modifizierte Steuersignal (ZS′′) abgibt. Beide Flipflops (FF 10, FF 20) werden mit der Inversion des Zustandssignals (ZS) gelöscht.

Fig. 3 zeigt eine Schutzschaltungsanordnung, die unmittelbar wechselstromseitig in dem Schalter angeordnet ist. Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise ist der Wechselstromschalter (WS 1) durch Ersatzschaltungen der beiden antiparallelen Thyristoren (TH 1, TH 2) dargestellt, die durch die Nulldurchgangsdetektoren (ZD 1, ZD 2) jeweils angesteuert werden, wenn diese von der Leuchtdiode (LED) durch das Steuersignal (ZS) mit dem Lichtsignal beaufschlagt werden.

In den Strompfaden der Thyristoren (TH 1, TH 2) sind jeweils Speicherkondensatoren (CF 1, CF 2) mit einem ferroelektrischen Dielektrikum jeweils parallel zu Spannungsbegrenzern (B 1, B 2), z. B. Dioden, angeordnet, so daß diese Speicherelemente (CF 1, CF 2) sich jeweils der Stromflußrichtung gemäß aufladen. Die zum Starten dienenden Nulldurchgangsdetektoren (ZD 1, ZD 2) sind jeweils in gegenkoppelnder und eine Neuzündung sperrender Weise mit einem der Speicherelemente verbunden, so daß die Nulldurchgangsdetektoren jeweils nur dann eine Zündung bewirken können, wenn ein gemäß dem vorherigen Stromfluß gespeicherter Spannungszustand nicht der Stromflußrichtung des jeweils zu zündenden Thyristorpaares (TH 1, TH 2) entspricht. Die externe Beschaltung des Wechselstromschalters (WS 1) entspricht im übrigen z. B. der Schaltung in Fig. 1.

Eine weitere Schaltungsanordnung zur Verwirklichung des Schutzverfahrens ist in Fig. 4 dargestellt. Es handelt sich um einen Ausschnitt einer Verkehrssignalanlage mit einer Signallampen-Überwachungsschaltung. Der Mikroprozessor (MP) liefert außer weiteren Steuersignalen, die er an weitere gleichartige, nicht dargestellte externe Schaltkreise abgibt, das Steuersignal (ZS) für die Ansteuerung des nullpunktgesteuerten Wechselstromschalters (WS 2), der über die Leistungsthyristoren (ET) und den Transformator (T) die Verkehrssignallampe (L), z. B. ein Rotlicht, bestromt. Parallel zu den Leistungsthyristoren (ET) ist für jede Spannungsrichtung je ein Lichtkoppler (LU 1, LU 2) angeordnet, so daß diese entsprechende Spannungsrichtungssignale (UP, UN) abgeben, die dem Mikroprozessor (MP) eingangsseitig zugeführt sind. Dieser ermittelt jeweils nach dem Abschalten des Steuersignales (ZS), wenn also die Lampe (L) nicht mehr bestromt wird, welches der Spannungsrichtungssignale (UP, UN) zuerst auftritt und speichert dieses in einem Speicher (SP) ab. Ein Spannungsrichtungssignal entsteht immer erst nach der Stromabschaltung, da die Spannung (UA) über dem Schalter nur dann ansteht und gemeldet wird; ansonsten ist nur eine zu geringe Restspannung vorhanden. Auf diese Weise läßt sich die Richtung des vorherigen Stromes ermitteln.

Sobald danach gemäß dem internen Steuerprogramm das Steuersignal (ZS) diese Lampe wieder einzuschalten hätte, wird zuvor das zugehörige gespeicherte Richtungssignal programmgemäß aus dem Speicher (SP) des Mikroprozessors (MP) ausgelesen und das Spannungsrichtungssignal (UP, UN), das die umgekehrte Spannungsrichtung angibt, laufend auf sein Vorhandensein geprüft und erst, wenn dieses auftritt, wird das Steuersignal (ZS) aktiviert, so daß eine Zündung der Thyristoren (ET) mit dem nächsten Nulldurchgang eintritt. Auf diese Weise wird jeweils die Stromrichtung beim betriebsmäßigen Abschalten gespeichert und beim Wiedereinschalten der Lampen berücksichtigt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Wechselspannungssignal (UAE) mit einer Ausfallschaltung überwacht, die z. B. aus zwei antiparallelen Lichtkopplern (LU 3, LU 4) besteht, deren Phasenausgangssignale (PH) periodisch vom Mikroprozessor (MP) überwacht werden, so daß deren letztes Signal stets abgespeichert ist. Außerdem wird durch Vergleich mit einem Zeitsignal einer Uhr (CL) programmgemäß ermittelt, wenn das nächste zu erwartende Phasensignal ausbleibt, also eine Netzunterbrechung auftritt. Davon abhängig wird dann für alle diejenigen Lampen-Steuersignale, die eingeschaltet sind, das letzte Phasensignal zugeordnet gespeichert, und alle Steuersignale (ZS) aller noch aktivierten Signallampen werden ausgeschaltet, so daß beim Wiedereinschalten der Lampenschalter, wenn die Wechselspannung wiederkehrt, die jeweils andere Stromrichtung auftritt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, auch Teile der programmgemäßen Steuerung, z. B. die Netzausfallerkennung, mit elektronischen Bauteilen zu bewirken, wobei z. B. das Netzausfallsignal mittels einer Interruptsteuerung dem Mikroprozessor zugeführt wird. Kombinationen der in den dargestellten Schaltungen angegebenen Teilschaltungen in anderer Weise liegen im Rahmen der Erfindung. Insbes. die asymmetrischen oder symmetrischen Schaltungsaufbauten bezüglich der Speicherelemente, wie diese in Fig. 1 und 2 vergleichsweise zu Fig. 3 und 4 gezeigt sind, lassen sich entsprechend anders kombinieren.

Claims (10)

1. Verfahren zum Überstromschutz einer Schaltungsanordnung mit einem Wechselstromschalter (WS, WS 1, WS 2), der jeweils nur im Nulldurchgang einer über ihm liegenden Wechselspannung (UA) mittels eines Steuersignals (ZS, ZS′, ZS′′) einzuschalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Speicherelement (FF 1, KS, CF 1, CF 2, SP) die Stromrichtung des jeweils letzten Stromflusses in dem Wechselstromschalter (WS, WS 1, WS 2) als eine Richtungsinformation gespeichert wird und abhängig von dieser Richtungsinformation der Wechselstromschalter (WS, WS 1, WS 2) erst dann wieder eingeschaltet wird, wenn jeweils ein Nulldurchgang in diejenige Spannungsrichtung erfolgt, bei der der Stromfluß dann umgekehrt zur gespeicherten Stromrichtung fließen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Mikroprozessor (MP) mindestens ein programmabhängig wechselndes Steuersignal (ZS) für jeweils einen der Wechselstromschalter (WS 2) ausgibt und die Wechselspannung (UA) über antiparallele Koppler (LU 1, LU 2) als Richtungssignal (UP, UN) dem Mikroprozessor (MP) signalisiert werden und deren nächster Zustand jeweils nach einem Ausschalten des Steuersignales (ZS) programmgemäß in einem Speicher (SP) als die Richtungsinformation gespeichert wird und vor einem programmgemäßen Wiedereinschalten des Steuersignales (ZS) die gespeicherte Richtungsinformation aus dem Speicher (SP) wiederausgelesen wird und erst mit dem Auftreten desjenigen Richtungssignales (UN, UP), das der anderen Spannungsrichtung (UP, UN) als der ausgelesenen entspricht, das Steuersignal (ZS) wiedereingeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasensignal (PH) der Wechselspannung (UAE) von dem Mikroprozessor (MP) derart ausgewertet wird, daß zeitgesteuert ein Ausfall der Wechselspannung (UAE) ermittelt wird und die phasensignalmäßige Stromrichtung als die Stromrichtungsinformation zugeordnet zu den jeweils anstehenden Steuersignalen (ZS) gespeichert werden und die Steuersignale (ZS) abgeschaltet werden.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement ein Flipflop (FF 1) ist, das durch Stromrichtungssignale von in dem geschalteten Wechselstromkreis angeordneten Kopplern (LI 1, LI 2) gesetzt und gelöscht ist und dessen beiden Ausgangssignale mit dem eingehenden Steuersignal (ZS) und jeweils einem von zwei Spannungsrichtungssignalen (UP, UN) verknüpft und dann in einem weiteren Flipflop (FF 2) zwischengespeichert sind, dessen Ausgangssignal (ZS) zusammen einem Signal eines Nulldurchgangsdetektors (ZD) dem Schaltelement (TP) des Wechselstromschalters (WS) als Startsignale zugeführt sind, und daß das weitere Flipflop (FF 2 jeweils durch das invertierte des eingehenden Steuersignals (ZS) gelöscht ist.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement (KS) ein hartmagnetischer Speicherringkern ist mit einer Schreibwicklung, die von dem geschalteten Wechselstrom durchflossen ist und mit einer Abfragewicklung, die jeweils von einem Abfragestromimpuls (IL) durchflossen ist, der jeweils mit einem Wechsel des Steuersignales (ZS) in einer Impulsschaltung (IS) entsteht, und mit einer Lesewicklung (LW), die mit einem Setzeingang eines Speicherflipflops (FF 10) verbunden ist, dessen beiden Ausgangssignale nach einer Verzögerung mit dem eingehenden Steuersignal (ZS) und jeweils einem von zwei Spannungsrichtungssignalen (UP, UN) verknüpft und dann in einem weiteren Flipflop (FF 20) zwischengespeichert sind, dessen Ausgangssignal (ZS′′) zusammen mit einem Signal eines Nulldurchgangsdetektors (ZD) dem Schaltelement (TP) des Wechselstromschalters (WS) als Startsignale zugeführt sind, und daß die beiden Flipflop (FF 10, FF 20) jeweils durch das Invertierte des eingehenden Steuersignals (ZS) gelöscht sind.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem geschalteten Wechselstromkreis mindestens ein ferroelektrischer Speicherkondensator (CF 1, CF 2) parallel zu einem Spannungsbegrenzer (B 1, B 2) so angeordnet ist, daß er jeweils zur Einschaltung des Wechselstromschalters gegengekoppelt wirkt und einem erneuten Starten entgegenwirkend mit der Nullpunktdetektorschaltung (ZD 1, ZD 2) sperrend verknüpft ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Speicherkondensatoren (CF 1, CF 2) und zwei der Nullpunktdetektorschaltungen (ZD 1, ZD 2) antiparallel mit zwei Thyristoren (TH 1, TH 2) in dem Wechselstromschalter (WS 2) angeordnet sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromschalter (WS, WS 1, WS 2) ein Leistungsthyristorpaar (ET) steuernd parallel geschaltet ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromschalter (WS, WS 1, WS 2) in Serie mit einer Primärwicklung eines Transformators (T) mit einer hohen Remanenz geschaltet ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusammen mit dem Wechselstromschalter in einem Baustein integriert ist.