SE511334C2 - Nätdriven elstängselapparat - Google Patents

Description

511 334 2 större energiinnehåll. Alternativt kan en enda transformator med två separata primärlind- ningar användas.

REDoGöRELsE FÖR UPPFNNINGEN ï Det är ett syfte med uppfinningen att anvisa en elstängselapparat, som avger höga s spänningspulser med stort energiinnehåll och som har goda säkerhetsfunktioner.

¿ Med elstängselapparaten enligt uppfinningen, vars närmare bestämningar framgår av de bifogade patentkraven, uppnås detta syfte.

Elstängselapparaten drivs sålunda av växelspänning, t ex från det allmänna distribu- tionsnätet, och har två separata laddkondensatorer, som uppladdas av en laddningskrets w till hög spänning. laddkondensatorerna urladdas genom separata primärlindningar i en transformator och transformatorns sekundärlindning är på vanligt sätt ansluten till el- stängslet. Urladdningen av laddkondensatorerna styrs av separata urladdningskretsar, så att vid lätta belastningar - lätt belastning innebär en hög resistans i stängselkretsen mot jord - endast den ena laddkondensatom urladdas, medan vid tunga belastningar - tunga is belastningar fås vid liten resistans i stängselkretsen - också den andra laddkondensatom urladdas med början en kort tid efter påbörjandet av urladdningen av den första och un- der samma urladdningscykel. Avkänningskretsar avger signaler till upp- och urladdnings- kretsarna via en mikroprocessor och dessa signaler representerar i olika fall belastningen i form av stängselkretsen på transformatorn. Den ena avkänningskretsen innefattar den :o andra primärlindningen och används fór mätning av lätta belastningar. Den kan vid myc- ket lätta belastningar, då kapacitanser i stängselkretsen kan spela en roll, minska den spänning, till vilken laddkondensatorerna uppladdas. Den andra avkänningskretsen är ansluten till en pol hos laddkondensatorerna och används för mätning av tunga belast- ningar. Den styr huruvida den andra laddkondensatom överhuvudtaget skall urladdas zs under en urladdningscykel och i så fall tidpunkten för påbörjande av den andra laddkon- densatoms urladdning. Den kan ikortslutriingsfall med en mycket låg resistans i stängsel- _ ¿ kretsen också minska laddspänningen för laddkondensatorema. Urladdningen av den första laddkondensatom sker under ett första kort tidsintervall genom en krets med högre resistans än under resten av urladdningen. i s., HGURBEsmwNmG En utföringsform av uppfinningen skall nu beskrivas i samband med den bifogade ritningen, i vilken ñg. 1 visar ett kopplingsschema for en nätdriven elstängselapparat.

BESKRIVNING Av FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM as En elektrisk krets för en elstängselapparat visas i sina väsentliga delar med kopp- lingsschemat i fig. 1. Spänning från det elektriska distributionsnätet inmatas mellan kläm- mor l och 3 till en styrd laddningskrets 5. En mikroprocessor 7 styr laddningskretsen 5 fór uppladdning av de båda lika stora laddningskondensatorerna Cl och G2, vilka har stor kapacitans och är irikopplade parallellt med sin första pol till laddningskretsen 5 och 3 511 334 därför av laddningskretsen 5 uppladdas till samma spänning. Laddningsspänningen är maximalt ca 630 V men kan av rnikroprocessorn 7, när så erfordras, ges ett lägre värde.

De båda laddningskondensatorerna CI och Cz är båda med sin andra pol anslutna till elektronikjord, medan den första polen var och en är ansluten till en separat prirnärlind- sning LI respektive L¿ hos en transformator T försedd med en enkel sekundärlindning L3.

Sekundärlindningen L3 matar stängselkretsen (ej visad), som ansluts mellan klämmor 9 och ll.

Den ñrsta prirnärlindningens LI andra ände är via ett motstånd RI ansluten till den positiva elektroden hos en första tyristor TyI, vars negativa elektrod är förbunden med w jord hos elektroniken. Elektronikkretsarna har en skapad jord, som har en potential över- ensstämmande med endera av den drivande nätspänningens poler, dvs lika med potential hos en fas eller nolledning. Tyristorns TyI styrelektrod styrs med hjälp av en signal TYl från mikroprocessorn 7, som via ett motstånd Rz leds till basen hos en transistor TI, vars emitter är ansluten till tyristorns TyI styrelektrod. Transistorns TI kollektor är via ett 1s kollektormotstånd R3 ansluten till en positiv rnatningsspänning EI av t ex 12 V. Den första primärlindningen LI hos transformatom T är parallellt härmed ansluten till den positiva elektroden hos en andra tyristor Tyz, dock utan något motstånd i anslutningsled- ningen. Tyristorns Ty2 negativa elektrod är ansluten till elektronikjorden. Denna tyristor Tyz styrs på liknande sätt som tyristom TyI med hjälp av en signal TY2 från milaopro- 20 cessom 7, som leds via ett basmotstånd R4 till en transistor T2, vars emitter direkt är ansluten till styrelektroden." Transistoms T2 kollektor är via ett motstånd RS ansluten till den positiv matningsspänningen EI.

Också den andra primårlindningen LI hos transformatorn T har sin andra anslutning kopplad till den positiva elektroden hos en tredje tyristor Ty3 och denna tyristors Ty3 zs negativa elektrod är också ansluten till elektronikjord liksom de båda övriga tyristorerna TyI och Tyz. Också denna tyristor Ty3 styrs på motsvarande sätt av en signal TY3 från mikroprocessorn 7, som via ett basmotstånd Rs matas till basen på en transistor T3, vars emitter är ansluten till tyristorns Ty3 styrelektrod. Kollektorn hos transistorn T3 är via ett motstånd R7 ansluten till den positiva matningsspänningen EI. ao Belastningen i form av den till transformatorns T sekundärlindning 1,3 anslutna stängselkretsen utvärderas eller uppmäts på två olika sätt. För användning vid lätta laster och med höga utspänningar finns en spänningsdelare i form av motstånden Rs och R9, som är kopplad mellan anslutningarna till transformatoms T andra primärlindning Vid spänningsdelarens mittpunkt mellan dess motstånd Rs och RQ uttas en signal i form as av en spänning, som leds till en ingång PPUL till mikroprocessorn 7. Mittpunkten hos spänningsdelaren är också via en kondensator C3 ansluten till elektronikjord. Signalen PPUL blir en hög positiv spänning, när belastningen från stängselkretsen är tung.

Mätningen tillgår mera exakt så, att rnikroprocessorn 7 vid en vald tidpunkt lägger sin ingång PPUL till elektronikjordpotential, varigenom kondensatorn C3 helt urladdas. 511 334 4 Sedan förflyttas ingången PPUL till ett läge med hög resistans, varigenom spänningen uttagen via spänningsdelaren Rs, R9 uppladdat kondensatorn (23. Spänningen över demia kondensator C3 ökar och uppnår till sist ett spänningsvärde motsvarande logisk hög nivå på milcoprocessorns anslutning PPUL. Den tidslängd, som förflutit under uppladdningen s av kondensatorn C3 till denna nivå, mäts av mikroprocessom 7 och utgör ett mått på spänningen över den andra prirnärlindningen Lz. Kondensatoms G3 kapacitans väljs så li- ten, att hela mätförloppet utförs under en kort tid, under vilken spänningen över den andra primärlindningen Lz ändrar sig ßga.

En annan utvärdering av belastningen för användning, när belastningen är tung w (liten resistans i stängselkretsen, dvs mellan klämmorria 9 och ll) och alltså en låg ut- spänning avges på sekundärlindningen hos transformatorn T, ges av en signal erhållen på en ingång PCHL till milaoprocessorn 7. Laddningskondensatorernas Cl och G2 ena pol är via ett motstånd Rw ansluten till laddningskretsen 5 och vid denna anslutningspunkt är också en transistor T4 ansluten med sin bas via en spänningsdelare irmefattande ett mot- as stånd Ru anslutet till den nämnda punkten och ett motstånd Ru, som är anslutet med sin ena pol till elektronikjorden. Laddningskondensatorerrias Cl, G2 uppladdningsspänning får med hjälp av spänningsdelaren proportionellt driva denna transistor T4. Transistom T4 är till skillnad från de övriga transistorerna av PNP-typ och är med sin emitter ansluten till en positiv stabil matningsspänning E2, tex den drivspänning av 5 V, som konventio- zo nellt används för drift av mikroprocessom 7, och med sin kollektor via ett motstånd Ru till elektronikjord. Mätsignalen leds till rnilcroprocessorns ingång PCHL från transistoms T4 kollektor.

Måtförloppet är mer detaljerat beskrivet också här en tidmätning. Basen hos transis- torn T4 ligger vid början av urladdningen av laddningskondensatorerna Cl, CZ på hög zs potential och därför spärras strömmen genom transistom T4. När urladdningsförloppet fortsätter, minskar emellertid spänningen över spänningsdelaren Ru, Ru för att till slut ge en så låg potential vid spänningsdelarens mitt, vid transistorns T4 bas, att transistom T4 börjar att leda. Potentialen på transistorns T4 kollektor ökar då från ett från början lågt värde till ett värde, som motsvarar hög logisk nivå på mikroprocessoms 7 ingångar, aovilket kan motsvara 100 - 300 V över trransformatorns T prirrñrlindningar LI, IQ. Denna tidpunkt kan då avkännas av mikroprocessom 7 och tidslängden från starten av urladd- ningen av den första laddningskondensatom Cl till denna tidpunkt är ett mått på den resistiva belastningen mellan utgångsklännnorna 9, 11 hos transformatorn T. Valet av den spänning, vid vilken omslag sker, dvs då transistom T4 börjar leda, har betydelse i de as fall, då stängselbelastningen har en nämnvärd kapacitiv komponent. Om en alltför hög omslagsspänning väljs - genom val av lämpliga storlekar hos t ex motstånden Rlo, Ru och Ru - kommer en belastning med kapacitivt inslag att medföra en kortare tid, innan transistorn T4 slår om, och alltså att detekteras som tyngre last. Denna mätning fungerar så länge som stängslets belastning är så tung, att kondensatorn Cl hinner urladdas, innan 5 511 334 järnkärnan i transformatom T blir magnetiskt mättad.

Urladdningen av laddkondensatorerna CI och C2 tillgår principiellt så, att först igångsätts urladdningen av laddningskondensatom CI genom den första primärlindningen LI, som är försedd med färre antal lindningsvarv än den andra printärlindningen 12. Här- s igenom induceras en hög utgångsspänning av en storleksordning i närheten av de 10 kV, som är tillåtna i stängselkretsen. Detta gäller, när stängselkretsen utgör en liten belastning på transformatom. Efter en viss urladdning, närmare besfimt efter en viss styrbar tids- period efter igångsättningen av denna första laddkondensators CI urladdning, kan, om så erfordras, urladdningen startas från den andra laddningskondensatom C2 över den andra wprimärlindningen LI, varigenom urladdningspulsen ßrstärks och får ytterligare energi.

För att härvid inte urladdningsströmmen från den andra kondensatorn C2 inte skall gå genom den första primärlindningen LI, är inkopplingen av den andra laddningskondensa- tom C2 är utförd via en diod DI till laddningskretsen 5.

Belastningen bestäms av mikroprocessorn 7 och dess värde utvärderas av milcropro- ts cessom för att avgöra, huruvida överhuvudtaget den andra laddningskondensatorn C2 skall inkopplas och i så fall för att bestämma en lämplig inkopplingstid för början av urladdningen av den andra laddkondensatom C2.

Urladdningen av laddkondensatorema CI och C2 åstadkoms med hjälp av tyristorer- na TyI, Ty2 och Ty3. Dessa är vid uppladdningsförloppet av laddkondensatorerna CI, C2 zo strypta och bringas att leda med hjälp av styrsignalema TY1, TY2 respektive TY3 erhåll- na från mikroprocessorn 7. Vid urladdningen av den första laddkondensatom CI, som ger den höga spänningen på sekundärsidan av transformatorn T, tänds först tyristom TyI.

Härvid urladdas den första laddkondensatom CI via den första primärlindningen LI i serie med motståndet RI. Denna urladdning blir härigenom en smula dämpad och minskar zs tendensen till överspänningar eller överslängar hos den alstrade spänningen på transfor- matorns T sekundärlindning 1,3, vilka kan uppträda, när belastningen i form av den mel- lan klämmoma 9, 11 anslutna stängselkretsen har en kapacitiv komponent. Efter en mind- re, fast bestämd tidsperiod tänds sedan den andra tyristom Ty2 med hjälp av signalen TY2. Vid denna tidpunkt, då spänningen över den första laddkondensatom CI har mins- ao kat något, sker urladdningen genom den första primärlindningen LI direkt genom tyris- tom Ty2.

Till sist kan även den andra laddkondensatom C2 bringas att urladdas genom att tyristom Ty3 styrd av signalen TY3 fås att leda och då sker den andra laddkondensatorns C2 urladdning genom den andra primärlindningen 1,2 direkt via tyristom Ty3. as Under den tid, som enbart den första laddkondensatom CI urladdas, induceras en spänning även i den andra prirrtärlindriingen 1,2 och denna spänning utvärderas vid olika tidpunkter med hjälp av den signal, som tillförs mikroprocessom 7 på dess ingång PPUL.

Under de urladdningscykler, när också den andra laddningskondensatom C2 urlad- das genom transformatorn T, utförs med hjälp av denna signal på ingången PPUL en 511334 6 momentan mätning av belastningen mellan klämmorna 9, ll på transformatorns T sekun- därsida under just denna urladdningspuls från den första laddningskondensatom Cl före påbörjandet av urladdningen av den andra kondensatorn G2. Resultatet av denna mätning används av mikroprocessorn 7 för kontroll av att den avgivna spänningen inte är alltför shög och alltså att belastningen inte har minskat eller blivit lättare. Om spänningen skulle vara alltför hög, påbörjas inte urladdningen av den andra laddningskondensatom CZ överhuvud taget.

Signalen på ingången PPUL till milcroprocessom 7 används också för att ge en nog- grann mätning av belastningen vid höga utspänningar och lätta laster. Den kan under w längre tidsperioder, när urladdningen av den andra laddningskondensatom G2 aldrig be- höver påbörjas på grund av den lätta belastningen, utvärderas under flera, efter varandra följande urladdningsfórlopp fór den första laddningskondensatom Cl. Ur denna signal kan ett värde på urladdningspulsens maximispänning härledas, dvs allmänt sett abso- lutvärdets maximum. Urladdningspulsen kommer, såsom nämnts ovan, ha olika utseende is beroende på belastningen och bl a på den kapacitiva delen i denna. Mätningen av maximi- spänningen tillgâr på så sätt, att urladdningspulsens spänning mäts vid olika tidpunkter räknat från urladdningens början under successiva urladdningspulser. Det största sålunda bestämda värdet blir då det sökta maximivärdet. När det bestämda maximivärdet är alltför högt, kan rnilcroprocessorn 7 styra laddningskretsen 5 för laddkondensatorerna Cl och (L¿ zo på så sätt, att dessa i stället för att uppladdas till normala 630 V i stället uppladdas till t ex ca 500 V. Härigenom kan man åstadkomma, att myndigheternas gränsvärden alltid underslcrids men att samtidigt utgångspulser med så hög tillåten spänning som möjligt erhålls.

Vid tunga laster och alltså små utspänningar använder mikroprocessorn 7 signalen zs på ingången PCHL, som då ger en noggrann bestämning av belastningen. Härvid används normalt också den andra laddningskondensatom G2 för att tillföra mer energi till spän- ningspulsen på utgången från transformatom T och tidpunkten för inkoppling av den andra laddningskondensatom bestäms av rnikroprocessorn 7 med hjälp av det ur signalen på ingången PCI-IL bestämda värdet. ao lasten mäts sålunda under varje urladdningscykel med hjälp av signalen på ingång- en PCHL och speciellt används det ur denna signal bestämda värdet för att avgöra om mycket små belastningar, tex mindre än 20 ohm såsom vid kortslutning, föreligger i stängselkretsen. I detta fall kan en överhettning komma att inträffa i anordningen, särskilt i transformatorns T lindningar, och i detta fall avgör mikroprocessorn 7 i enlighet med ett asi denna inlagt styrschema eller styrprogram, att laddningspänningen för kondensatorerna Cl och G2 skall minskas till något lämpligt värde.

Claims (8)

7 511 534 PATENTKRAV

1. Elstängselapparat driven av en växelspänning, särskilt från det allmänna distribu- tionsnätet, innefattande en första laddkondensator, s en laddningskrets ansluten till växelspänningen och den första laddkondensatom för Uppladdning av laddkondensatom till en hög spänning, en första primärlindning tillhörande en transformator, varvid en sekundärlindning hos transfomtatorn är ansluten till elstängslet och primärlindningen är ansluten till den första laddkondensatom, to en urladdningskrets fór den första laddkondensatom, som är anordnad att periodiskt urladda den första laddkondensatom genom dess anslutna primärlindning, ßr alstrande av urladdningspulser, som från transfonnatorns sekundärlindning överförs till ett anslutet el- stängsel, en avkänningskrets för att avkänna belastningen på transformatorn från ett anslutet ts elstängsel och avge en signal representerande belastningen, varvid avkänningskretsen innefattar en andra separat primärlindning hos transformatorn och en till denna lindning ansluten avkänningsledning, k ä n n e t e c k n a d av att avkänningskretsen är anordnad att under urladdningen av den första laddkondensatom vid en vald tidpunkt avkânna den momentana storleken :o hos spänningen inducerad i den andra primärlindningen. t

2. Elstängselapparat enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den andra primär- lindningen har fler lindningsvarv än den första primärlindningen.

3. Elstängselapparat enligt ett av krav 1- 2, kä n n e t e c k n a d av att avkän- ningslcretsen innefattar en extremvärdesavkännande krets ansluten till den andra primär- zs lindningen för avkänning av maximum av absolutvärdet hos spänningspulser inducerade i den andra prirnärlindningen vid urladdningar av den första laddkondensatom.

4. Elstängselapparat enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att avkänningslcretsen är anordnad att under efter varandra följande urladdningar av den ßrsta laddkondensatom avkänna den momentana storleken hos spänningen inducerad i den andra primärlindning- ao en vid tidpunkter, som kommer på olika stora tidsavstând från påbörjandet av urladd- ningen av den första laddkondensatom under varje urladdningsperiod för denna, och att utvärdera dessa avkända storlekar för bestämning av maximum av absolutvärdet hos spänningspulsema inducerade i den andra primärlindningen.

5. Elstängselapparat enligt ett av krav 3 - 4, k ä n n e t e c k n a d av att uppladd- as ningskretsen för den första laddkondensatom är ansluten till avkänningskretsen och att den är anordnad att styra en spänning, till vilken den första laddkondensatom uppladdas av uppladdningskretsen, i beroende av det av avkänningskretsen avkända maximat.

6.Elstängselapparaten1igtettavlcrav1-Lkännetecknad av i en andra laddkondensator, 5 1 1 3 3 4 8 en laddningskrets ansluten till växelspänningen och den andra laddkondensatom fór uppladdning av denna till en hög spänning, att den andra laddkondensatorn är ansluten till den andra prirnärlindningen hos transformatorn, s en urladdningskrets för den andra laddkondensatom, som är anordnad att urladda denna genom den andra primärlindningen, för att på samma sätt som för den första ladd- kondensatom och den ßrsta primärlindningen alstra urladdningspulser, som avges av transforrnatoms sekundärlindning till ett anslutet elstängsel.

7. Elstängselapparat enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av en styranordning, w ansluten till avkänningsluetsen och urladdningskretsen fór den andra laddkondensatom för att beroende på signalen från avkänningslcretsen avgöra, huruvida urladdningen av den andra laddkondensatom skall påbörjas eller ej under varje periodisk urladdning av den första laddkondensatorn.

8. Elstängselapparat enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att styranordningen ts också är ansluten till urladdningskretsen för den första laddkondensatorn och är anordnad att alltid först påbörja urladdningen av den första laddkondensatom och att en tidsperiod efter detta, medan urladdningen av den första laddningskondensatorn fortfarande pågår, parallellt påbörja eller inte påbörja urladdningen av den andra laddkondensatorn beroende pà signalen från avkäntiingslcretsen representerande den belastning, som avkänns under :o just den nämnda tidsperioden.