DE2425686C3 - Schaltungsanordnung zur Erfassung von Strömen in Stromrichterschaltungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erfassung von Strömen in Stromrichterschaltungen, bestehend aus einem oder mehreren Wechselstromwandlern, deren Primärwicklungen an die Wechselstromzuleitungen der Stromrichterschaitung angeschlossen sind und in deren Sekundärkreisen ein Gleichrichter in Reihe mit einem Bürdenwiderstand liegt. Die Erfassung der Ströme ist in fast allen Stromrichterschaltungen zwecks Vermeidung von unzulässigen Strömen oder zur Regelung bestimmter Betriebsgrößen unerläßlich. Die Erfindung kann insbesondere Anwendung finden bei Regeleinrichtungen für Antriebe mit Umkehrütromrichtern.

Die eingangs genannte Schaltungsanordnung ist allgemein bekannt (beispielsweise wird auf die VDE-Buchreihe Bd. 11 »Energieelektronik und geregelte elektrische Antriebe« (1966) S. 386 und die BSC-DruckschriftGR 1338(468, Br) hingewiesen). In Stromrichserschaltungen treten jedoch wegen der Ventilwirkung der Schaltungskomponenten die nachfolgend beschriebenen Schwierigkeiten auf. Ein Wechselstromwandler kann nur solange einen Strom erfassen, wie der Kern nicht gesättigt ist. Die an der Sekundärwicklung auftretenden negativen und positiven Spannungszeitflächen müssen im Mittel über einen bestimmten Zeitraum.

z, B- über eine Periode der Netzspannung, die gleichen Beträge haben, weil sonst der Wandlerkern gesättigt wird und seine Übertragungsfähigkeit verliert. In den bekannten Anordnungen wird daher der Wechselstromwandler, an dessen Sekundärwicklung durchweg über einen Brückengleichrichter ein Bürdenwiderstand angeschlossen ist, derart durchflutet, daß einem positiven Stromimpuls ein negativer Stromimpuls von gleichgroßer Stromzeitfläche folgt An dem Bürdenwiderrtand

ίο und somit an der Sekundärwicklung des Wandlers tritt dadurch im Verlauf einer Periode nach einer positiven Spannungszeitfläche eine negative Spannungszeitfläche gleicher Größe auf, so daß eine Sättigung des Wandlerkerns vermieden wird.

Nach einem anderen Prinzip arbeitet ein bekannter Gleichstromübertrager mit bipolarer, hochlinearer Kennlinie (»Neuartiger Trennverstärker zur Entkopplung von Gleichstrom-Meßkreisen« Elektronik 1967. Heft 11, S. 109 bis 122). Bei dem bekannten Gleich-Stromübertrager zur Übertragung bipolarer Meßsignale werden eine vom Eingangsstrom durchflossene Primärwicklung und eine vom Ausgangsstrom durchfiossene Sekundärwicklung im Durchflutungsgleichgewicht gehalten, indem die Sekundärwicklung erregt wird mit einer Spannung, deren Polarität sich umkehrt, sobald der Übertrager in den Sättigungszustand gelangt. Als Kriterium für das Eintreten des Sättigur.gszustandes bzw. Umkehren der Pofarität dient das Überschreiten eines positiven bzw. negativen Grenzwertes des

jo Sekundärstromes. Zum Erfassen des Grenzwertes und Umkehren der Polarität dienen ein im sekundären Stromkreis liegender Grenzwertschalter und ein elektronischer Schalter. Die vom Primär- und Sekundärstrom gebildeten Spannungszeitflächen werden durch

j5 eine entsprechende Auslegung des Übertragers und des Grenzwertschalters gleichgehalten. Der elektronische Schalter wird in der bekannten Schaltung durch Transistoren, Widerstände und gegeneinander geschaltete Zener-Dioden gebildet.

Mit den bekannten Schaltungen von Wechselstromwandlern ist es jedoch nicht möglich, in Slromrichterschaltungcn Stromimpulse zu erfassen, die ihre Richtung ändern oder in beiden Richtungen unterschiedliche Stromzeitflächen innerhalb einer Periode aufweisen.

Dies wird nachfolgend anhand der Γ ig. I und 2 erläutert.

Gemäß F i g. I ist ein Wechselstromwandlcr 1 in einer Einwegschaltung eingesetzt. Ein Bürdenwiderstand 2 ist über eine Diode 3 an die Sekundärwicklung des Wandlers 1 angeschlossen. Die erforderliche Spannungszeitfläche umgekehrier Polarität wird von der Sperrspannung der Diode aufgebracht und ist /ur Abrr.agnetisierung verwendbar.

In Mittelpunktschaltungen, z. B. Sternschaltungen, wird der Wechselstromwandler so angeordnet, daß die Stromimpulse von zwei Ventilen 4 und 5 den Wandler I in jeweils entgegengesetzter Richtung durchfluten. F i g. 2 zeigt eine einphasige Darstellung z. B. des aus der vorgenannten Literatur bekannten Thyristorantriebes in Gegenparallelschaltung (vgl. VDE-Buchreihe, Bd. II, S, 386, Bild 4), Schließt man an den Primärkreis in F i g, 2 eine Meßwandleranordnung bestehend aus dem Wechselstromwandler I, dem Bürdenwiderstand 2 und der Diode 3 gemäß F i g. I an, so wird am Bürdenwiderstand

M 2 nur so lange der Laststrom /1 abgebildet, wie dieser durch den Thyristor 4 fließt. Sobald der Strom /1 durch den Thyristor 5 fließt, Thyristor 4 also gesperrt bleib!. wird der Kern des Wandlers 1 gesättigt, am

Bürdenwiderstand 2 erscheint keine stromproportiona-Ie Spannung mehr.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom Gegenstand der eingangs genannten Gattung eine Schaltungsanordnung anzugeben, die die Erfassung von Strömen in Stromrichterschaltungen unter Verwendung von Wechselstromwandlern ermöglicht, auch wenn die Wechselstromwandler beaufschlagenden Primärströme ihre Richtung ändern oder innerhalb einer Periode Ströme unterschiedlicher Größe und Richtung und stromlose Pausen auftreten. Die Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß der Bürdenwiderstand in Reihe mit einem bipolaren Spannungsbegrenzer mit Zenercharakteristik liegt

Der Sekundärkreis der erfindungsgemäßen Schal- is tungsanordnung sorgt in den stromlosen Pausen für eine Abmagnetisierung der Sekundärwicklung. Dies geschieht durch die Addition der Spannungsabfälle am Bürdenwiderstand und an dem Begrenzerelement. Ein Primärstrom wird am Bürdenwiderstand als Spannung abgebildet, die in Polarität und Größe in jedem Augenblick dem Primärstrom proportional ist.

Der Spannungsbegrenzer kann aus zwei mit entgegengesetzter Polarität hintereinander geschaiteten Zenerdioden bestehen. Es ist zwar als solches bekannt, zwei entgegengesetzt gepolte Zenerdioden in einen Strompfad des Sekundärkreises eines Wechselstrom-Wandlers zu schalten; aber in dem bekannten Fall handelt es sich um eine Wechselspannungs-Stabilisierungsschaltung und die Zenerdioden liegen parallel zur jo Reihenschaltung eines Widerstandes und der Sekundärwicklung (ITT Iniermetall »Schaltbeispiele mit diskreten Halbleiterbauelementen«. Ausgabe 1972, S. 20 und 21).

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß an den Bürdenwiderstand ausgangsseitig zwei antiparallele Dioden angeschlossen sind. Durch den Anschluß der beiden antiparallelen Dioden lassen sich die dem positiven und negativen Stromistwert entsprechenden Spannungswerte einzeln auswerten, wenn die Schwellspannung der Dioden selbst als Fehler in Kauf genommen werden kann.

Eine Alternativlösung zur Reihenschaltung von Bürdenwiderstand und bipolarem Spannungsbegrenzer besteht darin, daß im Sekundärkreis des einen Wechselstromwandlers zwei antiparalleie Strompfade vorgesehen sind, jeweils bestehend aus mindestens einer Diode, einem Bürdenwiderstand und einem spannungsbegrenzenden Bauelement. Als Spannungsbegrenzendes v> Bauelement kann eine Zenerdiode eingesetzt sein. Eine solche Schaltungsanordnung läßt sich vorteilhaft auf mehrpulsige Umkehrstromrichter anwenden, z. B. auf eine kre'sstrombehaftete Gegenparallelschaltung. Bei solchen Anwendungen sind zweckmäßig die Sekundärkreise mehrerer Wandler, die in den Wechselstrom-Zuleitungen des Stromrichters angeordnet sind, über je eine offene Einphasenbrückenschaltung wirkgleich an die antiparallelen Strompfade angeschlossen. Die Spannungsabfälle an den Bürdenwiderständen werden tio Reglern als Stromistwerte zugeführt.

Die Höhe der Begrenzerspannung der Spannungsbegrenzei ist mindestens so groß, wie die Summe aus den Spannungsabfällcn am jeweiligen Innenwiderstand des Stromwandlers und am Bürdenwiderstand. ^

Die Erfindung wird lachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig, I und Fig.2 die bereits erläuterten bekannten Schaltungen,

F t g. 3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der der Bürdenwiderstand in Reihe mit einem bipolaren Spannungsbegrenzer liegt,

F i g. 4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der der Sekundärkreis des Wandlers aus zwei gegenparallelen Strompfaden besteht,

Fig.5 die Anwendung der Schaltung gemäß Fig.4 auf eine kreisstrombehaftete Gegenparallelschaltung und

Fig.6a bis e Zeitdiagramme von Strömen und Spannungen in F i g. 3.

Gemäß F i g. 3 liegt im Sekundärkreis eines Wechselstromwandlers 11 ein Bürdenwiderstand 12 in Reihe mit einer bipolaren Zenerdiode 13. Zwischen Bürdenwiderstand 12 und Zenerdiode 13 sind antiparallele Dioden 16 und 17 angeschlossen, so daß an den Ausgängen 18 und 19 (gegenüber 20) der positive bzw. der negative Stromistwert rur Verfugung stehen.

Die Wirkungsweise der Schaltung g·viiäß F i g. 3 ist anhand der in der Fig.6 dargestellten Zei'diagramme näher erläutert.

Durch die Primärwicklung des Wandlers 11 fließt beispielsweise für eine bestimmte Dauer ein Strom vom Betrag /) dann ein Strom vom Betrag 033 · /1 in umgekehrter Richtung für die gleiche Dauer, dann folgt eine stromlose Pause gleicher Dauer und dieser Vorgang wiederholt sich periodisch. Die Verläufe des Primärstromes /1, des Sekundärstromes 12, der Spannung (./'12 am Bürdenwiderstand, der Spannung t/2 an der widerstandslos gedachten Sekundärwicklung und des magnetischen Flusses Φ im Kern des Wandlers sind in der genannten Reihenfolge untereinander dargestellt. Aus Fig. 6d ist ersichtlich, daß durch die Addition der Spannungsabfälle am Bürdenwiderstand /2 und an der bipolaren Zenerdiode 13 in der stromlosen Pause noch eine restliche Abmagnetisierung ermöglicht wird. Am Bürdenwiderstand 12 erscheint eine Spannung U12, die in Polarität und Größe in jedem Augenblick dem Primärstrom / 1 proportional ist.

In der Schaltung nach F i g. 4 wird der Sekundärstrom /2 je nach Polarität auf zwei verschiedene Strompfade, bestehend aus einer Diode 120, einem Bürdenwiderstand 112, einer Zenerdiode 113 und einer Diode 121 bzw. einer Diode 120' einem Bürdenwiderstand 112' und einer Diode 121' geleitet. Für positive Sekundärströme an der Ausgangsklemme 118 bzw. am Bürdenwiderstand 112 kann die den positiven Stromistwert repräsentierende Spannung abgegriffen werden, am Ausgang 119 bzw. am Bürdenwiderstand 112' die den negativen Stromistwert repräsentierende Spannung.

Die Anwendung der Frfindung auf mehrphasige Stromrriit.jrschaltungen ist in Fig. 5 in einem Beispiel dargestellt. Hier soll der Stromislwert für zwei Sternschaltungen, dit in einer kreisstrombeinfteten Gegenparallelschaltung zusammenarbeiten, gebildet werden, In den Phasen R, S und T sind jeweils die Primärwicklungen von Wechsels'romwandlern 211, 211' und 211" angeordnet, die Sekundärwicklungen sind über je eine offene Einphasenbrückenschaitung aus den Dioden 220, 220' und 221, 22Γ; 223, 223' und 225, 225'; 233, 233' und 235, 235' wirkgleich an die antiparallelen Strompfade mit jeweils einem Bürdenwiderstand 212 bzw. 212' und einer Zenerdiode 213 bzw. 213' angeschlossen. An den tiürdenwiderständen 212 bzw. 212' bzw. an den Ausgängen 218 bzw. 219 stehen jeweils der positive bzw. der negative Stromistwert zur

Verfügung. Der kleinere von Heiden wird als Kreisstrom bezeichnet. Die Thyristoren der Gegenparallelschaltung sind in Analogie zu F i g. 2 mit 204, 205 bzw. 204', 205' bzw. 204", 205" bezeichnet. Zwischen den Sternpunkten der Gegenparallelschaltung und dem Mittelpunktsleiter ist ein Motor angeschlossen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Schaltungsanordnung zur Erfassung von Strömen in Stromrichterschaltungen, bestehend aus einem oder mehreren Wechselstromwandlern, deren Primärwicklungen an die Wechselstromzuleitungen der Stromrichterschaltung angeschlossen sind und in deren Sekundärkreisen eine Diode in Reihe mit einem Bürdenwiderstand liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Bürdenwiderstand (12) in Reihe mit einem bipolaren Spannungsbegrenzer mit Zenercharakteristik liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Bürdenwiderstand (12) ausgangsseitig zwei antiparallele Dioden (18, 19) angeschlossen sind.

3. Schaltungsanordnung zur Erfassung von Strömen in Stromrichterschaltungen, bestehend aus einem oder mehreren Wechselstromwandlern, deren Primärwicklungen an die Wechselstromleitungen der Stromrichterschaltung angeschlossen sind und in deren Sekundärkreisen ein Gleichrichter in Reihe mit einem Bürden widerstand liegt, dadurch gekennzeichnet, daß im Sekundärkreis des einen Wandlers (U, 211) zwei antiparallele Strompfade vorgesehen sind, jeweils bestehend aus mindestens einer Diode (120 bzw. 120'; 220 bzw. 220'), einem Bürdenwiderstand (112 bzw. 112'; 212 bzw. 212') und einem Spannungsbegrenzenden Bauelement (113 bzw. 113'; 213 bzw. 213').

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Sekundärkreise mehrerer Wandler (211, 21V, 211") übr- je eine offene Einphasenbrückenschaltunp (220, 220', 221, 22Γ bzw. 223. 223', 225, 225' bzw. 23? 233', 235, 235') wirkgleich an die antiparallelen Strompfade mit jeweils einem Brückenwiderstand (212 bzw. 212') und einer Zenerdiode (213 bzw. 213') angeschlossen sind.