DE2823444A1

DE2823444A1 - Ueberstrommessgeraet

Info

Publication number: DE2823444A1
Application number: DE19782823444
Authority: DE
Inventors: Kenneth C Shuey
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-06-02
Filing date: 1978-05-29
Publication date: 1978-12-14
Also published as: CA1101065A; FR2393452A1; US4139878A; JPS541850A; IT7841588A0; GB1605055A; IT1105571B; NL7805976A

Description

DR.-INC. ERNST STRATMANN

PATtNlANWALT
D-4000 DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9

Düsseldorf, 26. I-'ai 1978

46,530
7836

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

überstrommeßgerät

Die Erfindung bezieht sich auf mehrphasige Leistungssysteme und insbesondere auf ein Gerät zur Erfassung eines Überstromes in einer Phase eines mehrphasigen Systems.

Es sind bereits Geräte bekannt, um Leistungskreise mit Hilfe von Festkörperschaltern von Ferne zu schalten, wobei derartige Geräte beispielsweise in der Luftfahrt angewendet werden, wo ein sehr hoher Grad an Kompaktheit wie auch an Zuverlässigkeit die wesentlichsten Gesichtspunkte sind. Um große Kompaktheit sowie auch hohe Betriebsgeschwindigkeit zu erreichen und ein hohes Ausmaß an Miniaturisierung zu ermöglichen, sollten umfängliche Bauteile wie beispielsweise Stromtransformatoren nach Möglichkeit vermieden werden. Es ist daher bereits erkannt worden, daß Stromtransformatoren keine besonders günstigen Mittel sind, um den Leitungsstrom für den Überstromschutz in Wechselstromleistungssteuereinrichtung zu messen. In der US-Patentschrift 3 811 073 wird ein Wechselstrommeßschaltkreis und ein Meßverfahren offenbart, das Transformatoren vermeidet und kleine Widerstandsnebenschlüsse in jedem Bein von inversen parallel geschalteten Thyristorleistungsschaltern benutzt, um eine kleine

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Vollweg-gleichgerichtete Spannung zu erzeugen, die proportional zuiT¹ Laststrom ist. Diese Spannung kann von einem Operationsverstärker verarbeitet werden, um einen angestrebten Überlastauslöseschaltkreis zu erhalten, oder auch dazu benutzt werden, um Optoisolatoreinrichtungen (lichtemittierende Dioden) anzutreiben, Uni einen Überstromschaltkreis zu erhalten, der von der Wechselstromleitung isoliert ist. Derartige Strommeßschaltungen sind im allgemeinen für einphasige Systeme zufriedenstellend. Bei mehrphasigen Systemen, wie beispielsweise bei dreiphasigen Systemen, sind jedoch weitere Maßnahmen erforderlich, um ein ÜberStromauslösesignal zu liefern, das ähnliche Auslösezejten für einphasige Überlastbedingungen und dreiphasige Überlastbedingungen besitzt.

In der oben angegebenen US-Patentschrift wird auch zusätzliche Hintergrundinformation bezüglich Wechselstromleistungs-Fernsteuerung allgemeiner Art gegeben, auf die sich die vorliegende Erfindung anwenden läßt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen transformatorlosen überstrommeß- und Auslöseschaltkreis für mehrphasige Wechselstromsysteme zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Systeme nicht mehr aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, also durch ein Gerät zur Messung von ungewünschten Überstrombedingungen in einer oder mehreren Phasen eines mehrphasigen Wechselstromsystems, welches ein Schutzsignal erzeugt, um eine fehlerhafte Phase, die einen Überlastzustand aufweist, zu isolieren. Das Gerät besteht aus den folgenden Merkmalen:

Gleichrichtereinrichtungen zur Erzeugung von gleichgerichteten Phasenspannungen, die proportional zum Laststrom sind, und zwar für jede Wechselstromphase des mehrphasigen Systems; Einrichtungen zur Erzeugung eines Strahlungssignals für jedes

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der gleichgerichteten Phasenspannungen, jeweils eine gegenüber jedem derartigen Strahlungssignal empfindliche Meßeinrichtung zur Erzeugung einer Gleichstromspannung, die proportional zum empfangenen Strahlungssignal ist, wobei die Meßeinrichtungen aller Phasen des Wechselstromsysteme zueinander in Serie geschaltet sind, um eine Kette zu bilden, die einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist; eine Vielzahl von Spannungsbegrenzungseinrichtungen,von denen jeweils eine parallel zu jeder der Meßeinrichtungen liegt, wobei die Vielzahl von Spannungsbegrenzungseinrichtungen auch in Serie geschaltet ist; und eine Quelle für Gleichspannungspotential von vorbestimmter Spannungshöhe, welche über dem ersten und zweiten Anschluß liegt, wobei dann, wenn irgendeine der Meßeinrichtungen, die einer überlasteten Phase zugehört, einen Gleichstromfluß aufweist, die Quelle des Gleichstrompotentials einen Durchbruch der Spannungsbegrenzungseinrichtungen der anderen Phasen verursacht und dadurch ein Schutzsignal liefert, das benutzt werden kann, um die fehlerhafte Phase zu isolieren.

Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform werden einzelne gleichgerichtete Phasenspannungen erzeugt und an einzelne Optoisolatoreinheiten angelegt, dessen Ausgangsfοtodioden in einer Kettenserie miteinander verbunden sind, über jeder Fotodiode liegt eine Zenerdiode, wobei die Zenerdioden zueinander in Serie geschaltet sind. Eine an die Fotodiodenkette angelegte Gleichspannung ist blockiert, es sei denn, daß eine der Fotodioden dadurch leitend wird, daß sie eine Strahlung aufnimmt, die einen Überstromzustand anzeigt. Die reagierende Fotodiode bildet einen Stromleitweg mit den jeweils über den anderen Fotodioden liegenden Zenerdioden, wobei die anderen Fotodioden nichtleitend verbleiben, wodurch beim Auftreten eines vorbestimmten Überstroms an den Anschlüssen eine Gleichspannung entsteht. Eine derartige Gleichspannung ist geeignet, um an einen Auslöseschaltkreis oder dgl. angelegt zu werden, um den Lastschaltkreis zu unterbrechen, in dem der überstrom auftritt.

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In den Optoisolatoreinheiten weisen die Detektor-Fotodioden einen Strom auf, der proportional zu dem Strom durch die lichtemittierenden Dioden ist, so daß bei höher werdendem Emitterstroni auch der Detektorstrom höher wird und dadurch auch der Meßschaltkreis schneller arbeitet. Dies kann man als eine Charakteristik ansehen, bei der mit ansteigendem Strom die Auslösezeit abnimmt.

Die vorliegende Erfindung schafft eine wirksame Erkennung eines Überstromes in einer Phase mit einer Betriebseigenschaft, die in Übereinstimmung mit der von bisher verwendeten Stromtransformator-Abfühlverfahren steht, wobei jedoch nur eine sehr kleine Anzahl von kleinen Halbleitereinrichtungen benutzt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels, das in den Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert, wobei es sich um ein Gerät zur Erkennung von ungewünschten Überlastbedingungen in irgendeiner der Phasen einer mehrphasigen Wechselstromleistungsquelle handelt, z.B. bei einem Flugzeuggenerator, wobei Gleichrichter verwendet werden, um gleichgerichtete Phasenspannungen zu erhalten, die proportional zu einem jeden Phasenstrom sind. Die gleichgerichteten Spannungen werden lichtemittierenden Einrichtungen zugeführt und dann von mehreren in Serie geschalteten Fotodetektoren gemessen, wobei für jede Phase ein Fotodetektor vorgesehen ist. über jedem Fotodetektor liegt eine Zenerdiode, wobei die Zenerdioden wiederum in Serie zueinander geschaltet sind. Eine Gleichspannung, die nur wenig kleiner ist als die Durchbruchspannung der Zenerdiodenkette wird über die Diodenkette angelegt. Ein in irgendeiner der Phasen auftretender Überstrom bringt den zugehörigen Fotodetektor zum Leiten, wodurch die parallelliegende Zenerdiode kurzgeschlossen wird. Die Gleichspannung wird dann zu einem Stromfluß durch die Zenerdioden der anderen Phasen führen, welcher Stromfluß dann als ein Auslösesignal verwendbar ist. Die Auslösezeit ist für einphasige und mehrphasige Überlastungen

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- 7 im wesentlichen gleich.

Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Schaltkreisdiagramm eines Wechselstromleistungsüberwachungsgerätes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 2 einen Satz von Kurven zur Erläuterung der Arbeitsweise des Gerätes der Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein System gezeigt, bei dem ein Wechselstromgenerator 10 mit einem dreiphasigem Lastschaltkreis in Verbindung steht, von denen der Kreis 12 für eine Phase A genauer dargestellt ist. Der Schaltkreis für die anderen Phasen B und C würden von gleicher Art sein. Leistungsschalter 13 und 14 stellen invers parallelgeschaltete Thyristoren dar, welche zwischen Generator und Last im Schaltkreis 12 angeordnet sind. Gemäß der US-Patentschrift 3 811 073 werden Widerstandsnebenschlüsse 15 und 16 verwendet, die jeweils mit den Thyristoren 13 und 14 verbunden sind, um eine Vollweg-gleichgerichtete Spannung zu erzeugen. Zu diesem Zweck dienen die Thyristoren selbst als Gleichrichtereinrichtungen.

Jede der Gleichrichterphasenspannungen wird an individuelle Optoisolatoreinheiten 20, 30 und 40 geführt. Die Optoisolatoreinheiten besitzen lichtemittierende Dioden 21, 31 und 41, die entsprechend über Widerstände 19, 29 und 39 mit den gleichgerichteten Spannungen verbunden sind, wodurch sich ein Strom ergibt, der unter normalen Umständen nicht ausreichen möge, die lichtemittierenden Dioden einzuschalten. Die lichtemittierenden Dioden werden jedoch eingeschaltet, wenn ein vorbestimmter überstrom an der zugehörigen Phase auftritt.

Am Ausgang oder der Sekundärseite der Optoisolatoreinheiten 20, 30 und 40 befindet sich eine Kette von Fotodioden 22, und 42, die in Serie geschaltet sind und jeweils mit einer

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der einzelnen lichtemittierenden Dioden 21, 31 und 41 auf der Eingangsseite optisch in Verbindung stehen. Parallel zu jeder der Fotodioden 22, 32 und 42 befindet sich ein Spannungsschwellwertdetektor 23, 33 oder 43, bequemerweise eine Zenerdiode. Die Zenerdioden sind in Serie zu einer Kette verbunden. Sowohl die Zenerdioden als auch die Fotodioden sind in gleicher Richtung gepolt, d.h. gegen die Richtung des Potentials, das von der Gleichstromquelle (^+V _DC) erzeugt wird.

Ein Widerstand 44 und eine Zenerdiode 46, erstere in Serie, letztere parallel zur Diodenkette angeschlossen, setzen die Gesamtspannungshöhe für den Schaltkreis fest.

Jeder der einzelnen Zenerdioden 23, 33 und 43, die zu den einzelnen Fotodioden gehören, besitzen gleiche Durchbruchspannung, beispielsweise 8,2 Volt. Die vierte Zenerdiode 46 ist so ausgewählt, daß sie eine Durchbruchspannung besitzt, die nahe der Summe der Durchbruchspannungen der anderen drei Zenerdioden liegt, jedoch geringfügig kleiner ist, beispielsweise 22 Volt beträgt.

Wenn eine der Fotodioden, wie die Diode 22, Strom führt,und zwar aufgrund der Aufnahme eines Strahlungssignals, das einen überstromzustand anzeigt, werden die zwei Zenerdioden 33 und 43, die nicht parallel zu der leitenden Fotodiode 22 liegen, den Stromführungsweg für das gemessene Signal bilden, da diese zwei Zenerdioden leitend werden, da sie die gesamte Spannung über der Kette V_DC aufnehmen müssen, wobei die Spannung für diesen Zweck ausreichende Höhe besitzt. Dann wird ein Kapazitätsdetektor 50, der in der in der Zeichnung angegebenen Weise angeschlossen ist, eine Spannung aufweisen, die gleich der Differenz der Durchbruchspannung der vierten Zenerdiode 46 und der kombinierten Durchbruchspannungen der zwei genannten Zenerdioden 33 und 43 ist (z.B. 22-16,4 Volt), wobei dieses Signal als ein Meßsignal zur Verfügung steht. Das Signal wird an den Anschlüssen 55 und 56 einem Auslöseschaltkreis oder

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dgl. zur Verfügung gestellt, um einen Schaltantrieb zu betätigen, welcher mit Thyristoren im Phasenkreis in Verbindung steht, um eine Unterbrechung zu ermöglichen.

Bezüglich Fig. 2 sei angenommen, daß die Phasen A und B jeweils einen überstromzustand aufweisen, d.h. über dem Wert X liegen. Jeweils die Phase,die in einem bestimmten Augenblick höher ist, wird die Diodenkette zur Wirkung bringen, so daß ein Strom zum Kapazitätsdetektor 50 geliefert wird. Die von dem Detektor gesehene Wellenform ist in der Fig. 2 als dritte Kurve AB gezeigt.

Die folgende Tabelle zeigt, wie man beispielsweise einen erfindungsgemäßen Schaltkreis nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform aufbauen kann, obwohl die angegebenen Bauteile auch andere Werte haben können, wie dem Durchschnittsfachmann ohne weiteres geläufig sein wird:

Optoisolatoren 20, 30, 40 MCD2

Widerstände 22, 32, 42 200 Ohm

Widerstände 44 5000 0hm

Widerstand 52 50000 0hm

Widerstand 53 1,8 Megohm

Widerstand 54 10000 0hm PTC

Kondensator 51 2,2 Mikrofarad

Zenerdioden 23, 33, 43 5,6 Volt

Zenerdiode 46 15 Volt

V_DC 28 Volt Gleichspannung

Ein erheblicher Vorteil des beschriebenen Schaltkreises liegt darin, daß die Meßart in einer Weise erfolgt, die im wesentlichen äquivalent zu der ist, die bei Benutzung von Stromtransformatoren sich ergibt, ohne jedoch die Notwendigkeit der Verwendung derartiger umfänglicher Elemente wie derartige Transformatoren oder z.B. acht Diodenbrücken, die bei der Benutzung von z.B. drei Stromtransformatoren notwendig wären.

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L ο ο r S e i I e

Claims

DR.-INC. Ernst Stratmann

PATENTANWALT
D-4OOO DÜSSELDORF I · SCHADÜWPLATZ 9

Düsseldorf, 26. Mai 1978

46,530
7836

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Patentansprüche;

Gerät zur Messung ungewünschter Überstromzustände in einer oder mehreren Phasen eines mehrphasigen Wechselstromsystems, um ein Schutzsignal zur Isolierung einer fehlerhaften Phase, die einen Überlastzustand aufweist, zu erzeugen, gekennzeichnet durch Gleichrichtereinrichtungen (13, 14) zur Erzeugung von gleichgerichteten Phasenspannungen, die proportional zum Laststrom einer jeden Wechselstromphase des mehrphasigen Systems sind, Einrichtungen (21, 31, 41) zur Erzeugung eines Strahlungssignals für jede der gleichgerichteten Phasenspannungen; Meßeinrichtungen (22, 32, 42), die auf das Strahlungssignal reagieren, um eine zum empfangenen Strahlungssignal proportionale Spannung zu erzeugen, wobei die Meßeinrichtungen (22, 32, 42) aller Phasen des Wechselstromsystems zueinander in Serie angeschlossen sind, um eine Kette zu bilden, die einen ersten und einen zweiten Anschluß (+V_DC, -V_DC) aufweist, eine Vielzahl von Spannungsbegrenzungseinrichtungen (23, 33, 43), die jeweils zu den Meßeinrichtungen (22, 32, 42) parallelgeschaltet sind und zueinander in Serie liegen, und eine Quelle (VDC) für Gleichpotential von vorbestimmter Spannungshöhe, welche über dem ersten und zweiten Anschluß liegt, wobei dann,

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Postscheck: berlin west (BLZ I 0 0 1 0 0 I 0) 132736-109 deutsche bank (BLZ 300 700 10) 6 160 253

ORlGiNAL INSPECTED

wenn irgendeine einer überlasteten Phase zugehörigen Keßeinrichtung (22, 32 oder 42)Gleichstrom führt, die Quelle (^v _n(-.) für Gleichpotential einen Durchbruch der Spannungsbegrenzungseinrichtungen der anderen Phasen verursacht und dadurch ein Schutzsignal liefert, welches zur Isolation der fehlerhaften Phase verwendbar ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung der Strahlungssignale lichtemittierende Dioden (21, 31, 41) für jede Phase darstellen, daß die Meßeinrichtungen Fotodioden (22, 32, 42) für jede Phase aufweisen, wobei die Fotodioden zueinander in Serie zu einer Kette geschaltet sind, und daß die Spannungsbegrenzungseinrichtungen Zenerdioden (23, 33, 43) umfassen, die einzeln zu den Fotodioden (22, 32, 42) parallelgeschaltet und zueinander in Serie geschaltet sind und eine Kette bilden.
3. Gerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Impedanz (53, 54), die zwischen der Serienkette der Zenerdioden (23, 33, 43) und dem zweiten Anschluß (~^V _DC-) 9"^e~ schaltet ist, wobei ein Spannungsabfall (55, 56) über der Impedanz zum Betrieb eines Auslöseschaltkreises benutzt wird, um eine fehlerhafte Phase des mehrphasigen Wechselstromversorgungssystems auszulösen.

Beschreibung:

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