Schutzschaltung für Spannungswandler, insbesondere kapazitive Spannungswandler Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung für Spannungswandler, insbesondere kapazitive Span- nungswandler, bei der zum Schutz gegen Kippschwin- gungen ein aus Transduktor und Festwiderstand be stehender Belastungswiderstand zur zeitweisen Be- dämpfung des Spannungswandlers dient.
Eine solche Schutzschaltung ist bereits insoweit bekannt, als sie nur bei schon entstandenen Unter schwingungen eine Bedämpfung des Spannungs- wandlers während dieser Unterschwingungen ermög licht. Demgegenüber soll die Schutzschaltung gemäss der Erfindung derart wirksam sein, dass der Spannungs- wandler auf jeden Fall bei seinem Einschalten bedämpft wird, gleichgültig, ob Kippschwingungen hierdurch entstehen würden oder nicht.
Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass der Transduktor, der infolge seiner Sättigung zusammen mit dem Fest widerstand beim Einschalten des Spannungswandlers einen das Entstehen von Kippschwingungen verhindern den niedrigen Widerstandswert aufweist, durch eine unter dem Einfluss eines Zeitgliedes erfolgende Ände rung eines dem Spannungswandler entnommenen Steuerstromes in den nicht gesättigten Zustand über führt wird, zum Zwecke, dass er einen die Genauigkeit des Spannungswandlers während des Betriebes prak tisch nicht beeinträchtigenden hohen Widerstandswert annimmt.
In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel zur Erläu terung der Schutzschaltung gemäss der Erfindung dar gestellt. Der kapazitive Spannungswandler besteht in bekannter Weise aus dem kapazitiven Spannungsteiler Cl/C, und dem den Zwischenspannungswandler <I>W</I> mit der Resonanzdrossel Dr enthaltenden Zwischen spannungskreis.
An die Sekundärwicklung des Zwi- schenspannungswandlers W sind ausser der üblichen Bürde B die Primärwicklung des Anpassungs- transformators T und über Gleichrichter die Arbeits wicklungen A, und A2 des Transduktors TY mit dem niedrigohmigen Festwiderstand RD angeschlossen. Der Sekundärwicklung des Anpassungstransformators T wird nach Gleichrichtung ein Steuerstrom für die Steuerwicklung St des Transduktors Tr entnommen.
Der Steuerstrom steht unter dem Einfluss des Zeit gliedes Z, das u. a. die Widerstände R, und R2 sowie den Kondensator C enthält. Der vom Anpassungstrans formator T gelieferte Steuerstrom wirkt infolge des Zeitgliedes Z, dessen Kondensator C über den Wider stand R, langsam aufgeladen wird, zunächst in einer solchen Grösse - im vorliegenden Beispiel Null - dass der Transduktor beim Einschalten des kapazitiven Spannungswandlers sofort in Sättigung geht.
Der Widerstand des Transduktors Tr ist demzufolge Null, so dass die gesamte Spannung des Spannungswandlers an dem kleinen Festwiderstand RD abfällt, also der Transduktor Tr zusammen mit dem Festwiderstand RD einen das Entstehen von Kippschwingungen verhin dernden niedrigen Widerstandswert aufweist, gleich gültig, ob durch den Einschaltvorgang sonst Kipp- schwingungen entstehen würden oder nicht. In dem Masse wie der Steuerstrom im Zuge der Aufladung des Kondensators C seinem Endwert zustrebt, z. B.
innerhalb von 500 bis 1000 ms, wird auch der Trans- duktor Tr von seinem Sättigungszustand (Widerstands wert Null) in den nicht gesättigten Zustand überführt, so dass er seinen höchsten Wert erreicht und zusammen mit dem Festwiderstand RD einen die Genauigkeit des Spannungswandlers praktisch nicht beeinträchtigenden hohen Widerstandswert darstellt.
Fällt die Sekundärspannung des Spannungswand- lers, z. B. infolge Erdschlusses am Wandler selbst oder infolge seiner Abschaltung oder infolge sekundären Kurzschlusses, auf Null ab, so kann sich der geladene Kondensator C dadurch, dass das Zeitglied Z noch mit den Widerständen R3 und R4 sowie dem Gleich richter Gl ausgerüstet ist, über diese Elemente infolge entsprechender Bemessung derselben so schnell ent laden, dass der Steuerstrom beispielsweise in spätestens 200 ms den Wert (z. B.
Null) beim Wiederkehren der Spannung wieder erreicht hat, bei dem der Transduk- tor infolge Sättigung seinen kleinsten Widerstandswert (Null) aufweist. Dieses Verhalten ist wichtig, damit bei Erdschluss am Wandler selbst ein einwandfreies Zu sammenarbeiten mit dem Netzschutz erzielt wird, so dass eine schnelle Wiedereinschaltung des Spannungs- wandlers ohne Auftreten von Kippschwingungen er folgt.
Bei sekundärseitigem Kurzschluss des Spannungs- wandlers werden in der Schutzschaltung dieselben Schaltvorgänge durchgeführt.
Um mit Sicherheit auch im Falle eines Erdschlusses im Netz, bei dem die Spannung auf den VS-fachen Wert ansteigt, das Entstehen von Kippschwingungen zu ver hindern, kann die Schutzschaltung, sofern nicht schon in der vorliegenden Ausbildung durch die starke Er regung der Arbeitswicklungen A1 und A2 der Transduk- tor Tr in eine ausreichende Bedämpfung hervorrufende Sättigung gehen sollte, insofern ergänzt werden, dass derjenige Wert des Steuerstromes, der den Transduktor in seinen Sättigungszustand bringt, also im vorliegenden Beispiel der Wert Null, sofort hervorgerufen wird.
Zu diesem Zweck kann z. B. in Abhängigkeit von dem erhöhten Primärstrom oder Magnetisierungsstrom im Zwischenspannungskreis ein Schaltmittel, z. B. Relais, Transistor oder dergleichen, betätigt werden, das beispielsweise den Steuerstromkreis auftrennt oder seinen Strom ändert.
In der in der Fig. 2 dargestellten Schutzschaltung ist dieser Schaltvorgang von dem erhöhten Magneti- sierungsstrom abhängig gemacht, durch den in der dritten Wicklung des hier zusätzlich verwendeten Differentialwandlers D eine solche Spannung induziert wird, dass das Relais Sr anspricht und den Steuerstrom kreis auftrennt, dessen Steuerstrom für die Steuer wicklung<I>St</I> einen solchen Wert aufwies, dass der Transduktor Ti- sich nicht in Sättigung befand.
Damit wird die Sättigung des Transduktors Tr und eine starke Bedämpfung des Spannungswandlers sofort herbei geführt. Statt der Auftrennung des Steuerstromkreises kann auch die Einschaltung eines Widerstandes in den Steuerstromkreis zur Herabsetzung des Steuerstromes erfolgen. Ebensögut kann auch durch die induzierte Spannung statt des Relais Sr ein Transistor den Steuerstromkreis unterbrechen.
Will man auf den Differentialwandler D verzichten, so kann die Auftrennung des Steuerstromkreises durch den erhöhten Primärstrom erfolgen, indem die für das Relais Sr oder einen Transistor erforderliche Spannung an einem Widerstand im Zwischenspannungskreis abgegriffen wird. Es ist auch denkbar, die erforderliche Spannung für das Schaltmittel aus anderen Kriterien zu gewinnen. Ein weiterer Weg bei beispielsweiser Verwendung des Differentialwandlers D ist in der Fig. 3 gezeigt.
Statt den Steuerstromkreis aufzutrennen, wird hier durch den Hilfssteuerkreis SH die Hilfssteuereinrich- tung StH, welche beim Einschalten des Spannungs- wandlers die an Hand der Fig. 1 beschriebene Arbeits weise des Transduktors Ti- im normalen Betrieb nicht beeinträchtigt, bei @3-facher Spannung so beeinflusst, dass sie der Steuerwicklung<I>St,
</I> die den Transduktor Tr nach der Einschaltung des Wandlers allmählich aus der Sättigung herausgebracht hat, derart entgegenwirkt, dass der Sättigungszustand erreicht wird und so lange aufrechterhalten bleibt, wie die VS-fache Spannung vorhanden ist.
Zu diesem Zweck wird im Aus führungsbeispiel der Fig. 3 die in der dritten Wicklung des Differentialwandlers D induzierte Spannung nach Gleichrichtung einer Vergleichsspannung (Vergleichs spannungsquelle oder Zener-Diode) entgegengeschal- tet, wobei sich bei @3-facher Spannung eine Differenz spannung ergibt, welche durch die Hilfssteuerwicklung StH einen solchen Strom treibt, dass der Transduktor Ti- in Sättigung geht.
Um den Transduktor sowohl bei jedem Einschalten des Wandlers als auch bei jedem plötzlichen Spannungs anstieg in der angegebenen Weise zu steuern und dabei die Schwierigkeit zu überwinden, dass der Transduktor sich auf Grund seiner physikalischen Eigenart jeder Sättigung durch den Steuerstrom widersetzt, kann die Schutzschaltung so weitergebildet werden, dass der Steuerstrom sich aus zwei Teilströmen zusammensetzt, welche durch Zeitglieder in ihrem Zeitverhalten zu einander so beeinflusst werden, dass beim Einschalten des Wandlers oder beim plötzlichen Ansteigen der Wandlerspannung der eine Teilstrom sofort einen die Sättigung des Transduktors fördernden Wert annimmt und dann auf einen solchen Wert absinkt,
dass er zu sammen mit dem anderen Teilstrom, der zur Aufrecht erhaltung der Sättigung für eine vorgegebene Dauer nach jeder Wandlereinschaltung oder jedem plötz lichen Spannungsanstieg der Sättigung verzögernd entgegenwirkt, einen resultierenden Steuerstrom er gibt, der den bisher gesättigten Transduktor hoch in duktiv macht und damit den Festwiderstand praktisch ausschaltet.
In der Fig.4 ist eine Ausführungsform für eine solche Schaltung dargestellt. Der kapazitive Span- nungswandler besteht in bekannter Weise aus dem kapazitiven Spannungsteiler Cl/C2,
und dein den Zwischenspannungswandler W mit dem die Resonanz drossel Dr enthaltenden Zwischenspannungskreis. An die Sekundärwicklung des Zwischenspannungswand- lers <I>W</I> sind ausser der üblichen Bürde<I>B</I> die Primär wicklung des Anpassungstransformators T und über Gleichrichter die Arbeitswicklungen A1 und Az, des Transduktors Ti- mit dem niedrigohmigen Festwider stand RD angeschlossen.
Der Sekundärwicklung des Anpassungstransformators T werden nach Gleich richtung zwei Teilströme entnommen, von denen der eine im Steuerkreis<B>1</B> der Steuerwicklung St, und der andere im Steuerkreis II der Steuerwicklung St, zu geführt wird; beide Teilströme bilden resultierend den Steuerstrom für den Transduktor Tr, um den magnetischen Zustand der mit den Wicklungen Al und A_, versehenen Transduktorkerne zu beeinflussen.
Der die Steuerwicklung St, durchfliessende Teilstrom wirkt in dem Sinne, dass die Sättigung des Eisens-be- trieben und der Transduktor Tr durchlässig wird, während der die Steuerwicklung St, durchfliessende Teilstrom der Sättigung des Eisens entgegenwirkt und die Tendenz hat, den Transduktor hoch induktiv, also sperrend zu machen. Hierbei ist die Schwierigkeit zu überwinden, dass der Transduktor sich auf Grund seiner physikalischen Eigenart der Sättigung durch den Steuerstrom widersetzt, indem er entgegengerichtete Ströme in die Steuerwicklungen einkoppelt.
Dazu braucht er, wenn keine Kunstschaltungen angewendet werden, mindestens zwei Halbwellen der sekundären Wandlerspannung.
Um diese Schwierigkeit zu überwinden, werden der Sekundärseite des Wandlers die beiden schon er wähnten Teilströme entnommen und unter dem Ein fluss von Zeitgliedern in bestimmter Weise wirksam gemacht.
Der Teilstrom im Steuerkreis 1 entwickelt sich sofort über die Reihenschaltung des Widerstandes R1 und Kondensators C, zu dem der Widerstand R2 parallel liegt, zum Sättigungsstrom. Dabei bewirkt die. Reihen schaltung, dass sich bei jedem Einschalten des Wandlers und bei jedem plötzlichen Spannungsanstieg an diesem eine Stromspitze ausbildet, welche den Transduktor Tr sofort in die Sättigung treibt;
dann sinkt der Teilstrom im Steuerkreis I auf einen durch die Widerstände R1 und R2 bestimmten Wert ab, bei dem die Sättigung des Transduktors Tr zunächst aufrechterhaltenwird.Durch die rasche und starke Sättigung wird erreicht, dass der Transduktor Tr keine Störströme in die Steuerwick lungen koppeln kann.
Ausserdem entwickelt sich im Steuerkreis 11, durch den Widerstand R3 begrenzt und durch die Drossel Dsn verzögert, der zweite Teilstrom, nachdem der Transduktor Tr bereits gesättigt ist, zu einem solchen Wert, dass schliesslich die resultierende Wirkung beider Teilströme eine solche Änderung des Gesamtsteuer stromes ergibt, dass der zunächst in Sättigung getriebene Transduktor hoch induktiv wird.
Der mit den Arbeits wicklungen<I>A,</I> und<I>A,</I> in Reihe liegende Festwider stand RD, der bei gesättigtem Transduktor Tr eine starke Belastung darstellte, ist somit bei jetzt gesperr tem Transduktor Tr praktisch ausgeschaltet.
Beim Abschalten der Wandlerspannung nimmt der Teilstrom im Steuerkreis 1I rasch ab, während der Teilstrom im Steuerkreis I infolge der hohen aufge ladenen Kapazität<B>CL,</B> wesentlich langsamer abnimmt, so dass die Transduktorkerne in der Sättigungsrema- nenz zur Ruhe kommen. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass der Transduktor bei erneutem Einschalten des Wandlers bereits nahezu gesättigt ist, der Teilstrom im Steuerkreis 1 nur wenig gestört wird und daher die Bedämpfung durch den Festwiderstand RD sofort voll wirksam wird.
Diese Tatsache kann auch für Netz- Schutzmessungen bedeutsam sein, die unter Umständen schon in der ersten Halbwelle beginnen .Ohne die beschriebene Vorbereitung würde ein Transduktor mindestens 1 bis 2 Halbwellen benötigen, um den Sättigungszustand zu erreichen und eine getreue Mess- spannung sicherzustellen.
Um die Einkopplung der Arbeitswicklungen des Transduktors auf die Steuerwicklung zu verringern, ist man bestrebt, die Windungszahl der Steuerwicklung herabzusetzen. Das erfordert aber eine grössere Steuer leistung. Um eine solche Leistung aufzubringen, er geben sich grosse Ladestösse für den Glättungs- kondensator. Diese Ladestösse rufen Spannungsver zerrungen der Sekundärspannung des Wandlers her vor, die um so grösser sind, je mehr Leistung für die Steuerung aufzuwenden ist.
Um dies zu vermeiden, kann die Schutzschaltung so weiter gebildet werden, dass der Steuerstrom sich aus drei Teilströmen zusammensetzt, von denen zwei einen die Sättigung des Transduktors in der Weise fördern den Wert annehmen, dass der eine Teilstrom beim Ein schalten des Wandlers oder beim plötzlichen Ansteigen der Wandlerspannung den Transduktor sofort in die Sättigung treibt, während durch den zweiten unter dem Einfluss von verzögernd wirkenden Zeitgliedern stehen den Teilstrom nach Ausschalten des Wandlers der Transduktor in der Sättigungsremanenz zur Ruhe kommt, nachdem der dritte Teilstrom abgeklungen ist,
der den Transduktor während des Normalbetriebes des Wandlers infolge seiner verzögert einsetzenden Gegenwirkung gegen den ersten Teilstrom hoch induktiv macht.
In der Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für eine solche Schutzschaltung dargestellt. Der kapazitive Spannungswandler besteht in bekannter Weise aus dem kapazitiven Spannungsteiler Cl/C2 und dem den Zwischenspannungswandler W mit der Resonanz drossel Dr enthaltenden Zwischenspannungskreis. An die Sekundärwicklung des Zwischenspannungswandlers <I>W</I> sind ausser der üblichen Bürde<I>B</I> die Primärwicklung des Anpassungstransformators T und über Gleich richter die Arbeitswicklungen A,
. und A2 des Trans- duktors Tr mit dem zusätzlichen Widerstand<I>V</I> ange schlossen. Den Sekundärwicklungen S1 bis S3 des Anpassungstransformators T werden nach Gleich richtung drei Teilströme entnommen, von denen die Teilströme il und i2 nach Glättung durch die Konden satoren C3 und C,1 die Steuerwicklung<I>St</I> des Trans- duktors Tr in gleicher Richtung durchfliessen,
während der Teilstrom i3 der Sättigung des Transduktoreisens entgegenwirkt und die Tendenz hat, den Transduktor hoch induktiv, also sperrend zu machen.
Der Teilstrom il entwickelt sich sofort über die Reihenschaltung des Widerstandes R1 und des Kon- densators C5, zu dem der Widerstand R2 parallel liegt, zum Sättigungsstrom, indem die Reihenschaltung des Widerstandes R1 und des Kondensators C5 die Wir kung hat, dass sich bei jedem Einschalten des Wandlers und bei jedem plötzlichen Spannungsanstieg an diesem durch Aufladung des Kondensators C5 eine Strom spitze ausbildet,
welche den Transduktor Ti- sofort in die Sättigung treibt. Dann sinkt der Teilstrom il auf einen durch die Widerstände R, und R2 bestimmten Wert ab, bei dem die Sättigung des Transduktor- eisens zunächst aufrechterhalten wird. Der zusätzliche Widerstand V ist somit wirksam; er ist als spannungs abhängiger Widerstand ausgebildet, um bei Nenn spannung einen grösseren Widerstandswert aufzu weisen als bei verketteter Spannung; denn der grössere Widerstandswert bei Nennspannung bietet die Gewähr, dass der Netzschutz noch genau arbeitet.
Um zu erreichen, dass die Leistung, die von dem Kreis I nach der Einschaltung des Wandlers während seines normalen Betriebes entnommen wird, klein ist, so dass infolge der demzufolge dann schwachen Lade stromaufnahme des Glättungskondensators C3 keine Spannungsverzerrungen der Sekundärspannung des Wandlers auftreten, ist der Widerstand R2 entsprechend hochohmig. Es bildet sich also weiterhin zwar die Stromspitze für die Steuerung des Transduktors aus, die aber mit dem Aufladen des Kondensators C5 auf einen kleinen Wert abfällt.
Während dieser Vorgänge im Kreis 1 entwickelt sich, nachdem das Transduktoreisen gesättigt ist, im Kreis III der dem Teilstrom il entgegenwirkende Teil strom i3, der beim Einschalten des Wandlers in der Steuerwicklung<I>St</I> so lange unterdrückt ist, bis der Kondensator C, über das aus ihm, aus der Drossel L, und dem Widerstand R3 bestehende Zeitglied die Spannung der Zenerdiode Z angenommen hat, zu einem solchen Wert, dass der zunächst durch den Teil strom il in Sättigung getriebene Transduktor Tr hoch induktiv wird.
Der mit den Arbeitswicklungen A, und A2 in Reihe liegende zusätzliche Widerstand V, der bei gesättigtem Transduktor Tr eine starke Belastung dar stellt, ist somit bei jetzt gesperrtem Transduktor Tr praktisch ausgeschaltet.
Der schon genannte Teilstrom i2, der die gleiche Richtung wie der Teilstrom i, aufweist und sich von der Wandlereinschaltung ab infolge der Drossel L3 allmählich zu seinem Endwert entwickelt, hat die Aufgabe, beim Ausschalten des Wandlers im Kreis II einen Strom durch die Steuerwicklung<I>St</I> entgegen dem abklingenden Teilstrom i3 noch so lange aufrecht zuerhalten, dass das Eisen des Transduktors Tr in der Sättigungsremanenz zur Ruhe kommt,
so dass der Transduktor Tr bei erneutem Einschalten des Wandlers bereits nahezu gesättigt ist und daher die Bedämpfung durch den zusätzlichen Widerstand V sofort voll wirksam wird.
Das erwünschte rasche Abklingen des der Sättigung entgegenwirkenden Teilstromes 1, über die Steuer wicklung<I>St</I> ist dadurch erzielt, dass der Gleichrichter Gl, ein Abfliessen der Ladung des Kondensators C6 über die Steuerwicklung<I>St</I> verhindert und die Energie der Drossel L, über den Gleichrichter G12 und den Innenwiderstand der Drossel L, vernichtet wird.
Ein langsames Ansteigen des Teilstromes i3 beim Einschalten des Wandlers und ein rasches Abklingen beim Ausschalten des Wandlers lässt sich auch dadurch erzielen, dass gemäss der Schaltung der Fig.6 bei geeigneter Bemessung des Widerstandes R6, des Kondensators C7, der Drossel L4 und des Widerstandes R7 durch die Ventilwirkung des Gleichrichters<I>GI</I> für den Stromanstieg die hohe induktive Zeitkonstante massgebend ist, während nach dem Ausschalten des Wandlers der die Drossel L4, den Widerstand R7 und den Kondensator C7 enthaltende Kreis in gedämpfte,
möglichst hohe Eigenschwingung gerät und so rasch die Nullinie durchschreitet. Der Gleichrichter Gl3 bewirkt, dass die Schwingung beim ersten Nulldurch gang abgeschnitten wird.