Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erfassung von Maxianal- bzw. Minimalwerten von Wechselstromgrössen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Erfassung von Maximal- bzw. Minimalwerten von Wechselstromgrössen und wird speziell für ein Maximal-Minimalwertrelais ver wendet.
Bei den bisher bekanntgewordenen Maximal- und Minimalwertrelais für Wechselstrom wird die Aus lösevorrichtung magnetisch oder thermisch durch den Strom des zu schützenden Kreises gesteuert. Infolge der beweglichen Kontaktglieder treten Störungen (Kontaktverschmutzungen, Erschütterungsempfind lichkeit u. ä.) auf.
Es sind aber bereits auch Relais dieser Art auf elektronischer Grundlage entwickelt worden. Als Messverfahren für die auftretenden Maximal- bzw. Minimalwerte sind im wesentlichen drei zu nennen: l.. Messung über die Momentanwerte 2. Messung über die Mittelwerte (Integral) 3. Messung über die Welligkeit einer in mehreren Phasen zerlegten Einphasenspannung.
Trotz der bekannten Vorteile der einzelnen Mess- verfahren weisen sie noch einige Mängel bei ihrer Verwendung in Transistorschaltungen auf.
Werden die Momentanwerte als Kriterium ver wendet, erreicht man zwar die relativ kürzeste An sprechzeit. Die Ausgangsgrösse hat aber keinen kon tinuierlichen Verlauf, und eine Abweichung von der Sinusform kann zur Fehlauslösung führen.
Ein weiterhin vorgeschlagenes Verfahren bildet hier teilweise eine Ausnahme. Diesem zufolge wird eine Wechselgrösse in Rechteckimpulse umgewandelt. Darauf erzeugt man über eine gesteuerte Brücken schaltung eine analoge Impulsfolge wechselnder Po larität. Anschliessend wird gleichgerichtet und der Gleichstrom zum Aussteuern eines Schalttransistors mit nachgeschaltetem Relais benutzt. Für die über tragung der Wechselimpulsfolge zum Gleichrichter ist aber ein übertrager mit idealen Eigenschaften nötig (keine Impulsverzerrung u. ä.).
Dieser ist jedoch nicht herstellbar. Das Ausgangssignal der Gleichrichter schaltung hat demnach immer einen lückenden Charakter. Für logische Weiterverarbeitungen ist es also nicht ohne weiteres zu verwenden. Ein weiteres Verfahren beruht darauf, dass das Integral der Wech selgrösse im Verlauf einer oder des Teils einer Halb welle als Kriterium verwendet wird. Infolge der spe zifischen Eingangskennlinie der Transistoren UBr=ObeiJBE=0 sind jedoch die Integrationsgrenzen nicht genau fest zulegen.
Ausserdem ist die Einrichtung stark frequenz- abhängig. Wird die einphasige Eingangsgrösse in ein Mehrphasensystem zerlegt und die Welligkeit als Kri terium benutzt, macht sich auch hier der Einfluss jeder Frequenzänderung störend bemerkbar. Das phasendrehende Glied kommt, wie bekannt, erst in eingeschwungenem Zustand voll zur Wirkung. Dber- gangsvorgänge können also zu Fehhnes:sungen füh ren.
Eine Einrichtung dieser Art ist auch relativ auf wendig (phasendrehendes Glied, Gleichrichter u. a.).
Drei der beschriebenen Messverfahren haben wei ter den Nachteil, dass der Ansprechwert allein an den dem Messgrössenumformer (Integrationsglied, Pha senumformer u. ä.) nachgeschalteten Indikator (Kipp- stufe) eingestellt werden kann.
Erfindungsgemäss wird nun vorgeschlagen, ein Messverfahren zu vermeiden, welches das über- bzw. Unterschreiten eines Amplitud'enwertes der periodi schen Eingangsgrösse für die Dauer eines definierten Zeitabschnittes innerhalb jeder Halbwelle kontrol- fiert. Dabei wird die Eingangsgrösse in eine spezielle Impulsfolge, z. B. Rechteckimpulse, umgewandelt, und das Gleichstromglied dieser Folge als die eigent liche Messgrösse verwendet.
Die Impulsfolge kann aus dem Ausgangssignal x., und dem dazu inversen x,7 Signal des Impulserzeugers gebildet und gege benenfalls auf ein einstellbares Bezugspotential bezo gen werden.
Damit wird erreicht, dass bei diesem Messver- fahren keine Frequenzabhängigkeit auftritt und auch auftretende Spannungsspitzen keine Verfälschung her vorrufen. Das Ausgangssignal hat einen nichtlöcken- den Charakter.
Das Messverfahren und die Schaltungsanordnung sollen an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. la die Impulsfolge, Fig. 1 b den Verlauf des Gleichstromgliedes, Fig.2a den charakteristischen Verlauf im Nor malfall, Fig.2b den Verlauf im Fehlerfall, Fig. 3 das Blockschaltbild, Fig.4 die Schaltungsanordnung, in der nur die zur Erläuterung des Erfindungsgedankens erforder lichen Elemente gekennzeichnet sind.
Bekannt ist, dass die Amplitude der Fourierkoeffi- zienten einer Impulsfolge von dem Tastverhältnis ab hängt. Für Messzwecke ist besonders das aus einer solchen Impulsfolge abgeleitete Gleichstromglied ge eignet. So gilt für e '.e Nullkomponente einer Impuls folge nach Fig. la
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Dabei ist T =1/fimp., x, die Eingangsgrösse, x" die Nullkomponente und<I>z =</I> tl-t2.
Bezieht man die Amplitude der Impulsfolge auf ein definiertes Bezugspotential, so ergibt sich für ein Gleichstromglied der in Fig. 1b dargestellte Verlauf.
Bei
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ist eine eindeutige Vorzeichenumkehr vorhanden. Diese ist ein Vorteil gegenüber jener Variante, bei der das Gleichstromglied der einfachen Impulsfolge ausgesiebt wird. Hier ist keine Vorzei chenumkehr vorhanden, sondern die Amplitude des Gleichstromgliedes wird lediglich zu Null, wenn ein bestimmtes Tastverhältnis erreicht ist. Analoge Über legungen kann man auch für die höheren Harmoni schen anstellen. Von Interesse ist aber lediglich die erste Harmonische, da bei den folgenden Mehrdeu- tigkeiten infolge mehrerer Nulldurchgänge auftreten.
Im Blockschaltbild Fig. 3 bedeuten 1. - Gleichrichter 2. - Impulserzeuger 3. - Erzeuger des inversen Impulses (x@rSignal) 4. - Filter für Harmonische oder Nullkomponente 5. - Auslöseorgan (Kippschaltung) Die in 1 gleichgerichtete Eingangsgrösse x, wird durch den Impulserzeuger 2 in Rechteckimpulse x" umgeformt. In 3 erzeugt man die inverse Impuls folge x". Beide werden dem Filter 4 zugeführt. Er reicht das ausgesiebte Gleichstromglied den Ansprech- wert der Kippschaltung 5, löst diese aus.
In den Fig.2a und b ist der Kurvenverlauf ge zeigt. Dabei gilt<I>2a</I> für den Normalfall und<I>2b</I> für den Fehlerfall. Der Ansprechpunkt liegt dann dort, wo das Gleichstromglied den Ansprechwert der Kipp- schaltung schneidet.
Ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung ist in Fig. 4 gezeigt.
Darin ist G die Gleichrichterkombination. Der Gleichstrom (proportional Jei",) wird über Wider stand R1 dem Transistor T1 der Impulserzeugerstufe zugeführt. An den Kollektor des Transistors T2 ist der Widerstand Ra des Filters (R3-C-R4) angeschlos sen.
Der Widerstand R4 des Filters liegt am Kollek tor des Umkehrtransistors T3. Der Transistor T4 liegt mit der Basis zwischen R3 und C und mit dem Emitter an Widerstand R6. Zwischen den Eingang des Filters und den Kollektor des jeweiligen Transistors sind die Dioden Dl bzw. D2 eingeschaltet. Der Emit- ter des Transistors T4 ist über R6 mit dem Potential 0 und über den regelbaren Widerstand R., mit -Ur ver bunden.
Das Maximal-Minimalwertrelais ist so ausgeführt, dass die gleichgerichtete Eingangsgrösse einem an sich bekannten Impulserzeuger zugeführt wird. Das ent stehende x"-Signal setzt man mit dem über einen Umkehrtransistor T3 erzeugten inversen xä-Signal zu sammen. Diese zusammengesetzte Impulsfolge wird dem beispielsweise einem aus einer RC-Kombina- tion (R3)-(C)-(R4) bestehenden Filter zugeführt. Die Ausgangsgrösse des Filters liegt an der Basis eines weiteren Transistors T4.
Die beiden Transisto ren T2 und T3 arbeiten gegenläufig. Bei ihrer peri odischen Betätigung liegt also an der Reihenschal tung (R3)-(C)-(R4) eine rechteckige Wechselgrösse. Weichen deren positiven und negativen Halbwellen in der Breite voneinander ab (z + a/2) entsteht ein Gleichspannungsanteil. Das Bezugspotential ist in seiner Höhe durch den Widerstand R5 regelbar. Der Ansprechwert der Anordnung kann über R1 und R;, eingestellt werden.
Durch die Dioden Dl und D2 wird ein Einfluss der temperaturabhängigen Restströme von T2 und T3 auf den Filter verhindert.
Überschreitet die infolge Jei"g an der Gleichrich- terbrücke G entstehende Spannung periodisch den an R, eingestellten Ansprechwert der aus T1 und T2 bestehenden, an sich bekannten Kippschaltung, ent steht am Kollektor von T2 eine im Takt der pulsieren den Gleichspannung zwischen<B>-UB</B> und dem Emitter- potential schwankende Ausgangsgrösse x". Über T3 wird die inverse Ausgangsgrösse 7.
erzeugt. An dem Filter liegt also x., und x". Über die an R6 eingestellte Vorspannung lässt sich indirekt das Bezugspotential beeinflussen. Erreicht das Gleichstromglied den Wert des Bezugspotentials, wird T4 ausgesteuert, und die Auslösung kann erfolgen. Durch die Dioden Dl und D2 verhindert man, dass die temperaturabhängigen Restströme das zuverlässige Arbeiten des Filters be einflussen.
Infolge des Bezugspotentials und der Ver wendung des x"- und xarSignals ist entweder eine eindeutige Sperrung oder Aussteuerung des Transi stors T4 vorhanden. Die Temperaturabhängigkeit der Einrichtung ist ebenfalls vernachlässigbar klein, da die Kippschaltung in der Betriebsart reNiedertasten (T1 ist im Ruhezustand ausgesteuert) betrieben wird und die Eingangsgrösse nicht in der Grössenordnung der temperaturbedingten Empfindlichkeitsänderung liegt.
Der Vorteil des Verfahrens und der ausgeführten Schaltung ist der, dass u. a. keine Frequenzunabhän- gigkeit vorhanden ist. Die Kurvenform .ist ebenfalls ohne störenden Einfluss auf die Genauigkeit der Mes sung. Die Anordnung ist relativ temperaturunabhän gig, nicht sehr aufwendig und daher billig.
Das Messverfahren kann auch allgemein zur Fest stellung des über-Unterschreitens einer bestimmten Impulsbreite einer Impulsfolge verwendet werden (Impulsbreitendetektor).