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Schaltungsanordnung zur Erfassung von Strömen in Stromrichterschaltungen
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 Stromrichterschaltung
angeschlossen sind und in deren Sekundärkreisen an 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 Regeleinrichtunyen
für Antriebe mit Umkehrstromrichtern.
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Die eingangs genannte Schaltungsanordnung ist allgemein bekannt (beispielsweise
wird auf die VDE-Buchreihe Bd. 11 "Energieelektronik und gereaelte elektrische Antriebe"
(1966) S. 386 und die BBC-Druckschrift GR 1338 (468.2 Br) hingewiesen). In Stromrichterschaltungen
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.
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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.
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An dem Bürdenwiderstand 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.
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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 112 r. Bei dem
bekannten Gleichstromübertrager zur Übertragung bipblarer Messignale werden eine
vom Eingangs strom durchflossene Primärwicklung und eine vom Ausgangsstrom durchflossene
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 das Sättigungszustandes
bzw. Umkehren der Polarität dient das überschreiten eines positiven bzw. negativen
Grenzwertes des 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 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.
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Mit den bekannten Schaltungen von Wechselstromwandlern ist es jedoch
nicht möglich, in Stromrichterschaltungen Stromimpulse
zu erfassen,
die ihre Richtung ändern oder in beiden Richtungen unterschiedliche Stromzeitflächen
innerhalb einer Periode aufweisen. Dies wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2
erläutert: Gemäß Fig. 1 ist ein Wechselstromwandler 1 in einer Einwegschaltung eingesetzt.
Ein Bürdenwiderstand 2 ist über eine Diode 3 an die Sekundärwicklung des Wandlers
1 angeschlossen.
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Die erforderliche Spannungszeitfläche umgekehrter Polarität wird von
der Sperrspannung der Diode aufgebracht und ist zur Abmagnetisierung verwendbar.
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In Mittelpunktschaltungen, z.B. Sternschaltungen, wird der Wechselstromwandler
so angeordnet, daß die Stromimpulse von zwei Ventilen 4 und 5 den Wandler 1 in jeweils
entgegengesetzter Richtung durchfluten. Fig. 2 zeigt eine einphasige Darstellung
z.B. des aus der vorgenannten Literatur bekannten Thyristorantriebes in Gegenparallelschaltung
(vgl. VDE-Buchreihe, Bd. 11, S. 386, Bild 4). Schließt man an den Primärkreis in
Fig. 2 einen Messwandleranordnung bestehend aus dem Wechselstromwandler 1, dem Bürdenwiderstand
2 und der Diode 3 gemäß Fig. 1 an, so wird am Bürdenwiderstand 2 nur solange der
Laststrom I1 abgebildet, wie dieser durch den Thyristor 4 fließt. Sobald der Strom
I1 durch den Thyristor 5 fließt, Thyristor 4 also gesperrt bleibt, wid der Kern
des Wandlers 1 gesättigt, am Bürdenwiderstand 2 erscheint keine stromproportionale
Spannungmehr.
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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 die Wechselstromwandler beaufschlagenden Primärströme
ihre Richtung ändern oder innerhalb einer Periode Ströme unterschiedlicher Größe
und Richtung und stromlose Pausen auftreten.
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Die Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß der Bürdenwiderstand
in Reihe mit einem bipolaren Spannungsbegrenzer mit Zenercharakteristik liegt.
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Der Sekundärkreis der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 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.
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Der Spannungsbegrenzer kann aus zwei mit entgegengesetzter Polarität
hintereinander geschalteten Zenerdioden bestehen.
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Es ist zwar als solches bekannt, zwei entgegengesetzt gepolte Zenerdioden
in einen Strompfad des Sekundärkreises eines Wechselstromwandlers zu schalten; aber
in dem bekannten Fall handelt es sich um eine Wechselspannungs-Stabilisierungsschaltung
und die Zenerdioden liegen parallel zur Reihenschaltung eines Widerstandes und der
Sekundärwicklung (ITT Intermetall "Schaltbeispiele mit diskreten Halbleiterbauelementen,
Ausgabe 1972, S.20 und 21).
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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.
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Eine Alternativlösung zur Reihenschaltung von Bürdenwiderstand und
bipolarem Spannungsbegrenzer besteht darin, daß im Sekundärkreis des einen Wechselstromwandlers
zwei antiparallel Strompfade vorgesehen sind, jeweils bestehend aus mindestens einer
Diode,
einem Bürdenwiderstand und einem spannungsbegrenzenden Bauelement. Als spannungsbegrenzendes
Bauelement kann eine Zenerdiode eingesetzt sein. Eine solche Schaltungsanordnung
läßt sich vorteilhaft auf mehrpulsige Umkehrstromrichter anwenden, z.B. auf eine
kreisstrombehaftete Gegenparallelschaltung. Bei solchen Anwendungen sind zweckmäßig
die Sekundarkreise 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 Reglern als Stromistwerte zugeführt.
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Die Höhe der Begrenzerspannung der Spannungsbegrenzer ist mindestens
so groß, wie die Summe aus den Spannungsabfällen am jeweiligen Innenwiderstand des
Stromwandlers und am Bürdenwiderstand.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 und Fig. 2 die bereits erläuterten bekannten Schaltungen,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der der Bürdenwiderstand in
Reihe mit einem bipolaren Spannungsbegrenzer liegt, Fig. 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 Fig. 3
Gemäß Fig. 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 zur Verfügung stehen.
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Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 3 ist anhand der in der
Fig. 6 dargestellten Zeitdiagramme näher erläutert.
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Durch die Primärwicklung des Wandlers 11 fließt beispielsweise für
eine bestimmte Dauer ein Strom vom Betrag I1, dann ein Strom vom Betrag 0,33.Il
in umgekehrter Richtung für die gleiche Dauer, dann folgt eine stromlose Pause gleicher
Dauer und dieser Vorgang wiederholt periodisch. Die Verläufe des Primärstromes I1,
des Sekundärstromes I2, der Spannung U12 am Bürdenwiderstand, der Spannung U2 an
der widerstandslos gedachten Sekundärwicklung und des magnetischen Flusses im Kern
des Wandlers sind in der genannten Reihenfolge untereinander dargestellt.
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Aus Fig. 6 d ist ersichtlich, daß durch die Addition der Spannungsabfälle
am Bürdenwiderstand 12 und an der bipolaren Zenerdiode 13 in der stromlosen Pause
noch eine restliche Abmagnetisierung ermöglicht wird. Am Bürdenwiderstand 12 erscheint
eine Spannung U 12, die in Polarität und Größe in jedem Augenblick dem Primärstrom
I1 proportional ist.
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In der Schaltung nach Fig. 4 wird der Sekundärstrom I2 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', einer Zenerdiode 113' und einer Diode 121' geleitet.
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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.
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Die Anwendung der Erfindung auf mehrphasige Stromrichterschaltungen
ist in Fig. 5 in einem Beispiel dargestellt.
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Hier soll der Stromistwert für zwei Sternschaltungen, die in einer
kreistrombehafteten Gegenparallelschaltung zusammenarbeiten, gebildet werden. In
den Phasen R, S und T sind jeweils die Primärwicklungen von Wechselstromwandlern
211, 211' und 211'' angeordnet, die Sekundärwicklungen sind über je eine offene
Einphasenbrückenschaltung aus den Dioden 220, 220' und 221, 221'; 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.
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213' angeschlossen. An den Bürdenwiderständen 212 bzw. 212' bzw. an
den Ausgängen 218 bzw. 219 stehen jeweils der positive bzw. der negative Stromistwert
zur Verfügung. Der kleinere von beiden wird als Kreis strom bezeichnet. Die Thyristoren
der Gegenparallelschaltung sind in Analogie zu Fig. 2 mit 204, 205 bzw. 204', 205'
bzw. 204'', 205'' bezeichnet.
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Zwischen den Sternpunkten der Gegenparallelschaltung und dem Mittelpunktsleiter
ist ein Motor angeschlossen.