Stromwandleranordnung für Dreileiter-Drehstromsysteme, insbesondere zur Stromistwerterfassung
für geregelte, stromrichtergespeiste Gleichstromverbraucher
[0001] Gegenstand der Erfindung ist eine Stromwandleranordnung für Dreileiter-Drehstromsysteme,
insbesondere zur Stromistwerterfassung für geregelte, stromrichtergespeiste Gleichstromverbraucher.
[0002] In der Antriebsregelung ist der netzgeführte Stromrichter mit steuerbaren Halbleitern
ein wichtiges Stellglied. Bei Einsatz von Stromrichtern für geregelte Gleichstromantriebe
steht fast ausschließlich ein Drehstromnetz zur Verfügung. Dabei erfüllt der Stromrichter
zwei Aufgaben, nämlich die Umformung von Drehstrom in Gleichstrom bei Gleichrichterbetrieb
oder die Umformung von Gleichstrom in Drehstrom beim Wechselrichterbetrieb, sowie
die Verstärkung des Leistungsniveaus der Regler auf das der Maschine. Die zu regelnde
Größe ist der vom Stromrichter an die Maschine abgegebene Gleichstrom.
[0003] Zum Messen oder Erfassen dieses Gleichstroms können bei größeren Anlagen mit notwendiger
Potentialtrennung Shunts mit Potentialtrennung (Shuntwandler), Magnetverstärker (Krämerwandler)
Hallsonden mit und ohne Modulatorverstärker oder Feldsonden verwendet werden. Bei
Stromrichterspeisung wird jedoch allgemein die Messung über einen äquivalenten Drehstrom
vorgenommen u.zw. mittels Drehstromwandler. Durch den Drehstromwandler ist eine Potentialtrennung
gegeben. Bei einer Stromrichterschaltung besteht ein streng proportionaler Zusammenhang
zwischen Drehstrom und Gleichstrom. Bei einem im Stand der Technik allgemein bekannten
Meßprinzip für eine Drehstrombrückenschaltung (vgl. z.B. FR-A-2 106 732) wird der
Drehstrom über drei herkömmliche Wandler erfaßt, die für 0,1 A, 1 A oder 5 A sekundären
Nennstrom ausgelegt sind. Der Sekundärstrom wird gleichgerichtet und über einen Bürdenwiderstand
geleitet, an dem eine proportionale Gleichspannung abgegriffen werden kann. Nachteilig
ist hier der große Aufwand an Transformatoreisen und Wicklungskupfer für die drei
Stromwandler, die daher schwer, voluminös und teuer sind. Dieser Aufwand ist auch
bei der allgemein bekannten Zwei-Strom-Wandler-V-Schaltung (siehe z.B. US-A-4 683
513) noch groß. Diese weist dazu den Nachteil auf, daß sich die Wandler bei der Abmagnetisierung
gegenseitig beeinflussen, da ihre Abmagnetisierungsbedingungen schwanken. Dies kann
zu Pendelungen der Regelung führen.
[0004] Eine Anordnung, die diese Nachteile nicht aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, daß
ein einziger Stromwandler in Form eines Durchsteckstromwandlers vorgesehen ist, daß
dieser drehstromseitig angeordnet ist und daß nur zwei der drei Phasenleiter durch
den Stromwandler gefädelt oder durchgesteckt sind, daß dabei zur Vermeidung des Auftretens
einer resultierenden Durchflutung vom Betrag Null die beiden Phasenleiter mit gleicher
definierter Durchsteckrichtung und einem Windungszahlverhältnis von 1:2 oder mit gleicher
definierter Durchsteckrichtung und gleicher Windungszahl, jedoch mit in einem Phasenleiter
durch einen Shunt halbiertem Strombetrag oder mit gleichen Windungszahlen, jedoch
mit zueinander entgegengesetzter definierter Durchsteckrichtung durch den Stromwandler
gefädelt oder durchgesteckt sind, daß der aufgrund des dabei auftretenden doppelten
Wertes der resultierenden Durchflutung sekundärseitig auftretende doppelte Betrag
der Meßspannung durch eine Korrekturschaltung auf seinen halben Wert reduziert wird,
und daß die Befehle zum Ein- und Ausschalten der Korrekturschaltung aus Ansteuerimpulsen
für die Ventile des Stromrichters abgeleitet sind.
[0005] Der erzielbare Vorteil liegt in der beträchtlichen Reduktion des Aufwandes für lediglich
einen Stromwandler, wobei die notwendige, wenig aufwendige Korrekturelektronik aus
der Stromversorgung für die Regler mitversorgt werden kann.
[0006] Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
- Fig. 1
- den Blockschaltplan eines herkömmlichen Einquadrantantriebes mit Stromregelkreis und
Drehzahlregelkreis
- Fig. 2, 3 und 4
- im Prinzip gleichartige Anordnungen für den Stromwandlerteil einer erfindungsgemäßen
Schaltung
- Fig. 5
- den bekannten Schaltplan einer Drehstrombrückenschaltung mit zugehörigem Spannungsstern
- Fig. 6 und 7
- das zeitliche Auftreten der Sternspannungen, Ansteuerimpulse, Thyristorströme sowie
der maßgebenden sekundären Größen und die
- Fig. 8 und 9
- zwei Ausführungsformen der elektronischen Korrekturschaltung.
[0007] Die Fig. 1 zeigt den Blockschaltplan eines herkömmlichen Einquadrantantriebes mit
Stromregelkreis und Drehzahlregelkreis. Zum Leistungsteil gehören ein Thyristorstromrichter
1 in Drehstrom-Brückenschaltung, Kommutierungsdrosseln 2, ein Gleichstrommotor 3,
ein Ankerstrommeßgeber in Form von im Drehstromkreis angeordneten Stromwandlern 4
und ein Drehzahlmeßgeber 5 in Form einer mit dem Gleichstrommotor 3 gekoppelten Tachometermaschine.
Zum Steuer- und Regelteil gehören ein sechspulsiger Steuersatz 6, ein Stromregler
7, ein Drehzahlregler 8 und ein Sollwertgeber 9 in Form eines Potentiometers, in bekannter
Funktion. Dem Steuersatz 6 ist eine Zündimpulsendstufe 49 mit Verteilerlogik nachgeschaltet,
die zur Erzeugung der für jeweils zwei aufeinanderfolgend stromführende Thyristoren
erforderlichen Ansteuerimpulse dient. In dieser Stufe 49 findet auch die Impulsüberkopplung
auf den jeweils vorher im leitenden Zustand befindlichen Thyristor statt.
[0008] Die Regelung eines Antriebes erfordert am Eingang des Reglers die Führungsgröße (Sollwert)
und die Regelgröße (Istwert). Die Führungsgröße (Sollwert) wird als Gleichspannung
vorgegeben. Die Regelgröße (Istwert), die mit einem meßgeber erfaßt wird muß mittels
eines Gleichrichters 10 auf eine für den Reglereingang geeignete Gleichspannung umgeformt
werden. Die Wahl des Meßgebers richtet sich nach den Forderungen, die an den Antrieb
gestellt werden. Bei den üblichen Netzspannungen von 380/500 V oder höher ist es zweckmäßig,
den Steuer- und Regelkreis vom Leistungskreis galvanisch zu trennen. Die bei Antrieben
verwendeten Meßgeber sind daher im allgemeinen potentialtrennend ausgeführt. Der Strom
kann bei vollgesteuerten Brückenschaltungen grundsätzlich auf der Gleichstrom- oder
der Wechselstromseite erfaßt werden. Der normale Wechselstromwandler, wie er zum Anschluß
von Wechselstrom-Meßgeräten allgemein verwendet wird, ist auch als Meßgeber geeignet.
[0009] Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen im Prinzip gleichartige Anordnungen für den Stromwandlerteil
einer erfindungsgemäßen Schaltung. Verwendet wird hier ein sogenannter Durchsteckstromwandler.
Durchsteckstromwandler die handelsüblich sind und für höhere Stromstärken viel verwendet
werden, weisen eine vom Eisenkern 11 vollständig umschlossene Durchstecköffnung 12
auf. Für höhere Stromstärken wird nicht die ebenfalls vorhandene, an Klemmen geführte
Primärwicklung, sondern ein ein- oder mehrfach durch die Durchstecköffnung 12 des
Stromwandlers 4 geführter Primärstromleiter benützt, der z.B. für 100 A Nennwert des
Primärstromes 6 mal oder für 600 A Nennwert des Primärstromes 1 mal durchgeführt wird,
um die erforderliche Nenndurchflutung von z.B. 600 AW zu erreichen. Die Sekundärwicklung
13 ist meist für 5 A (1 A, 0,1 A) Nennstrom ausgelegt. Als Primärwindungen zählen
nur die Gänge im Inneren der Durchstecköffnung 12. Natürlich hängt es von der Stromflußrichtung
ab, ob der AW-Beitrag eines Leiters als positiv oder negativ zu werten ist. Während
herkömmlich zur Drehstrommessung meist 3 derartige Stromwandler oder, in der Zwei-Stromwandler-V-Schaltung,
zumindest 2 Stromwandler verwendet werden, wobei letztere Schaltung wegen ungleicher
Abmagnetisierungsbedingungen für die beiden Stromwandler zu Reglerschwingungen führen
kann, wird erfindungsgemäß nur ein Durchsteckstromwandler benützt. Dadurch ist eine
große Einsparung an Gewicht, Volumen und Kosten gegeben.
[0010] Aus den Fig. 2, 3 und 4 ist erkennbar, daß nur jeweils zwei der insgesamt drei Phasenleiter
des Drehstromsystems durch die Durchstecköffnung 12 des Stromwandlers 4 durchgeführt
sind und zwar in den nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Arten. Bei der Anordnung
nach Fig. 2 wird das was wesentlich ist, nämlich das Auftreten einer resultierenden
Durchflutung vom Betrag Null und damit ein Lücken des Sekundärstromes zu verhindern,
dadurch erzielt, daß die beiden Leiter R, S mit zueinander entgegengesetzter Durchsteckrichtung
durch die Durchstecköffnung 12 des Stromwandlers 4 geführt sind. Selbstverständlich
müssen die je nach auftretender Stromstärke erforderlichen Schleifenzahlen berücksichtigt
werden. Der dritte Leiter T wird außen am Eisenkern 11 des Stromwandlers 4 vorbeigeführt.
[0011] In Fig. 4 ist ein Leiter, z.B. S einfach und ein Leiter z.B. R unter Ausbildung einer
Rückführschleife zweifach durchgesteckt. Dabei weisen beide Leiter die gleiche definierte
Durchsteckrichtung auf. Der dritte Leiter T wird ebenfalls außen am Eisenkern 11 des
Stromwandlers 4 vorbeigeführt.
[0012] In Fig. 3 wird das erfindungsgemäße erforderliche AW-Verhältnis von 2:1 dadurch erzielt,
daß zwei Leiter einfach durchgesteckt sind, bei einem Leiter jedoch der halbe Strom
durch einen Shunt 15 außen am Eisenkern 11 des Stromwandlers 4 vorbeigeführt wird.
Dazu ist es selbstverständlich erforderlich, daß der Shunt 15 und das geshuntete Leiterstück
gleiche Impedanz aufweisen. Außerdem ist hier im Falle einer Eichung eine andere Umrechnungskonstante
anzuwenden. Die bei Stromfluß in den beiden durchgesteckten Leitern jeweils verursachte
resultierende Durchflutung erzeugt in der Sekundärwicklung 13 einen eingeprägten Strom,
der über den angeschlossenen Bürdenwiderstand 14 fließt. Der Verlauf der resultierenden
Durchflutungen (AW) sowie der diesen proportionalen Sekundärströme, die aufgrund der
erfindungsgemäßen Anordnung der Leiter und der in diesen fließenden Leiterströme erzeugt
werden, wird in den folgenden Figuren gezeigt.
[0013] Die Fig. 5 zeigt den bekannten Schaltplan einer Drehstrombrückenschaltung 16, die
aus den beiden dreipulsigen Sternschaltungen 17, 18 besteht. Sie weist sechs Thyristoren
21 - 26 auf, die symmetrisch an den Phasen R, S, T angeschlossen sind. Darunter ist
der Spannungsstern der sechs jeweils unter 60° aufeinanderfolgenden Spannungen aufgezeichnet.
In dieser Reihenfolge müssen die Thyristoren nacheinander gezündet werden. Die Ziffern
21 - 26 am Spannungsstern, die mit den Bezugsziffern für die Thyristoren übereinstimmen,
geben diese Reihenfolge an.
[0014] In Fig. 6 sind die drei Sternspannungen U₁, U₂, U₃ der beiden dreipulsigen Sternschaltungen
17, 18, aus denen die Drehstrom-Brückenschaltung 16 besteht, beim Zündwinkel = 0°
in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt. Diese ergeben, in Reihe geschaltet, die resultierende
Spannung U
di. Darunter ist die zeitliche Zuordnung der Zündimpulse für die einzelnen Thyristoren
21 - 26 angegeben, die schräg schraffiert dargestellt sind sowie die Blöcke der dabei
fließenden Thyristorströme, diese zur vereinfachten Erläuterung des Prinzips in schematisierter
Form. Durch weitere Schraffur sind die Thyristorstromblöcke nach ihrer Bedeutung für
das erfindungsgemäße Anordnungsbeispiel nach Fig. 4 hervorgehoben. Da die Zuleitungen
R und S durchgesteckt sind und daher die in ihnen fließenden Ströme Durchflutungen
positiver und negativer Art, jedoch mit um den Faktor 2 unterschiedlichen Beträgen
erzeugen, sind die einfach wirkenden Stromblöcke, die in der Zuleitung S und somit
abwechselnd in den Thyristoren 23 und 26 fließen, durch horizontale Schraffur gekennzeichnet
und die doppelt wirkenden Stromblöcke, die in der Zuleitung R und somit abwechselnd
in den Thyristoren 21 und 24 fließen, durch vertikale Schraffur. Die Stromblöcke durch
die Thyristoren 22 und 25 sind ohne Einfluß. Durch geometrische Addition der gleichzeitig
auftretenden Stromblöcke ergibt sich der unten gezeichnete Linienzug für die gerichtete
Größe der resultierenden Durchflutung, die von den in positiver oder negativer Zählrichtung
die Durchstecköffnung 12 durchsetzenden Strömen erzeugt wird, der in einem anderen
Maßstab der in der Sekundärwicklung 13 fließende Meßstrom bzw. die am Bürdenwiderstand
14 auftretende Bürdenspannung = Meßspannung entspricht. Der Linienzug läßt die lückenlose
und vorzeichenrichtige Erfassung aller Primärströme erkennen. Allerdings tritt noch
ein Sekundärstrom mit seinem doppelten Wert auf und zwar ausschließlich in dem Zeitabschnitt,
in dem gleichzeitig ein Stromfluß durch den doppelt durchgesteckten Leiter R und den
nichtdurchgesteckten Leiter T erfolgt, d.h. durch die Thyristoren 21 und 22 bzw. 24
und 25. Da zu dem die für die Regler 7, 8 nicht brauchbaren negativen Stromwerte auftreten,
werden mittels nachfolgend beschriebener Schaltungen die erforderlichen Korrekturen
vorgenommen. Die gleiche Form des Linienzuges ergibt sich auch für die Anordnung gemäß
Fig. 3 jedoch, wie schon bei der Beschreibung dieser Figur erwähnt, mit um den Faktor
2 geänderten Maßstabsverhältnissen.
[0015] In Fig. 6 sind die Sekundärstrom- bzw. AW-Verhältnisse für die Anordnung gemäß Fig.
4 angegeben. Der Linienzug ist aufgrund der zuvor gebrachten Hinweise einfach zu konstruieren,
wobei anzumerken ist, daß hier die beim Stromfluß durch den doppelt durchgesteckten
Leiter R und die Thyristoren 21 bzw. 24 auftretenden Stromblöcke vertikal schraffiert
hervorgehoben sind.
[0016] Die Korrekturschaltung nach Fig. 8 zeigt den Bürdenwiderstand 14, der über einen
Gleichrichter 10 an die Sekundärwicklung 13 des Stromwandlers 4 angeschlossen ist.
Dem Bürdenwiderstand 14 wird während der Zeitspanne doppelter AW-Zahl ein gleichgroßer
Widerstand 27 über einen Transistor 28 parallelgeschaltet. Dadurch steht dem mit seinem
doppelten Wert auftretenden Meßstrom nur ein Bürdenwiderstand mit dem halben resultierenden
Ohmwert zur Verfügung, sodaß die erwünschte Korrektur erfolgt. Dazu wird der Transistor
28 von einem Flip-Flop 29 in den leitenden Zustand gesteuert, der mittels des nicht
überkoppelten Ansteuerimpulses (Low) für den Thyristor 22 bzw. 25 gesetzt und mittels
des jeweils darauffolgenden nicht überkoppelten Ansteuerimpulses für den Thyristor
23 bzw. 26 rückgesetzt wird. Dazu sind die Ansteuerleitungen für die Thyristoren 22
und 25 auch an die Eingänge einer AND-Stufe 30 geschaltet, deren Ausgang mit dem Setzeingang
des Flip-Flop 29 verbunden ist. In gleicher Weise sind die Ansteuerleitungen für die
Thyristoren 23 und 26 auch an die Eingänge einer AND-Stufe 31 geschaltet, deren Ausgang
mit dem Rücksetzeingang des Flip-Flop 29 verbunden ist. Die Gleichrichtung des Meßstromes
erfolgt in bekannter Weise mittels des Gleichrichters 10. Bei anderer Anordnung der
Leiter R, S, T bezüglich des Stromwandlers 4 muß, wie schon früher ausgeführt, eine
andere Reihenfolge der zum Setzen und Rücksetzen des Flip-Flop 29 dienenden Ansteuerimpulse
verwendet werden. Dies gilt seblstverständlich auch für eine Anordnung der Leiter
nach Fig. 2, bei der erfindungsgemäß zwei der drei Primärleiter mit zueinander entgegengesetzter
Durchsteckrichtung durch die Durchstecköffnung 12 des Stromwandlers 4 geführt sind.
Ein doppelter Betrag der resultierenden AW bzw. des Sekundärstromes tritt, aus Fig.
7 erkennbar, dann auf, wenn beide durchgesteckten Leiter gleichzeitig stromführend
sind, d.h. im Beispiel die Leiter R und S und die zugehörigen Thyristoren 21 und 26
bzw. 23 und 24. Es werden also hier die Ansteuerimpulse für die Thyristoren 21 und
24 auch zum Setzen und die jeweils darauffolgenden Ansteuerimpulse für die Thyristoren
22. und 25 auch zum Rücksetzen des Flip-Flop 29 heranzuziehen sein. Hier ist erkennbar
und auch hervorzuheben, daß die resultierenden Linienzüge immer in der selben Form
auftreten, die Lage der doppelten AW- bzw. Sekundärstromwerte jedoch je nach Anordnung
der Leiter bezüglich des Stromwandlers 4 unterschiedlich ist.
[0017] Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, daß bei dem doppelt erfaßten Strom der
Eisenkern 11 des Stromwandlers 4 nicht doppelt so hoch aufmagnetisiert wird, da in
diesem Fall der resultierende Bürdenwiderstand 14 || 27 mit dem halben Ohmwert auftritt.
Der zusätzliche Magnetisierungsaufwand liegt nur im Kupferinnenwiderstand der Sekundärwicklung
13. Dadurch ist keine höhere Typenleistung des Stromwandlers 4 erforderlich.
[0018] Eine Korrekturschaltung mit einer etwas aufwendigeren Elektronik ist in Fig. 9 angegeben.
In dieser ist es durch die Verwendung eines Operationsverstärkers 32 möglich, den
Stromwandler 4 nur mit einer sehr kleinen Bürdenspannung zu belasten. Dem Operationsverstärker
32 ist ein Impedanzwandler 33 nachgeschaltet, um für den Operationsverstärker 32 eine
Type geringer Stromtragfähigkeit verwenden zu können.
[0019] Am Bürdenwiderstand 34 fällt die Bürdenspannung ab, die über einen Vollweg-Meßgleichrichter
oder Absolutwertbildner in bekannter Schaltung gleichgerichtet wird. Sein erster,
als invertierender Gleichrichter arbeitender Operationsverstärker 35 ist mit den Widerständen
36 und 37, die untereinander gleiche Ohmwerte aufweisen sowie mit Dioden 38 und 39
beschaltet. Sein zweiter, als invertierender Verstärker arbeitender Operationsverstärker
40 ist mit den untereinander gleiche Ohmwerte aufweisenden Widerständen 41 - 45 in
der gezeigten Weise beschaltet.
[0020] Durch einen elektronischen Schalter 46 kann seine Verstärkung zwischen ihrem vollen
und halben Wert umgeschaltet werden. Die Ansteuerung dieses Schalters 46 erfolgt wieder
durch das Ausgangssignal des in Fig. 8 gezeigten Flip-Flops 29.
[0021] Die Zenerdioden 47, 48 dienen zur Ableitung des Bürdenstromes und damit zum Überspannungsschutz
für den Operationsverstärker 32 für den Fall, daß in der Sekundärwicklung 13 des Stromwandlers
4 Überspannungen auftreten, die durch hochdynamische Vorgänge im Primärstromkreis,
etwa durch Schaltvorgänge oder Kurzschlüsse verursacht sind. Der Vorteil dieser Schaltung
liegt darin, daß der Stromwandler 4 praktisch gegen die Bürdenspannung null arbeitet
und daher nur ein sehr kleiner Magnetisierungsstrom auftritt. Dadurch ist diese Schaltung
besonders zur momentanwertrichtigen Stromistwerterfassung mit nachgeschalteter Stromnullmeldung
über Schwellwertschalter geeignet. Dies deshalb, weil der bei der Stromnullmeldung
störende Magnetisierungsstrom, der bekanntlich durch das Verursachen des sogen. "Schweifes"
der Abmagnetisierungsspannung die Stromnullmeldung verzögert, auf einem Minimalwert
gehalten werden kann.
[0022] Abschließend sei noch erwähnt, daß bei reiner Stromnullmeldung, bei Strom- oder Leistungsmessungen
mit Zeiger- oder Digitalinstrumenten oder bei Reqelungen mit großer Glättungszeitkonstante
die elektronische Korrekturschaltung nicht erforderlich ist, da im ersten Fall nur
das Nullwerden des Stromes interessiert und in den anderen Fällen der durch den mit
doppeltem Wert auftretenden Meßstrom verursachte Fehler in die Anzeige eingeeicht
bzw. ausgeglichen werden kann.
Bezugszeichenliste:
[0023]
- 1
- = Thyristorstromrichter
- 2
- = Kommutierungsdrosseln
- 3
- = Gleichstrommotor
- 4
- = Durchsteckstromwandler
- 5
- = Drehzahlmeßgeber
- 6
- = Steuersatz
- 7
- = Stromregler
- 8
- = Drehzahlregler
- 9
- = Sollwertgeber
- 10
- = Gleichrichter
- 11
- = Eisenkern
- 12
- = Durchstecköffnung
- 13
- = Sekundärwicklung
- 14
- = Bürdenwiderstand
- 15
- = Shunt
- 16
- = Drehstrombrückenschaltung
- 17, 18
- = Sternschaltungen
- 21 - 26
- = Thyristoren
- 27
- = Widerstand
- 28
- = Transistor
- 29
- = Flip-Flop
- 30, 31
- = AND-Stufe
- 32, 35, 40
- = Operationsverstärker
- 33
- = Impedanzwandler
- 34
- = Bürdenwiderstand
- 36, 37
- = Widerstände
- 38, 39
- = Dioden
- 41 - 45
- = Widerstände
- 46
- = Schalter
- 47, 48
- = Zenerdioden
- 49
- = Zündimpulsendstufe
- R, S, T
- = Leiter
- U₁, U₂, U₃
- = Sternspannungen
- Udi
- = resultierende Spannung