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Schaltungsanordnung zur Überwachung von Maximal-bzw. Minimal-Werten der Wechselstromgrösse eines von dieser Schaltungsanordnung galvanisch getrennten Steuerkreises Es ist in Energieversorgungsnetzen, Steuerschaltungen usw. häufig erforderlich, zu kontrollieren, wann eine Wechselstromgrösse einen bestimmten Wert über-oder unterschreitet. Handelt es sich um höhere
Spannungswerte, ist die Überwachungsschaltung galvanisch vom eigentlichen Steuerkreis (z. B. zu über- wachendes Netz) zu trennen. Man verwendet häufig an Stelle der elektromechanischen Relais (z. B. Un- ter-oder Überspannungsrelais) auch elektronische Kippschaltungen, sogenannte Schwellwertschalter, als Überwachungsorgane. Sie weisen grosse Vorteile hinsichtlich Leistungsaufnahme, Steuerleistung und Ver- sorgungsspannung auf.
Ausserdem sind sie kontaktlos, also nicht erschütterungsempfindlich. Der charakteristische Vertreter dieser Schaltungsgruppe ist dertransistorisierte Schmitt-Trigger. Er ist eine sogenannte bistabile Schaltung und besteht im wesentlichen aus zwei Emitter gekoppelten Transistoren. Überschreitet cie Eingangsgrösse einen eingestellten Wert-den Ansprechwert-, kippt die Schaltung in den zweiten stabilen Zustand. Sinkt die Eingangsgrösse wieder unter den eingestellten Wert, nimmt die Schaltung ihren Ausgangszustand wieder ein. Demzufolge entsteht aus einer angelegten Sinusspannung am Ausgang der Schaltung eine Rechteckimpulsfolge. Die" Lücken" dieser Folge stören aber stark bei einer eventuellen logischen Weiterverknüpfung.
Sie können je nach Einstellwert und Wechselspannungsamplitude nahezu der Zeitdauer einer Halbwelle der Eingangsgrösse entsprechen. Schaltet man eine Impulsver1ängererstufe nach, kann man diese Lücken verkleinern. Als Impulsverlängererstufe wird meist eine sogenannte monostabile Kippschaltung mit RC-Kopplung verwendet. Diese Schaltung hat die Eigenschaft, einmal ausgelöst, nach Ablauf einer definierten Zeit unabhängig vom Eingangssignal wieder in den Ausgangszustand zurückzukehren. Infolge ihrer endlich kleinen Wiederbereitmachungszeit können die Lücken nicht vollkommen beseitigt werden.
Ein weiterer Nachteil einer solchen Impulsverlängerung ist folgender : Durch die RC-Kopplung ist die Dauer des Zeitablaufes der monostabilen Kippschaltung und damit die Impulslänge festgelegt. Die Gesamtschaltung ist so nur für eine bestimmte Frequenz der Eingangsgrösse verwendbar. In der Reaktortechnik z. B. ist es aber oft erforderlich, unabhängig von der in weiten Grenzen sich ändernden Frequenz, das Über- oder Unterschreiten eines eingestellten Ansprechwertes zu kontrollieren. Eine Lösung, die dieser Forderung teilweise gerecht wird, ist folgende :
Eine Kippschaltung erzeugt aus der Wechselstromgrösse eine Gleichstromimpulsfolge. Diese wird zur Steuerung einer Brückenschaltung verwendet, in deren Diagonalzweig ein Übertrager liegt.
Am Ausgang des Übertragers entsteht so im Takt der Gleichstromimpulsfolge eine Wechselstromimpulsfolge. Diese wird gleichgerichtet und stellt das eigentliche Ausgangssignal dar. Bei diesem Lösungsweg ist also neben dem Eingangsübertrager ein weiterer Übertrager erforderlich, der für die unterste Grenzfrequenz der Eingangsgrösse ausgelegt werden muss. Bei niedrigen unteren Grenzfrequenzen ist der erforderliche Eisenquerschnitt relativ gross. Demnach ist es nicht wirtschaftlich, zwei Übertrager zu verwenden. Ausserdem ist das Ausgangssignal auch hier nicht genau konstant. An den Berührungsstellen der gleichgerichteten Wechselstromimpulse treten infolge der endlichen Flankensteilheit Signaleinbrüche auf. Diese können leicht zu Fehlentscheiden führen.
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Es war also die Aufgabe zu lösen, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die folgende Forderun- gen erfüllt : 1. Frequenzunabhängigkeit, 2. konstantes Ausgangssignal bei Überschreiten des eingestellten
Ansprechwertes und 3. einstellbares Halteverhältnis und einstellbaren Ansprechwert.
Als Lösungsgrundlage kommt nur die Elektronik in Frage. Mit elektromagnetischen Relais lässt sich bei annehmbare Aufwand keine Frequenzunabhängigkeit erreichen. Ausserdem würden hier alle bekannten
Nachteile elektromechanischer Relais (Erschütterungsempfindlichkeit, Kontaktverschmutzung usw. ) auf- treten.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe wie folgt gelöst :
Durch zwei an sich bekannte Impulsformerstufen werden die positive und die negative Halbwelle der transformatorisch eingekoppelten Eingangsgrösse nach Überschreiten des eingestellten Ansprechwertes in
Rechteckimpulse. umgewandelt. Jededieser Impulsfolgen wird dem Eingang je eines dominierend löschen- den Speichers zugeführt. Gleichzeitig wird die Ausgangsgrösse bzw. die dazu inverse Grösse einer in den
Nulldurchgängen der Eingangsgrösse ansprechenden Kippschaltung über je ein richtungsabhängiges Diffe- renzierglied den Löscheingängen der oben genannten Speicher zugeführt.
Ein über logische Elemente mit den Ausgängen dieser Speicher verbundener, weiterer dominierend löschender Speicher erhält nur dann ei- nen bleibenden Speicherwert und gibt so lange ein konstantes Ausgangssignal ab, wie in der positiven und in der negativen Halbwelle der Ansprechwert der Impulsformerstufen überschritten wurde. Die Ausgänge der den Impulsformerstufen nachgeschalteten Speicher sind jeweils mit dem Eingang eines Und-Gatters bzw. dem eines negierenden Oder-Gatters verbunden. Der Ausgang des Und-Gatters ist an den Eingang und der Ausgang des negierenden Oder-Gatters an den Löscheingang eines weiteren Speichers angeschlos- sen. Durch eine geeignete Rückführung der Speichersignale auf den Eingang der Impulsformerstufen kann das Halteverhältnis der Anordnung eingestellt werden.
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her erläutert werden.
Dabei stellt Fig. 1 das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung (gestrichelt die Rückführung zur Be- einflussung des Halteverhältnisses) dar. Darin bedeuten 1, 1' ImpulsformerstUfen mit einstellbaren Ansprechwerten, l"eine Impulsformerstufe in den Nulldurchgängen ansprechend, 2 einen dominierend löschenden Speicher, 3 ein Und-Gatter, 4 einen dominierend löschenden Speicher, 5,6 Differenzierglieder (richtungsunabhängig), 7 ein negierendes Oder-Gatter, 8 einen dominierend löschenden Speicher und 9 die Endstufe.
Fig. 2 zeigt den Kurvenverlauf an den wichtigsten Baugruppen (der Index bezeichnet die Baugruppennummer, z. B. E ist Eingang der Baugruppe 2), u. zw. die Kurve a) an der Impulsformerstufe 1" in den Nulldurchgängen ansprechend, die Kurve b) an der Impulsformerstufe mit einstellbarem Ansprechwert, die Kurve c) am Speicher 2, die Kurve d) am Speicher 4 und die Kurve e) am Speicher 8.
Die Eingangsgrösse wird über einen in Fig. 1 nicht dargestellten Übertrager mit nachfolgender Gleichrichtung den Impulsformerstufen 1, 1', 1" zugeführt. Die Polung ist im Ausführungsbeispiel so gewählt, dass bei einer positiven Polarität der Eingangsgrösse der Impulsformerstufe 1 am Eingang der Impulsformerstufe l"die gleiche und am Eingang der Impulsformerstufe l'die negative Polarität auftritt.
Im Ruhezustand gibt die Stufe l"eine Impulsfolge Ai, bzw. Ai" [ (Fig. 2a) nid bu entsprechend den Nulldurchgängen der Eingangsgrösse ab. Die Speicher 2 bzw. 4 erhalten über die richtungsabhängigen Differenzierglieder 5 bzw. 6 ein Löschsignal. Dieses Signal ist aus den Vorderflanken der Impulse abgeleitet. Die Speicher 2 und 4 haben Nullsignal am Ausgang. An dem Und- Gatter 3 ist demnach die" Und"- Bedingung nicht erfüllt. Sein Ausgangssignal ist Null ; der Speicher 8 kann also nichts einspeichern. Ausserdem ist am Gatter7 die"Oder"-Bedingung nicht erfüllt. Der Speicher 8 hat also L- Signal am Löscheingang L. Am Speicherausgang herrscht Null-Signal, und die Endstufe 9 ist nicht ausgesteuert.
Wird der Ansprechwert Ug der Impulsformerstufe 1 überschritten, erscheint Al am Eingang des Speichers 2 (Fig. 2c). Bis zum Erscheinen des Löschimpulses As am Ende der Periode hat der Speicher 2 also L-Signal am Ausgang. Während dieser Zeit ist die Oder-Bedingung am Gatter 7 erfüllt. Infolge der Negation erscheint Null-Signal am Ausgang. Der Speicher 8 ist also in der Zeit 0 < t < '11'aufnahmebereit.
Nach einer Zeit 1T < t < 2, in wird auch der Ansprechwert der Impulsformerstufe l'erreicht. Der Speicher 4 hat demnach bis zum Erscheinen des Löschimpulses A6 nach Tr < t < 3 r L-Signal (Fig. 2d). Für die Dauer von Tr < t= 2'11'ist also die Und-Bedingung am Ausgang des Gatters 3 erfüllt (A und A4 liegen an). An seinem Ausgang trittdas L-Signal Ag auf. Der Speicher 8 wird eingespeichert und die Endstufe ausgesteuert. Solange die Impulsformerstufen 1 und l'ansprechen, ist die Oder-Bedingung für Gatter 7 immer erfüllt (entweder A oder A4 vorhanden). Am Ausgang tritt infolge der Negation Null-Signal auf.
Der Speicher 8 wird nicht gelöscht ; die Endstufe 9 bleibt ausgesteuert.
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Unterschreitet eine der Halbwellen den eingestellten Ansprechwert der entsprechenden Impulsformer- stufe, wird der jeweilige nachgeschaltete Speicher wieder gelöscht. Die Oder-Bedingung an 7 ist nicht mehr erfüllt, und demzufolge erhält der Speicher 8 Löschsignal. Die Endstufe fällt in die Ausgangslage zurück. Den Ansprechwert der Anordnung stellt man in allgemein bekannter Weise an den Impulsformer- stufen 1 bzw. l'ein. Da diese selbst zum Stande der Technik zu rechnen sind, wurden sie nicht näher erläutert. Das gleiche gilt für die übrigen logischen Elemente.
Soll das Halteverhältnis der Anordnung eingestellt werden, ist die in Fig. 1 gestrichelt gezeichne- te Rückführung über einen entsprechenden Widerstand auszuführen.
Die Erläuterung erfolgte nur für eine Maximalwertüberwachung. Analog lässt sie sich aber auch auf eine Minimalwertüberwachung anwenden.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Überwachung von Maximal-bzw. Minimal-Werten der Wechselstromgrö- sse eines von der Schaltungsanordnung galvanisch getrennten Steuerkreises, dadurch gekennzeichnet, dass für die frequenzunabhängige Erfassung dieser Werte die von den positiven und negativen Halbwellen der
Wechselstromgrösse durch zwei Impulsformerstufen (1 bzw. l') abgeleiteten Rechteckimpulsfolgen den
Eingängen der dominierend löschenden Speicher (2 bzw. 4) zugeführt werden und gleichzeitig die Aus- gangsgrösse (A bzw. die dazu inverse A) der in den Null-Durchgängen der Wechselstromgrösse ansprechen- den weiteren Impulsformerstufe (1") über richtungsabhängige Differenzierglieder (5 bzw. 6) an die
Löscheingänge eines Speichers (2 bzw.
4) gelangen und dass nur dann über die nachgeschalteten logischen
Verknüpfungsglieder (3 ; 7) ein dominierend löschender Speicher (8) einen bleibenden Speicherwert er- hält und damit ein konstantes L-Signal abgibt, wenn in der positiven und in der negativen Halbwelle der
Schwellwert der Glieder (1 bzw. 1') überschritten wurde.