DE1926185C - Circuit arrangement for transformerless transmission and conversion of an alternating voltage into a direct voltage that can be measured from a reference potential - Google Patents

Description

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Bei statischen Umformern und Schaltern sowie bei Stromkreisen mit einer Verstellimpedanz stellt sich oft die Aufgabe, daß eine Wechselspannung, die an einem Stromkreiselement der Schaltung ansteht, für meß- und regeltechnische Zwecke in eine proportio- <>5 nale Gleichspannung umgewandelt werden soll. Der Erfassung der Wechselspannung steht meistens aber die Schwierigkeit entgegen, daß nicht, was meßtechnisch günstig wäre, das betreffende Stromkreiselement, sondern ein anderes Stromkreiselemept an einem für die Messung geeigneten Bezugspotential, beispielsweise am Mittelpunktsleiier eines Wechselstromnetzes, direkt angeschlossen ist. Die am betreffenden Stromkreiselement entstehende Wechselspannung kann zwar ausgehend vom Bezugspotential durch Differenzbildung der Wechselspannungen an der Reihenschaltung der beiden Stromkreiselemente und an dem Stromkreiselement, das am Bezugspotential direkt angeschlossen ist, erfaßt werden. Diese Methode ist jedoch nicht zweckmäßig.In the case of static converters and switches, as well as circuits with a variable impedance, the task often arises that an alternating voltage that is applied to a circuit element of the circuit is to be converted into a proportional <> 5 nal direct voltage for measurement and control purposes. The detection of the alternating voltage is mostly opposed to the difficulty that it is not the circuit element in question, which would be advantageous in terms of measurement, but another circuit element that is directly connected to a reference potential suitable for the measurement, for example to the midpoint of an alternating current network. The alternating voltage generated at the relevant circuit element can be detected starting from the reference potential by forming the difference between the alternating voltages on the series connection of the two circuit elements and on the circuit element that is directly connected to the reference potential. However, this method is not practical.

Auch die anschlußmäßige Vertauschung der beiden Stromkreiselemente ist nicht immer zweckmäßig, besonders dann nicht, wenn das andere Stromkreiselement ebenfalls meßtechniscii erfaßt werden soll.The interchanging of the two circuit elements is not always useful either. especially not if the other circuit element is also to be measured.

Eine aus der deutschen Patentschrift 1091230 bekannte Lösung dieser meßtechnischen Aufgabe besteht nun darin, die Wechselspannung oder auch den Wechselstrom eines nicht an ein Bezugspotential angeschlossenen Stromkreiselementes mittels transformatorischer Meßwandler in einen potenüalfreien Stromkreis (Sekundärstromkreis), der an das Bezugspotential direkt angeschlossen werden kann, zu übertragen und mittels einer geeigneten Umformemrichtung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Eine Gleichspannung, die z. B. dem arithmetischen zeitlichen Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung proportional ist, läßt sich bekanntlich mit Hilfe eines Gleichrichters und eines dem Gleichrichter nachgeschalteten Integriergliedes, vorzugsweise einer KC-Schaltung herstellen, bei der die Lade- und Entladezeitkonstante etwa gleich groß sind.One from German patent specification 1091230 known solution of this metrological problem is now the alternating voltage or the Alternating current of a circuit element not connected to a reference potential by means of a transformer To transfer the transducer into a potential-free circuit (secondary circuit), which can be connected directly to the reference potential and to convert it into a direct voltage by means of a suitable converter. One DC voltage z. B. the arithmetic temporal Mean value of the rectified AC voltage is proportional, can be known with the help a rectifier and an integrating element connected downstream of the rectifier, preferably one Establish a KC circuit in which the charge and discharge time constant are about the same size.

Von diesen bekannten Mitteln zur Herstellung einer Gleichspannung, die dem arithmetischen Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung proportional ist, macht auch die Erfindung Gebrauch. Der Erfindung liegt jedoch die Aufgabe zugrunde, eine Schallungsanordnung zur tr?nsformatorlosen übertragung und Umformung einer Wechselspannung in eine von einem Bezugspotential aus meßbare Gleichspannung zu schaffen. Diese Gleichspannung kann beispielsweise dem Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung proportional sein.Of these known means for producing a DC voltage, which is the arithmetic mean is proportional to the rectified AC voltage, the invention also makes use. The invention however, the underlying task is to provide a sound arrangement for transmission without a transformer and converting an alternating voltage into a direct voltage measurable from a reference potential to accomplish. This direct voltage can, for example, be the mean value of the rectified alternating voltage be proportional.

Bei durch Phasenanschnitt gesteuerten Umformern, z. B. Wechselrichtern und Wechselstromstellern, wird in jeder Wechselspannungsperiode wenigstens je einmal ein Stellglied geschaltet, so daß der Mittelwert zwangläufig auf eine Periode der Wechselspannung bezogen ist. Bei Wechselstromschaltern hingegen werden zusammenhängende volle Schwingungszüge der Speisewechselspannung mit einem wählbaren Taktverhältnis auf einen Verbraucher geschaltet, wobei in jedem Nulldurchgang der Wechselspannung ein Stellglied geschaltet wird, so daß hier der Mittelwert auf eine Taktperiode bezogen wird.In the case of converters controlled by phase control, e.g. B. inverters and AC power converters an actuator is switched at least once in each alternating voltage period, so that the mean value is necessarily related to a period of the alternating voltage. In the case of AC switches, however, Contiguous full oscillation of the alternating supply voltage with a selectable cycle ratio switched to a consumer, with an actuator in each zero crossing of the alternating voltage is switched so that here the mean value is related to a clock period.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur transformatorlosen übertragung und Umformung einer in einem Stromkreis auftretenden Wechselspannung in eine von einem Bezugspotential des Stromkreises aus meßbare Gleichspannung, in welchem Stromkreis ein Verbraucher über einen statischen Umformer, einen Schalter oder eine Verstellimpedanz an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, die Wechselspannung jedoch nicht von dem Bezugspotential aus direkt abgreifbar ist, unter Verwendung eines Gleichrichters und eines RC-Integriergliedes. The invention relates to a circuit arrangement for transformerless transmission and Conversion of an alternating voltage occurring in a circuit into one of a reference potential of the circuit from measurable DC voltage, in which circuit a consumer via a static converter, a switch or a variable impedance connected to an AC power source is, however, the AC voltage cannot be tapped off directly from the reference potential, using a rectifier and an RC integrator.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen im Nebenschluß der Reihenschaltung aus statischem Umformer, Schalter oder Verstellimpedanz und Verbraucher über eine Gleichrichterdiode geschalteten Spannungsteiler aus zwei ohmschen Widerständen, von denen der eine Widerstand eine Nebenschlußkapazität hat und am Bezugspotential wie auch am statischen Umformer, am Schalter oder an der Verstellimpedanz angeschlossen ist und durch einen zwischen der Verbindung der Spannungsteilerwiderstände und der Verbindung des statischen Umformers, des Schalters oder der Verstellimpedanz und des Verbrauchers liegenden einseitig leitender Strompfad, der einen Widerstand und eine zweite gleichsinnig gepolte Gleichrichterdiode enthält.The circuit arrangement is to solve the problem according to the invention characterized by a shunt of the series circuit static converter, switch or adjustment impedance and consumer switched via a rectifier diode Voltage divider made up of two ohmic resistors, one of which has a shunt capacitance and on the reference potential as well as on the static converter, on the switch or on the Verstellimpedanz is connected and through one between the connection of the voltage divider resistors and the connection of the static converter, the switch or the adjustment impedance and the consumer lying one-sided conductive current path, one resistor and a second in the same direction Contains polarized rectifier diode.

Um an der Nebenschlußkapazität e^;ne Gleichspannurtg proportional der Wechselspannung zu erhalten, sind gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Widerstände und die Kapazität der Schallufigsanordnung derart bemessen, daß der Spannungstcüerwiderstand, der die Nebenschlußkapazität hat, im Vergleich zum zweiten Spannungsteilerwiderstand und zum Widerstand des einseitig leitenden Strompfades niederohmig ist und daß ferner die Zeitkonstante des Nebenschluß-/?C-Gliedes groß ist im Vergleich zur Wechselspannungsperiode. Vorzugsweise sind der zweite Spannungsteilerwiderstand und der Widerstand des einseitig leitenden Strompfades gieichwejtighochohmig.To at the shunt capacitance e ^; ne DC voltage belt proportional to the alternating voltage, according to a further embodiment of the invention, the resistances and the capacitance of the sound system are dimensioned in such a way that the voltage divider resistor, which has the shunt capacitance, is low in comparison to the second voltage divider resistor and the resistance of the unilaterally conductive current path and that Furthermore, the time constant of the shunt /? C element is large compared to the AC voltage period. The second voltage divider resistor and the resistor of the current path which is conductive on one side are preferably equally high-ohmic.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles, dargestellt in der Zeichnung, n;i her erläutert.The invention is described below using an exemplary embodiment, shown in the drawing, n; i her explained.

Die Zeichnung zeigt die Schaltungsanordnung zur Übertragung und Umformung der Verbraucherwechselspannung in eine vom Mittelpunktsleiter eines Dreiphasennetzes aus meßbare, der Verbraucherspannung proportionale Gleichspannung bei einem als Wechselstromsteller arbeitenden Umformer mit zwei gei!cnparallelgcachalteten Thyristoren, der in Reihe mit einem Verbraucher an eine Phase des Dreiphasennetzes angeschlossen ist. In der Zeichnung sind d>e Hauptstromkreise mit dem Wechselstromsteller und dem Verbraucher stärker herausgezeichnet als die Schaltungsanordnung für die Meßspannung.The drawing shows the circuit arrangement for the transmission and conversion of the AC consumer voltage into a load voltage that can be measured from the neutral conductor of a three-phase network proportional DC voltage with a converter working as an AC power controller with two thyristors connected in parallel, the series is connected to one phase of the three-phase network with a consumer. In the drawing are d> e main circuits with the AC power controller and the consumer are more prominent than the circuit arrangement for the measuring voltage.

Hine Reihenschaltung mit einer Gegenparallelschaltung aus zwei Thyristoren 1,-2 und einem Verbraucher 3, die zwischen der Phase P eines Wechselstromnctzes und dem Mittelpunktleiter MPL des Netzes angeschlossen ist, bildet den Hauptstiomkreis. Die Gegenparallelschaltung der Thyristoren arbeitet, wie schon erwähnt, als Wechselstromsteller. Bei dieser Schaltungsanordnung wird das Potential des Mittelpunktleiters als Bezugspotential für meßtechnische Zwecke ausgenutzt, und es soll die Wechselspannung am Verbraucher 3 in eine dem Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung proportionale Gleichspannung umgeformt und an ein Stromkreiselement der Schaltung übertragen werden, das mit dem Mittelpunktleiter direkt verbunden ist, damit die Gleichspannung von diesem Bezugspotential aus gemessen werden kann. Dazu dient die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. Sie besteht aus einem ohmschen Spannungsteiler 5,6, der über eine Gleichrichterdiode 4 zwischen der Phase P und dem Mittelpunktleiter MPL angeschlossen ist, ferner einer Kapazität 7 im Nebenschluß des Spannungsteilerwiderstandes 6 und, zwischen der Verbindung der Spannungsteilcrwiderstände und der Verbindung A des Wechselstromstellers mit dem Verbraucher angeschlossen, einen einseitig leitenden Strompfad mit einer Gleichrichterdiodc 8 und einem Widerstand 9, der einen Strom nur in Richtung zur Verbindung A durchläßtA series connection with a counter-parallel connection of two thyristors 1, -2 and a load 3, which is connected between the phase P of an alternating current network and the midpoint conductor MPL of the network, forms the main circuit. The counter-parallel connection of the thyristors works, as already mentioned, as an alternating current controller. In this circuit arrangement, the potential of the neutral point conductor is used as a reference potential for measurement purposes, and the AC voltage at load 3 is to be converted into a DC voltage proportional to the mean value of the rectified AC voltage and transmitted to a circuit element of the circuit that is directly connected to the neutral point conductor. so that the DC voltage can be measured from this reference potential. The circuit arrangement according to the invention is used for this purpose. It consists of an ohmic voltage divider 5.6, which is connected via a rectifier diode 4 between the phase P and the neutral conductor MPL , also a capacitance 7 in the shunt of the voltage divider resistor 6 and, between the connection of the voltage divider resistors and the connection A of the AC power controller with the Connected consumer, a one-sided conductive current path with a rectifier diode 8 and a resistor 9, which allows a current only in the direction of connection A.

Von den Widerständen der Anordnung sind der Spannungsteilerwiderstand 5 und der Widerstand 9 im Querstrompfad hochohmig, z. B. einige hundert kOhm und gleich groß. Der Spannungsteilerwiderstand 6 ist niederohmig gegenüber diesen Widerständen, jedoch groß gegenüber dem Verbraucherwiderstand 3. Für das Laden und Entladen der Kapazität 7 ist bei diesem Spannungsteiler die Zeitkonstante A₆C₇ des Parallel-RC-Gliedes maßgeblich. Diese Zeitkonstante soll groß sein gegenüber der Periodendauer des Netzes. Da die Zeitkonstanten für das Laden und Entladen der Kapazität 7 gleich groß sine¹, würde ohne den Querstrompfad 8, 9 bekanntlich eine Gleichspannung an der Kapazität 7 gebildet werden, die dem Mittelwert der Wechselspannung zwischen P und MPL proportional wäre. Infolge des einseitig leitenden Strompfades 8, 9 kann sich aber an der Kapazität 7, solange die Thyristoren 1 und 2 sperren, keine Ladung summieren, da dann praktisch am Kondensator eine reine symmetrische Wechselspannung liegt. Solange also kein Verbraucherstrom fließt und keine Spannung am Verbraucher 3 ansteht, entsteht am Parallel-RC-Glied keine Spannung. Sind aber die Thyristoren 1 und 2 stromdurchlässig, so nimmt der Punkt A zwischen dem Wechselstromsteller 1, 2 und dem Verbraucher 3 ständig etwa das Potential des Mittelpunktleiters MPL an. Zum Parallel-RC-Glied 6, 7 ist dann der Widerstand 9 ständig parallel geschaltet. Während Thyristor 2 stromdurchlässig ist, ändert sich dadurch an der Spannungsteilung im wesentlichen nichts. Ist dagegen der Thyristor 1 stromdurchlässig, dann sind die Gleichrichterdioden 4 und 8 durch die Verbraucherspannung gesperrt, und die Kapazität 7 kann sich nur über den Widerstand 6 entladen. Die Zeitkonstante R₆ C₇ ist aber im vorliegenden Fall groß gegenüber der der Wechselspannungsperiode gewählt, so daß mit jeder Halbperiode, in der der Thyristor 2 den Verbraucherstrom führt, die Spannung am Parallel-RC-Glied 6, 7 mit der angedeuteten Polarität etwas zunimmt, bis schließlich nach einer bestimmten Anzahl von Wechselstrompcrioden die Spannung stationär wird mit einer Größe, die im Verhältnis der Spannungsteilung den Mittelwert der Verbraucherwechselspannung proportional ist.Of the resistors of the arrangement, the voltage divider resistor 5 and the resistor 9 in the cross-current path are high resistance, z. B. a few hundred kOhm and the same size. The voltage divider resistor 6 has a low resistance to these resistors, but is large compared to the consumer resistor 3. The time constant A ₆ C _{7 of} the parallel RC element is decisive for charging and discharging the capacitance 7 in this voltage divider. This time constant should be large compared to the period of the network. Since the time constants for charging and discharging the capacitance 7 are equal to ¹ , without the cross-current path 8, 9, as is known, a direct voltage would be formed across the capacitance 7, which would be proportional to the mean value of the alternating voltage between P and MPL. As a result of the current path 8, 9 conducting on one side, however, no charge can accumulate on the capacitance 7 as long as the thyristors 1 and 2 block, since then there is practically a purely symmetrical alternating voltage on the capacitor. So as long as there is no load current flowing and no voltage is present at load 3, no voltage is generated on the parallel RC element. If, however, the thyristors 1 and 2 are current-permeable, point A between the alternating current controller 1, 2 and the consumer 3 constantly assumes approximately the potential of the midpoint conductor MPL. The resistor 9 is then constantly connected in parallel with the parallel RC element 6, 7. While thyristor 2 is current-permeable, this changes essentially nothing in the voltage division. If, on the other hand, the thyristor 1 is current-permeable, the rectifier diodes 4 and 8 are blocked by the consumer voltage, and the capacitance 7 can only discharge via the resistor 6. The time constant R ₆ C ₇ in the present case is large compared to that of the alternating voltage period, so that with each half period in which the thyristor 2 carries the consumer current, the voltage at the parallel RC element 6, 7 increases slightly with the indicated polarity , until finally, after a certain number of alternating current periods, the voltage becomes stationary with a magnitude that is proportional to the mean value of the consumer alternating voltage in the ratio of the voltage division.

Der Proportionalitätsfaktor bestimmt sich in erster Näherung aus den Voraussetzungen, daßThe proportionality factor is determined as a first approximation from the assumptions that

R₅ =R ₅ =

R₃ R ₃

R₆C₁ > T,R ₆ C ₁ > T,

worin R ν die Widerstandswerte der mit den Bezugszeichen )· bezeichneten Widerstände, C₇ die Größe der Nebenschlußkapazität 7 und T die Dauer einer Wechselstromperiode bedeuten.where R ν denotes the resistance values of the resistors denoted by the reference symbols), C ₇ denotes the size of the shunt capacitance 7 and T denotes the duration of an alternating current period.

Es folgt daraus, daß im Stromzweig 4,5 ein Gleichstrom It follows that there is a direct current in the branch 4.5

Z₁ = 1/2 ·Z ₁ = 1/2

UwEtc.

5 * 65 * 6

and im Querstromzweig 8, 9 ein Gleichstrom ergibt sich bei positiver Spannung an der Phase P derand in the cross-flow branch 8, 9 a direct current is produced with a positive voltage at the phase P of

Stromelectricity

R₅T ⁼ R₅TR ₅ T ⁼ R ₅ T

fließt, so daß im Widerstand 6 der Gleichstrom _{und be}[ positiver Spannung am Mittelpunktleiter MPL flows, so that in resistor 6 the direct current _{and be} [ positive voltage at the center conductor MPL

. der Strom . The current

beträgt, welcher eine Meßspannung ^I0 _{so daß sicn rür eine} gesamte Wechselstromperiodeis, which is a measuring voltage ^I0 _{so that sicn for an} entire alternating current period

\ ο der Strom\ ο the electricity

U = I · IL. = · U U = I * IL. = · U

⁵ - / ₌ /.JJZ-Ll ₌ ^^{3 5} - / ₌ /.JJZ-Ll ₌ ^ ³

hervorruft. '5 ·* ^{2 4/?5}'evokes. '5 * ^{2 4 /? 5} '

Um Fehler infolge nicht genau gleicher Widerstände _{ibu welcher am widerstand 6 e}ine MeßspannungAbout errors due to not exactly the same resistances _{ibu which at the} resistor 6 a measuring voltage

R₅, R₉ zu vermindern, kann zwischen dem Querstrompfad 8, 9 und dem RC-Glied 6, 7 ein zusatz- K₆ licher Spannungsteilerwiderstand 5' eingefügt werden. ^m ⁼ ^pp " ^3 Unter der Voraussetzung, daß R₅, R₆ < R₅, sind, 20 erzeugt. ⁵'To reduce R ₅ , R _{9 , an additional K 6} Licher voltage divider resistor 5 'can be inserted between the cross-current path 8, 9 and the RC element 6, 7. ^ m ⁼ ^ pp "^ 3 Assuming that R ₅ , R ₆ <R ₅ , generate 20. ⁵ '

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Schaltungsanordnung zur transformatorlosen Übertragung und Umformung einer in einem Stromkreis auftretenden Wechselspannung in eine won einem Bezugspotential des Stromkreises aus meßbare Gleichspannung, in welchem Stromkreis ein Verbraucher über einen statischen Umformer, einen Schalter oder eine Verstellimpedanz an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, die Wechselspannung jedoch nicht von dem Bezugspotential aus direkt abgreifbar ist, unter Verwendung eines Gleichrichters und eines RC-Integriergliedes, gekennzeichnet durch einen im Nebenschluß der Reihenschaltung aus statischem Umformer, Schalter oder Versteuimpedanz (1,2) und Verbraucher (3) über eine Gleichrichterdiode (4) geschalteten Spannungsteiler aus zwei ohmschen Widerständen (5,6), von denen der eine Widerstand (6) eine NebenschlußkapaTität (7) hat. am Bezugspotential (MPL) wie auch am statischen Umformer, am Schalter oder an der Verstellimpedanz (1, 2) angeschlossen ist und durch einen zwischen der Verbindung der Spannungsteilerwiderstände (5,6) und der Verbindung (A) des statischen Umformers, des Schalters oder der Verstellimpedanz (1, 2) und des Verbrauchers (3) liegenden einseitig leitenden Strompfad, der einen Widerstand (9) und eine zweite gleichsinnig gepolte Gleichrichterdiode (8) enthält.1. A circuit arrangement for transformer-free transmission, and forming an alternating voltage occurring in a circuit in a won a reference potential of the circuit from measurable DC voltage, in which circuit a consumer via a static converter, a switch or a variable impedance is connected to an AC power source, but the alternating voltage is not can be tapped directly from the reference potential, using a rectifier and an RC integrator, characterized by a voltage divider connected via a rectifier diode (4) in the series connection of static converter, switch or control impedance (1,2) and consumer (3) from two ohmic resistors (5,6), one of which has a resistor (6) a shunt capacity (7). is connected to the reference potential (MPL) as well as to the static converter, to the switch or to the adjustment impedance (1, 2) and by a between the connection of the voltage divider resistors (5,6) and the connection (A) of the static converter, the switch or the adjustment impedance (1, 2) and the load (3) lying on one side conductive current path, which contains a resistor (9) and a second rectifier diode (8) polarized in the same direction. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteilerwiderstand (6), der die Nebenschlußkapazität (7) hat, im Vergleich zum zweiten Spannungsteilerwiderstand (5) und zum Widerstand (9) des einseitig leitenden Strompfades niederohmig ist und daß ferner die Zeitkonstante des NebenschlußßC-Gliedes (6, 7) groß ist im Vergleich zur Wechselspannungsperiode oder zur Taktperiode eines Wechselstromschalters.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the voltage divider resistor (6) which has the shunt capacitance (7) compared to the second voltage divider resistor (5) and to the resistor (9) of the one-sided conductive current path is low and that also the time constant of the shunt C-element (6, 7) is large compared to the AC voltage period or the clock period of a AC switch. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spannungsteilerwiderstand (5) und der Widerstand (9) des einseitig leitenden Strompfades gleich große Widerstandswerte haben.3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the second voltage divider resistor (5) and the resistor (9) of the unilaterally conductive current path have the same resistance values to have. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verbindungspunkt des zweiten Spannungsteilerwiderstandes (5) mit dem Widerstand (9) des einseitig leitenden Strompfades und dem Verbindungspunkt des ersten Spannungsteilerwiderstandes (6) mit der Nebenschlußkapazität (7) ein weiterer Widerstand (5') eingefügt ist, dessen Widerstandswert gegenüber dem des zweiten Spannungsteilerwider-Standes (5) groß ist.4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that between the connection point of the second voltage divider resistor (5) with the resistor (9) of the one-sided conductive current path and the connection point of the first voltage divider resistor (6) the shunt capacitance (7) a further resistor (5 ') is inserted whose resistance value compared to that of the second voltage divider resistor (5) is large.