DE19600073C2 - Anordnung zum gesteuerten Ein- und/oder Ausschalten von induktiven und/oder kapazitiven Elementen in Wechselspannungsnetzen hoher Spannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum gesteuerten Ein- und/oder Ausschalten von induktiven und/oder kapazitiven Elementen in Wechselspannungsnetzen hoher Spannung mittels eines Hochspannungsschalters, dessen Antrieb durch einen Schaltbefehl in Verknüpfung mit mindestens einem Signal einer Detektorschaltung gesteuert wird, der die Hochspannung zugeführt wird, und die ein Auslöseorgan für die Schalterbetätigung bei Vorliegen eines Schaltbefehls zu einem bestimmten Schaltzeitpunkt freigibt.

Eine Anordnung der vorstehend beschriebenen Art ist bereits bekannt (EP 0 222 727 B1). Mit der bekannten Anordnung kann ein ein- oder mehrphasiger Leistungsschalter zu einem Zeitpunkt geschaltet werden, der für die Minimierung von Netzrückwirkungen der ein- bzw. ausgeschalteten Elemente wie Transformatoren oder Kondensatoren bzw. induktiver oder kapazitiver Lasten am günstigsten ist. Der Schaltzeitpunkt wird mit wenigstens einer Detektorschaltung und einer dieser nachgeschalteten Zeitstufe vorgegeben, die ein verzögertes Ausgangssignal erzeugt, dessen Zeitverzögerung einstellbar ist. Die Detektorschaltung stellt den Spannungsnulldurchgang der Hochspannung fest. Die Zeitstufe wird so eingestellt, daß Schaltverzögerungen des Leistungsschalters nicht zur Verschiebung der Schalteröffnung- bzw. Schließung im Span­ nungsmaximum bzw. im Stromnulldurchgang führen. Bei einem mehrphasigen Hochspannungsschalter können die einzelnen Schalterpole zu unterschiedlichen Zeitpunkten geschaltet werden.

Bei der bekannten Anordnung ist der Einschaltspule des jeweiligen Hochspannungsschalters eine aus einem Thyristor bestehende Torschaltung vorgeschaltet, dem die Serienschaltung eines Kondensators und eines Widerstands parallelgeschaltet ist. Der Anode des Thyristors wird bei einem Schaltbefehl eine Spannung von 220 V zugeführt. Die Gate-Elektrode des Thyristors ist über einen Optokoppler an die Zeitschaltung angeschlossen.

Die Sekundärstromkreise, zu denen die Einschaltspulen und die Thyristoren gehören, müssen bestimmten Normen genügen. In der für Hochspannungs-Schaltgeräte gültigen Norm IEC 694 ist festgelegt, daß die Sekundärstromkreise einem Kurzschlußstrom von 100 A über 30 ms standhalten müssen. Im Falle eines Kurzschlusses der Einschaltspule oder der Zuleitungen zur Spule wird der Thyristor mit diesem hohen Kurzschlußstrom des Sekundärkreises beansprucht. Das bedingt, daß aufwendige Thyristoren eingesetzt werden müssen, um diese Norm zu erfüllen. Neben einem hohen Preis haben derartige Thyristoren die weiteren Nachteile, daß sie sehr viel Platz beanspruchen und mit Schraubanschlüssen anstelle von Lötanschlüssen versehen sind, was zusätzliche Kosten verursacht. Weitere gravierende Nachteile sind, daß nicht nur der Thyristor selbst, sondern die gesamte Schaltung und damit auch die Leiterplatten, Steckverbinder usw. für den hohen Kurzschlußstrom bemessen werden müssen. Damit wird der Rahmen üblicher kostengünstiger elektronischer Schaltungen gesprengt.

In der deutschen Patentschrift DE 33 05 183 C2 ist eine Schutzschaltung gegen Überstrom beschrieben. Nach der Fig. 1 ist ein Meßwiderstand R1, ein Motor M und ein Leistungstransistor T in Serie an eine Kraftfahrzeug-Batterie mit einer Gleichspannung von 14,6 Volt angeschlossen. Überschreitet der Strom in der Serienschaltung einen ersten Wert, so wird der Leistungstransistor stromlos geschaltet. Durch wiederholtes, probeweises Einschalten des Leistungstransistors wird geprüft, ob der Strom einen zweiten Wert unterschreitet. Ist dies der Fall, so wird der Leistungstransistor wieder eingeschaltet, ansonsten verbleibt er stromlos.

In der DE 33 05 183 C2 stellt der Motor M die zu schaltende induktive Last dar, die unmittelbar von dem Leistungstransistor T geschaltet wird. Einen Hochspannungsschalter mit einem Auslöseorgan weist die DE 33 05 183 C2 nicht auf. Im Unterschied dazu wird bei der Anordnung der eingangs genannten Art das induktive und/oder kapazitive Element durch den Hochspannungsschalter und das Auslöseorgan geschaltet.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Anordnung zum gesteuerten Ein- und/oder Ausschalten von induktiven und/oder kapazitiven Elementen in Hochspannungsnetzen mittels Hochspannungsschaltern zu entwickeln, deren die Einschaltspulen steuernde Bauelemente vor unerwünscht hohen Strömen geschützt werden.

Das Problem wird bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Reihe mit einer Spule des Auslöseorgans ein Strommeßwiderstand und ein Transistor angeordnet sind, der zu dem bestimmten Schaltzeitpunkt leitend gesteuert wird, daß der über den Transistor fließende Strom durch eine Überwachungsschaltung erfaßt wird, und daß der Transistor bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts nichtleitend gesteuert wird. Bei Kurzschlüssen in den Stromwegen, die zwischen dem Transistor und dem einen Pol der Betriebsspannung auftreten, kann höchstens der Grenzwert des Stroms fließen, der den Transistor nicht zerstört. Bei Feststellung eines Überstroms wird der Transistor nichtleitend gesteuert, so daß der Stromfluß bis auf vernachlässigbar kleine Restströme unterbrochen wird.

Aufgrund der Strombegrenzung müssen die Stromwege über den Transistor nicht mehr für hohe Kurzschlußströme ausgelegt werden. Deshalb ist es möglich, die Stromwege als Leiterbahnen auf gedruckten Schaltungsplatinen anzuordnen, auf denen auch weitere Schaltungskomponenten wie der Transistor und der Strommeßwiderstand montiert werden können. Vorzugsweise ist deshalb der Transistor und der Strommeßwiderstand auf einer gedruckten Leiterplatte angeordnet. Eine solche Anordnung ist raumsparend und wirtschaftlich herstellbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Beginn des durch die Einschaltspule fließenden Stroms von einem Sensor erfaßt und die Dauer des Stromflusses von der Überwachungsschaltung mit einem vorab eingestellten Wert für die Stromdauer verglichen, bei dessen Überschreitung der Transistor nichtleitend gesteuert wird. Mit dieser Anordnung werden die Spulen des Hochspannungsschalterantriebs vor Überlastung geschützt.

Die Überwachungsschaltung enthält zweckmäßigerweise einen Mikrorechner, der über ein Flipflop an einen ersten und direkt an einen zweiten Komparator angeschlossen ist, wobei die Komparatoren je mit dem Strommeßwiderstand verbunden sind und jeweils am Referenzeingang mit einer auf den vorgegebenen maximalen Strom oder mit einer auf den Stromfluß über den Transistor und die Spule abgestimmten Referenzspannung beaufschlagt sind, und wobei der Mikrorechner mit Ausgängen an eine Anzeigeeinrichtung und an einen Rücksetzeingang des Flipflops sowie an eine Steuerschaltung für den Transistor angeschlossen ist. Mit dem Mikrorechner wird die Stromflußzeit überwacht. Falls diese den vorgegebenen Wert überschreitet, unterbricht der Mikrorechner die Steuerspannung für den Transistor, und erzeugt eine Meldung. Wenn durch einen Überstrom das Flipflop gesetzt ist, kann dieses über den Mikrorechner zurückgesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt ein Schaltbild einer Anordnung zum gesteuerten Ein- und/oder Ausschalten von induktiven und/oder kapazitiven Ele­ menten in Wechselspannungsnetzen hoher Spannung mittels eines Hoch­ spannungsschalters 1, von dem in der Zeichnung die Einschaltspule 2 näher dargestellt ist. Für eine Ausschaltspule wird eine der Figur ent­ sprechende Schaltung eingesetzt. Die Ein- und Ausschaltspulen gehören insbesondere zu einem Leistungsschalter mit Federspeicherantrieb.

Ein Schaltbefehl für den Hochspannungsschalter 1 ruft auf einer Leitung 3 eine Spannung hervor, die der Nennspannung der Spule 2 entspricht. An die Leitung 3 ist ein Anschluß der Spule 2 gelegt. Der andere Anschluß ist mit dem Kollektor eines Transistors 4 verbunden, dessen Emitter über einen Strommeßwiderstand 5 an Masse gelegt ist. Eine Zenerdiode 6 ist parallel zu der Reihenschaltung der Kollektor- Emitter-Strecke des Transistors 4 und des Strommeßwiderstands 5 geschaltet.

Die Steuerelektrode des Transistors 4, z. B. eines IGBT's, ist mit dem Emitter eines Transistors 7 eines Optokopplers 8 verbunden. Der Transi­ stor 7 ist in Reihe mit einem Widerstand 9 im Kollektorkreis und mit ei­ nem Widerstand 10 im Emitterkreis an die Pole einer Betriebsspannungs­ quelle angeschlossen. Die Lumineszenzdiode 11 des Optokoplers ist an ein UND-Glied 12 angeschlossen, dessen einer Eingang von der Detektor­ schaltung 13 gespeist wird. Die Detektorschaltung 13 kann den aus der EP 0 222 727 B1 bekannten Aufbau haben, d. h. einen Spannungsdiskrimi­ nator, der über ein Eingangsfilter an einen Spannungswandler 14 einer Phase des Hochspannungsnetzes angeschlossen ist und dem eine Zeit­ stufe nachgeschaltet ist, die eine einstellbare Zeitverzögerung für Ein­ gangssignale aufweist.

Ein zweiter Eingang des UND-Glieds 12 ist an einen Ausgang eines Mi­ krorechners 15 angeschlossen. Der Mikrorechner 15 ist mit einem Aus­ gang an einen Optokoppler 16 angeschlossen, der mit dem Rücksetzein­ gang eines RS-Flipflops 17 verbunden ist. Das RS-Flipflop 17 ist mit dem Setzeingang an einen Komparator 18 angeschlossen, der mit einem Ein­ gang an den Emitter des Transistors 5 gelegt ist. Der andere Eingang des Komparators 18 steht mit einem Abgriff eines aus Widerständen 19, 20, 21 bestehenden Spannungsteilers in Verbindung. Die dem Komparator 18 vom Spannungsteiler zugeführte Referenzspannung ist auf einen Wert eingestellt, der einem Spannungsabfall entspricht, der von einem be­ stimmten, über den Widerstand 5 fließenden Strom entspricht. Dieser Strom ist größer als der für die Betätigung des Hochspannungsschalters 1 notwendige Strom aber kleiner als der zur Zerstörung oder Schädi­ gung des Transistors 4 führende Strom.

Der nichtinvertierende Ausgang des Flipflops 17 ist mit der Basis eines Transistors 22 verbunden, dessen Kollektor-Emitter-Strecke mit der Steuerelektrode des Transistors 4 und dem einen Anschluß des Wider­ stands 5 angeordnet ist, der an Massepotential gelegt ist. Der invertie­ rende Ausgang des Flipflops 17 ist mit einem Optokoppler 23 verbunden, dessen nicht näher bezeichneter Transistor an einen Eingang des Mikro­ rechners 15 angeschlossen ist.

Ein zweiter Komparator 24 ist mit einem Eingang an den Emitter des Transistors 4 und mit dem anderen Eingang an einen weiteren Abgriff des aus den Widerständen 19, 20, 21 bestehenden Spannungsteilers an­ geschlossen. Dem Komparator 24 wird vom Abgriff eine Referenzspannung zugeführt, der ein Spannungsabfall entspricht, die der über den Transi­ stor 4 fließende Strom zur Betätigung des Hochspannungsschalters am Widerstand 5 hervorruft. Die Referenzspannung des Komparators 24 ist daher kleiner als die Referenzspannung des Komparators 18. Der Aus­ gang des Komparators 24 ist über einen Optokoppler 25 mit einem Ein­ gang des Mikrorechners 15 verbunden. Der Mikrorechner 15 besitzt einen nicht näher dargestellten Zeitgeber (Timer), der durch das Signal beim Ansprechen des Komparators 24 angestoßen wird.

Wenn ein Einschaltbefehl für den Hochspannungsschalter 1 auftritt, wird dieser Befehl von der Detektorschaltung 13 zu einer bestimmten Zeit, die das Schalten des Hochspannungsschalters z. B. im Stromnulldurchgang auslöst, als Signal dem UND-Glied 12 zugeführt, das bei Vorliegen eines entsprechenden Signals aus dem Mikrorechner 15 durchlässig gesteuert wird und die Lumineszenzdiode 11 mit einer Spannung beaufschlagt. Hierdurch wird auch der Phototransistor 7 leitend, wodurch die Steuer­ elektrode des Transistors 4 mit einem Potential beaufschlagt wird, das den Transistor 4 leitend steuert. Der leitende Transistor 4 ermöglicht einen Stromfluß über die Spule 2.

Falls durch eine Störung, z. B. einem Windungskurzschluß in der Spule 2, ein hoher Strom auftritt, der über dem Spulennennstrom liegt, spricht der Komparator 18 an und setzt über sein Ausgangssignal das Flipflop 17, das den Transistor 22 leitend steuert. Hierdurch wird die Steuerelek­ trode des Transistors 4 an Masse gelegt, wodurch der Transistor 4 nichtleitend wird. Der Stromfluß wird deshalb unterbrochen. Über den Transistor 4 fließt deshalb nur ein zulässiger Strom. Es ist nicht not­ wendig, den Transistor 4 für den Kurzschlußstrom nach IEC 694 auszu­ legen. Der Transistor 4 kann für den sehr viel kleineren Spulennenn­ strom bemessen sein. Auch die Montageelemente für den Transistor 4 sind für den zulässigen Strom bemessen. Hierdurch ergibt sich eine we­ sentliche Einsparung an Material.

Wenn das Flipflop 17 anspricht, wird ein entsprechendes Signal über den Optokoppler 23 dem Mikrorechner 15 zugeführt. Der Mikrorechner 15 verarbeitet diese Meldung und gibt z. B. eine Störungsmeldung aus. Über den Mikrorechner 15 kann das Flipflop 17 wieder zurückgesetzt werden. Nach Beseitigung der Störung wird z. B. über eine Eingabe an den Mikrorechner 15 die Rücksetzung des Flipflops 17 bewirkt.

Wenn der Transistor 4 leitend gesteuert wird, löst der über den Wider­ stand 5 fließende Strom das Ansprechen des Komparators 24 aus, der eine entsprechende Meldung über den Optokoppler 25 an den Mikrorech­ ner 15 ausgibt. Hierdurch wird der Zeitgeber im Mikrorechner angesto­ ßen, der wieder vom Komparator 24 zurückgesetzt wird, wenn der Strom durch die Spule 2 vom Transistor 4 abgeschaltet wird.

Die Dauer des Stromflusses, d. h. die nach dem Anstoßen des Zeitgebers ablaufende Zeit, wird mit einer vorab im Mikrorechner 15 eingestellten Zeit verglichen. Die vorab eingestellte Zeit ist auf die Dauer des Ein­ schaltsignals abgestimmt. Überschreitet der Stromfluß über die Spule 2 die vorgegebene Dauer, steuert der Mikrorechner 15 das UND-Glied 12 undurchlässig, wodurch der Optokoppler 8 nicht mehr mit einer Steuer­ spannung versorgt wird. Hierdurch wird die Steuerelektrode des Transi­ stors 4 nicht mehr mit Steuerpotential beaufschlagt, wodurch der Tran­ sistor 4 nichtleitend gesteuert wird. Das überschreiten der zulässigen Stromflußdauer kann vom Mikrorechner 15 gemeldet werden, um Bedie­ nungspersonal auf eine Störung aufmerksam zu machen.

Bei der oben beschriebenen Anordnung sind die Detektorschaltung 13, das UND-Glied 12 und der Mikrorechner 15 galvanisch von den die Be­ triebsspannung für die Spule 2 führenden Leitern getrennt. Die Kompa­ ratoren 18, 19 und das Flipflop 17 sind im Stromkreis mit der Betriebs­ spannung für die Spule 2 angeordnet, um über den Transistor 22 eine schnelle Abschaltung des Stroms zu bewirken.

Claims (3)

1. Anordnung zum gesteuerten Ein- und/oder Ausschalten von induktiven und/oder kapazitiven Elementen in Wechselspannungsnetzen hoher Spannung mittels eines Hochspannungsschalters, dessen Antrieb durch einen Schaltbefehl in Verknüpfung mit mindestens einem Signal einer Detektorschaltung gesteuert wird, der die Hochspannung zugeführt wird, und die ein Auslöseorgan für die Schalterbetätigung bei Vorliegen eines Schaltbefehls zu einem bestimmten Schaltzeitpunkt freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit einer Spule (2) des Auslöseorgans ein Transistor (4) und ein Strommeßwiderstand (5) angeordnet sind, daß der Transistor (4) zu dem bestimmten Schaltzeitpunkt leitend gesteuert wird, daß der über den Transistor (4) fließende Strom durch eine Überwachungsschaltung erfaßt wird, und daß der Transistor (4) bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts nichtleitend gesteuert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn des durch den Transistor (4) und die Spule (2) fließenden Strom gemessen und die Dauer des Stromflusses mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird, bei dessen Überschreiten der Transistor (4) nichtleitend gesteuert wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltung einen Mikrorechner (15) enthält, der über ein Flipflop (12) an einen ersten Komparator (18) und direkt an einen zweiten Komparator (24) angeschlossen ist, und daß die Komparatoren je mit dem Strommeßwiderstand (5) und jeweils an einem Referenzeingang mit einer auf den vorgegebenen maximalen Strom oder mit einer auf den Stromfluß über den Transistor (4) und die Spule (2) abgestimmten Referenzspannung beaufschlagt sind.