DE2256881B1

DE2256881B1 - Gleichstromwandler

Info

Publication number: DE2256881B1
Application number: DE19722256881
Authority: DE
Inventors: Öle Friis Soeonderborg Knudsen (Dänemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1972-11-20
Filing date: 1972-11-20
Publication date: 1973-12-20
Also published as: NO135156B; DE2256881C2; BE806976A; CH564231A5; FR2207384A1; SE385513B; NL7315879A; NO135156C; DK137359B; DK137359C; AT324501B; DD107995A5; US3854091A; DE2256881A1; GB1442199A; IT996988B; CA1021431A; JPS4982928A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstromwandler, insbesondere zur galvanischen Trennung eines Meßwertumformers von seinen Anschlußleitungen, bei dem ein Magnetkern eine Primärwicklung und eine dieser entgegenwirkende Sekundärwicklung sowie eine Fühlerwicklung trägt, in der beim Auftreten von Flußdifferenzen eine Steuerspannung induziert wird, und bei dem ein Regler für den Sekundärstrom vorgesehen ist, der diesen in Abhängigkeit von der Steuerspannung so verstellt, daß" die Flußdifferenz zu Null wird.

Bei einem solchen bekannten Gleichstromwandler (USA.-Patentschrift 3 581184) wird der von einer Meßstelle zugeführte Gleichstrom über einen Widerstand geleitet, dem die Reihenschaltung eines weiteren Widerstandes, eines elektronischen Unterbrecherschalters und der Primärwicklung parallel geschaltet ist. Der Regler für den Sekundärstrom liegt ebenfalls in Reihe mit einem Widerstand, dem die Reihenschaltung eines weiteren Widerstandes, eines elektronischen Unterbrecherschalters und der Sekundärwicklung parallel geschaltet ist. Der Fühlerwicklung ist ein Wechselstromverstärker, ein Demodulator und ein Gleichstromverstärker als Regler für den Sekundärstrom nachgeschaltet. Die beiden elektronischen Unterbrecherschalter und der Demodulator werden synchron gesteuert. Diese Schaltung ist aufwendig, weil zunächst ein zerhacktes, zum primären bzw. sekundären Gleichstrom proportionales Signal gebildet werden muß. Da sich je ein Unterbrecherschalter auf der Primärseite und auf der Sekundärseite des Wandlers befinden, muß auch das Synchronisationssignal transformatorisch übertragen werden. Hierbei ergeben sich zeitliche Verschiebungen, die überdies temperaturabhängig sind, so daß die Übertragungsgenauigkeit leidet. Die erwähnten Parallelwiderstände sind erforderlich, um wegen der periodischen Unterbrechungen der Stromkreise auf der Transformator-Primär- und-sekundärseite die Ströme aufrechtzuerhalten. Dies ergibt auf jeder Seite des Transformators eine Stromaufteilung auf den Par-

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allelwiderstand einerseits und den Unterbrecher- müssen, braucht auch kein Synchronisationssignal schalter bzw. eine Transformatorwicklung anderer- transformatorisch übertragen zu werden,
seits. Bei dieser Stromaufteilung müssen stabile Mit besonderem Vorzug ist der Kern ein Hohl-Widerstände mit den Unterbrecherschaltern in Reihe toroid, um den die Primär-, Sekundär- und Fühlergeschaltet werden, um den Einfluß der Temperatur- 5 wicklung toroidförmig gewickelt sind und in dessen abhängigkeit der Wicklung gering zu halten. Dies hat Hohlraum die Erregerwicklung solenoidförmig gelegt ein erheblieh verringertes Signal zur Folge, so daß die ist. Der vom Primärstrom und vom Sekundärstrom Windungszahl erhöht werden muß, um ein aus- erzeugte magnetische Fluß verläuft dann parallel zur reichend hohes Signal zu erhalten. Erregerwicklung in Umf angsrichtung des Toroids, der

Des weiteren ist eine Anordnung zum Vergleich io vom Erregerstrom erzeugte magnetische Fluß verläuft

zweier Gleichströme bekannt (deutsche Patentschrift in Radialebenen, also senkrecht zum erstgenannten

1 251 844), die durch zwei einander entgegenwirkende Fluß.

Wicklungen fließen, wobei zwei weitere wechselstrom- Zweckmäßigerweise ist der Erregerstrom durch gespeiste Erregerwicklungen in einer Brückenschal- eine Gleichstrom-Impulskette gebildet. Da der Gleichtung vorgesehen sind, die gleichzeitig als Fühler- xs stromwandler in der Regel ohnehin in einem Gleichwicklungen für die Differenzdurchflutungen an den Stromsystem verwendet wird, ist ein solcher Erregerbeiden erstgenannten Wicklungen dienen. strom besonders leicht erzeugbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beispielsweise kann die mit Gleichspannung ver-Gleichstromwandler der eingangs beschriebenen Art sorgte Erregerwicklung durch einen periodisch einanzugeben, der mit geringerem schaltungstechnischen so geschalteten elektronischen Schalter überbrückbar Aufwand eine höhere Genauigkeit hat. sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür löst, daß Primärwicklung und Sekundärwicklung mit gesorgt, daß die Sekundärseite über zwei Versorgungsstetigem Gleichstrom versorgt sind und daß der Kern leitungen mit einer Spannungsquelle und einem außerdem eine Erregerwicklung trägt, deren Feld as Meßwertindikator verbunden ist und daß zumindest senkrecht zu demjenigen der drei anderen Wick- der durch den Schalter und die Erregerwicklung lungen steht und die mit einem Erregerstrom ver- fließende Strom, vorzugsweise aber der gesamte Besorgt ist, der die Permeabilität des Kerns periodisch triebsstrom, unter Zwischenschaltung des Reglers ändert. über die Sekundärwicklung geleitet ist. Hierdurch

Bei diesem Wandler kann der Primärstrom und der 30 kann man einen Wandler für ein Zwei-Leiter-Fern-Sekundärstrom direkt durch die Primärwicklung und meßsystem erhalten, bei dem der zur Zentrale fliedie Sekundärwicklung geleitet werden. Der Primär- ßende Sekundärstrom ein genaues Abbild des von strom erzeugt einen magnetischen Fluß in einer ersten der Meßstelle herkommenden Primärstroms ist, Richtung, der Sekundärstrom einen magnetischen gleichzeitig aber im Wandler noch andere Funktionen Fluß in entgegengesetzter Richtung. Sind die Ströme 35 übernimmt. Hierbei macht sich der Vorteil bemerkunterschiedlich, wird die Fühlerwicklung von einer bar, daß der Erregerstrom seine Größe ändern darf, Flußdifferenz durchsetzt. Da es sich um einen Gleich- ohne daß die Funktion des Wandlers hierdurch befluß handelt, würde die Fühlerwicklung beim Fehlen einflußt wird.

der Erregerwicklung unbeeinflußt bleiben. Der Er- Zweckmäßigerweise wird die in der Fühlerwickregerstrom in der Erregerwicklung erzeugt einen sich 40 lung induzierte Spannung in einem Wechselstromperiodisch ändernden magnetischen Fluß, der mit verstärker verstärkt und in einem Demodulator ein den drei anderen Wicklungen nicht verkettet ist und zur Steuerung des Reglers dienendes Signal erzeugt, daher in ihnen keine Spannung induziert. Da er aber und ein Oszillator steuert sowohl den elektronischen die Induktion bzw. den Sättigungszustand des Kerns Schalter als auch synchron hiermit den Demodulator, und daher dessen Permeabilität periodisch ändert, 45 Auch hierbei braucht das Synchronisationssignal nicht ergibt sich, wenn wegen unterschiedlicher Ampere- transformatorisch übertragen zu werden, da der Dewindungszahlen auf der Primär- und Sekundärseite modulator und die Erregerwicklung von der Segleichzeitig eine Flußdifferenz vorhanden ist, eine kundärseite her gespeist werden,
periodische Änderung des mit der Fühlerwicklung Es ist sogar möglich, die Primärseite von einer auf verketteten Flusses. Das infolgedessen in der Fühler- 50 der Sekundärseite liegenden Spannungsquelle zu Verwicklung induzierte Signal wird benutzt, um mit Hilfe sorgen, die über einen Oszillator die erste Wicklung des Reglers den Sekundärstrom so weit zu verstellen, eines Zusatztransformators speist, dessen zweite daß das Amperewindungsgleichgewicht wieder her- Wicklung mit einer Gleichrichteranordnung verbungestellt wird. den ist, die mit der Primärwicklung und dem Meß-

Hierbei benötigt man statt zweier Unterbrecher- 55 wertumformer in Reihe liegt. Der für die Versorschalter auf der Primärseite und der Sekundärseite gung des primärseitigen Meßwertumformers benötigte nur eine Vorrichtung zur Erzeugung eines periodisch Strom wird demnach zugeführt, ohne den Betrieb des veränderlichen Erregerstromes. Diese Schaltung kann Gleichstromwandlers zu beeinträchtigen,
sehr einfach aufgebaut sein. Es kommt weder auf Hierbei kann ein einziger Oszillator für den elekeine spezielle Form, z. B. Rechteckform, des Erreger- 60 ironischen Schalter, den Demodulator und den Zustromes noch auf dessen genaue Größe an, sofern nur satztransformator vorgesehen sein. Dies führt zu sichergestellt ist, daß sich der Sättigungszustand des einem sehr einfachen Schaltungsaufbau.
Magnetkerns ändert. Denn es ist auch gleichgültig, Des weiteren empfiehlt es sich, daß der Oszillator welche Größe das in der Fühlerwicklung erzeugte in Reihe mit der Parallelschaltung von Erregerwick-Signal hat, da der Regler den Sekundärstrom in 65 lung und elektronischem Schalter liegt. Der zur jedem Fall bis zum Amperewindungsgleichgewicht Primärseite übertragene Strom ist daher zuvor durch ändert. Da nicht zwei Unterbrecherschalter auf unter- die Erregerwicklung bzw. den sie überbrückenden schiedlichen Seiten des Wandlers vorgesehen sein Schalter geflossen.

Günstig ist es ferner, wenn zwischen die nicht mit der Sekundärwicklung verbundene Versorgungsleitung und den der Sekundärwicklung abgewandten Regleranschluß die Reihenschaltung eines Konstantstromreglers und eines Konstantspannungsgliedes geschaltet und von der dort abgegriffenen konstanten Spannung der Wechselstromverstärker und gegebenenfalls weitere Baugruppen versorgt sind. Der Konstantstromregler stellt sicher, daß für die Versorgung des Konstantspannungsgliedes und der genannten Baugruppen immer genügend Strom zur Verfügung steht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild der Erfindung und

Fig. 2 ein schaltungstechnisches Ausführungsbeispiel.

In einer Zentrale .4 ist eine zentrale Spannungsquelle 1 und mit ihr in Reihe ein Meßwertindikator, bestehend aus einer Meßimpedanz 2 und einem sie überbrückenden Anzeigegerät 3, vorgesehen. Diese Zentrale ist über zwei Versorgungsleitungen 4 und 5 mit einer Meßstelle B verbunden, die einen Meßwertumformer 6 aufweist, welcher einen beliebigen Meßwert, z. B. die Temperatur, in einen elektrischen Meßwert umwandelt. Dieser Meßwertumformer 6 ist über zwei Verbindungsleitungen 7 und 8 mit einer galvanischen Trennstelle C in der Form eines Gleichstromwandlers verbunden.

An dieser Trennstelle C ist ein Magnetkern 9 in der Form eines Hohltoroids vorgesehen, der aus zwei Hälften aus ferromagnetischem Material besteht. Der Magnetkern trägt eine Primärwicklung 10, die in dem den Meßwertumformer 6 aufweisenden Primärkreis liegt, eine Sekundärwicklung 11, die in dem mit der Zentrale^ verbundenen Sekundärkreis liegt, eine Fühlerwicklung 12 und eine Erregerwicklung 13. Während die drei erstgenannten Wicklungen toroidförmig um den Kern 9 geschlungen sind, liegt die Erregerwicklung 13 solenoidförmig im Hohlraum des Kerns. Infolgedessen erzeugt der Primärstrom I₁ im Magnetkern 9 einen magnetischen Fluß Φ_χ und der Sekundärstrom I₂ einen entgegengesetzt gerichteten Fluß Φ₂, die beide einander gleich gehalten werden sollen. Dies ist der Fall, wenn das Produkt aus Strom und Windungszahl auf Primärseite und Sekundärseite gleich ist. Die Fühlerwicklung 12 wird daher von einer Flußdifferenz Φ₃ = (^₁- Φ₂) durchsetzt. Der von der Erregerwicklung 13 erzeugte Fluß Φ_ί hat einen Verlauf, der senkrecht zu den erstgenannten Magnetflüssen steht, wie Fig. 1 zeigt. Dieser Fluß wird mit Hilfe eines sich periodisch ändernden Erregerstroms Jg erzeugt, der den Sättigungszustand des Magnetkerns 9 periodisch verändert, wenn gleichzeitig mit dem sich ändernden Fluß Φ_ί ein Differenzfluß Φ₃ auftritt; dann wird in der Fühlerwicklung 12 eine Wechselspannung induziert.

Diese Wechselspannung wird über ein Paar von Leitungen 14, 15 zu einem Wechselstromverstärker 16 geführt. Das verstärkte Signal wird in einem Demodulator 17 gleichgerichtet, in einem Gleichstromverstärker 18 erneut verstärkt und steuert einen Regler 19, der mit der Sekundärwicklung 11 in Reihe liegt. Sobald die Fühlerwicklung 12 feststellt, daß das Amperewicklungsgewicht zwischen Primär- und Sekundärseite gestört ist, erfolgt eine Regelung so lange, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist.

Zur Erzeugung des sich periodisch ändernden Erregerstrordes I_e ist parallel zur Erregerwicklung 13 ein elektronischer Schalter 20 geschaltet, der mit einer durch einen Oszillator 21 festgelegten Frequenz öffnet und schließt. Mit der gleichen Frequenz wird auch der Demodulator 17 getastet. Infolgedessen kann die Phasenlage der in der Fühlerwicklung 12 induzierten Spannung festgestellt und damit ermittelt werden, ob der Sekundärstrom I₂ zu groß oder zu

ίο klein ist. Der Oszillator 21 liegt in Reihe mit der Parallelschaltung von Erregerwicklung 13 und Schalter 20. Er speist ferner einen Zusatztransformator 22, der einen Strom auf die Primärseite überträgt und dort eiiie Gleichrichteranordnung 23 mit Strom versorgt. Die Größe des Primärstromes wird durch den Meßwertumformer 6 -festgelegt, der beispielsweise einen konstanten Dauerstrom und, ihm überlagert; einen sich verändernden Signalstrom hindurchläßt.

Zwischen die Versorgungsleitung 5 und eine den

aö Oszillator 21 mit dem Regler 19 verbindende Leitung

24 ist die Reihenschaltung eines Konstantstromreglers

25 und eines Konstantspannungsgliedes 26 geschaltet. Die am Spannungsglied 26 abgreifbare Spannung speist die nachgeordnete Schaltung. Der Konstantstromregier 25 hält den durch ihn hindurchfließenden Versorgungsstrom I_v für das Konstantspannungsglied

26 und die anderen Baugruppen 16 und 18 etwa konstant.

Durch den Stromregler 19 und die nachgeschaltete Sekundärwicklung 11 fließt der Sekundärstrom I₂, der sich aus dem Versorgungsstrom I_v und dem Erregerstrom I_e bzw., bei geschlossenem Schalter 20, dem Schalterstrom/_s zusammensetzt. Wegen der Einstellung des Stromreglers 19 sind der Erregerstrom I_e und der Schalterstrom /_s gleich. Sie können sich aber in Abhängigkeit von der erzwungenen Größe des Sekundärstromes I₂ ändern.

F i g. 2 zeigt einen Schaltungsaufbau, bei dem für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen gewählt sind.

Der Schalter 20 besteht aus einem Transistor 27, der über eine Leitung 28 vom Oszillator 21 abwechseld in den leitenden und in den sperrenden Zustand gesteuert wird. Die Erregerwicklung 13 ist durch eine Zenerdiode29 überbrückt, die verhindert, daß über die Erregerwicklung 13 zu hohe Ströme fließen.

Der Oszillator weist einen Schwingkreis, bestehend aus einer Spule 30 und einem Kondensator 31, in Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 32 auf. Der Schwingkreis ist über eine zweite Spule 33 mit der Basis dieses Transistors 32 rückgekoppelt. Die Spannung für die Rückkopplung wird an der Reihenschaltung eines Widerstandes 34 und eines Kondensators 35 abgegriffen. Dieser Reihenschaltung ist ein weiterer Kondensator 36 parallel geschaltet.

Der Stromregler weist einen Transistor 37 auf, der vom Spannungsabfall an einen Reihenwiderstand 38 gesteuert wird. Mit ihm in Reihe liegt eine Zenerdiode 39 als Konstantspannungsglied.

Die Fühlerwicklung 12 ist an die beiden Anschlüsse 40 und 41 des Wechselstromverstärkers 16 angeschlossen. Dieser hat einen Transitor 42 mit Kollektorwiderstand 43, einen von dessen Kollektorspannung gesteuerten zweiten Transistor 44 mit Kollektorwiderstand 45 und einer aus den Widerständen 46, 47 und 48 sowie einem Kondensator 49 bestehenden Emitterbelastung.
Der Ausgang dieses Verstärkers ist über einen

Kondensator 50 an den Demodulator 17 gelegt. Dieser weist die Reihenschaltung eines Widerstandes 51 und eines Kondensators 52 auf, die der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 53 parallel geschaltet ist. Die Oszillatorausgangsleitung 28 ist über einen Kondensator 54 und einen Widerstand 55 an die Leitung 24 angeschlossen. Der Spannungsabfall am Widerstand 55 steuert den Transistor 53 abwechselnd in den leitenden und den sperrenden Zustand. Infolgedessen lädt sich der Kondensator 52 auf einen Spannungswert auf, der der in der Fühlerwicklung 12 induzierten Spannung proportional ist.

Der Punkt zwischen dem Widerstand 51 und dem Kondensator 52 ist über zwei Dioden 56 und einem Widerstand 57 mit der Versorgungsleitung 4 verbunden. Die Spannung am Verbindungspunkt zwischen den Dioden 56 und dem Widerstand 57 liegt an der Basis eines Transistors 58, der zusammen mit einem Transistor 59 eine Darlington-Schaltung bildet, die den Gleichstromverstärker 18 mit Regler 19 darstellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 551/84

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichstromwandler, insbesondere zur galvanischen Trennung eines Meßwertumformers von seinen Anschlußleitungen, bei dem ein Magnetkern eine Primärwicklung und eine dieser entgegenwirkende Sekundärwicklung sowie eine Fühlerwicklung trägt, in der beim Auftreten von Flußdiflerenzen erne Steuerspannung induziert wird, und bei dem ein Regler für den Sekundärstrom vorgesehen ist, der diesen in Abhängigkeit von der Steuerspannung so verstellt, daß die Flußdifferenz zu Null wird, dadurch gekennzeichnet, daß Primärwicklung (10) und Sekundärwicklung (11) mit stetigem Gleichstrom (I₁,1₂) versorgt sind und daß der Kern (9) außerdem eine Erregerwicklung (13) trägt, deren Feld senkrecht zu demjenigen der drei anderen Wicklungen (10, 11, 12) steht und di& mit einem Erregerstrom (I_e) versorgt ist, der die Permeabilität des Kerns periodisch ändert.

2. Gleichstromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (9) ein Hohltoroid ist, um den die Primär-, Sekundär- und Fühlerwicklung (10, 11, 12) toroidförmig gewickelt sind und in dessen Hohlraum die Erregerwicklung (13) solenoidförmig gelegt ist.

3. Gleichstromwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom (I_e) durch eine Gleichstrom-Impulskette gebildet ist.

4. Gleichstromwandler nach Anspruch 3, da-durch gekennzeichnet, daß die mit Gleichspannung versorgte Erregerwicklung (13) durch einen periodisch eingeschalteten elektronischen Schalter (20) überbrückbar ist.

5. Gleichstromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärseite über zwei Versorgungsleitungen (4, 5) mit einer Spannungsquelle (1) und einem Meßwertindikator (2, 3) verbunden ist und daß zumindest der durch den Schalter (20) und die Erregerwicklung (13) fließende Strom (/„, /_s), vorzugsweise aber der gesamte Betriebsstrom, unter Zwischenschaltung des Reglers (19) über die Sekundärwicklung (11) geleitet ist.

6. Gleichstromwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Fühlerwicklung (12) induzierte Spannung in einem Wechselstromverstärker (16) verstärkt wird, daß in einem Demodulator (17) ein zur Steuerung des Reglers (19) dienendes Signal erzeugt wird und daß ein Oszillator (21) sowohl den elektronischen Schalter (20) als auch synchron hiermit den Demodulator (17) steuert.

7. Gleichstromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärseite von einer auf der Sekundärseite liegenden Spannungsquelle (1) versorgt ist, die über einen Oszillator (21) die erste Wicklung eines Zusatztransformators (22) speist, dessen zweite Wicklung mit einer Gleichrichteranordnung (23) verbunden ist, die mit der Primärwicklung (10) und dem Meßwertumformer (6) in Reihe liegt.

8. Gleichstromwandler nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Oszillator (21) für den elektronischen Schalter (20), den Demodulator (17) und den Zusatztransformatgr (22) vorgesehen.

9. Gleichstromwandler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (21) in Reihe mit der Parallelschaltung von Erregerwicklung (13) und elektronischem Schalter (20) liegt.

10. Gleichstromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die nicht mit der Sekundärwicklung (11) verbundene Versorgungsleitung (5) und den der Sekundärwicklung abgewandten Regleranschluß (24) die Reihenschaltung eines Konstantstromreglers (25) und eines Konstantspannungsgliedes (26) geschaltet ist und von der dort abgegriffenen konstanten Spannung der Wechselstromverstärker (16) und gegebenenfalls weitere Baugruppen versorgt sind.

11. Gleichstromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (13) durch eine Zenerdiode (26) überbrückt ist.