DE2413364A1 - Stromtransformator mit aktivem lastabschluss zur ausbildung einer phasenwinkelaenderung - Google Patents
Stromtransformator mit aktivem lastabschluss zur ausbildung einer phasenwinkelaenderungInfo
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Description
6 Frankfurt/Main 1, 18. März 1974
Niddastroße 52 Vo . /he .
Telefon (0611) 237220 Telex: 04-16759 mapat d
Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M.
Bankkontoi 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.
2658-RD-58OI
GENERAL ELECTRIC COMPANY
1 RIVER ROAD SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.
Stromtransformator mit aktivem Lastabschluß zur Ausbildung einer Phasenwinkeländerung
In der deutschen Patentanmeldung P 23 29 254.mit der Bezeichnung
"Stromtransformator mit aktivem Lastabschluß" ist u. a. ein Stromtransformator
beschrieben, der mit einem virtuellen Kurzschlußkreis durch ein aktives Lastelement abgeschlossen ist, das auch
eine Ausgangssignalspannung erzeugt, die proportional zum Strom in der Primärwicklung des Stromtransformators ist.
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Weiterhin ist in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung
P (Anmelderin General Electric Company ,
ihr Zeichen 2657-RD-6274) mit der Bezeichnung "Mit aktivem Lastelement
abgeschlossener Stromtransformator zur Lieferung Phaseninvertierter Signale" unter anderem ein Stromtransformator vorgeschlagen,
dessen Sekundärwicklung in einem virtuellen Kurzschlußzustand durch ein Paar aktiver Lastelemente abgeschlossen
ist, die beispielsweise ein Paar Phasen-invertierter Ausgangsspannungen
liefern, die proportional zum Strom in der Primärwicklung des Stromtransformators sind.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf den Abschluß von Stromtransformatoren in einem virtuellen Kurzschlußzustand,
wobei gleichzeitig die Entwicklung eines Ausgangsspannungssignales
ermöglicht wird, das dem Strom in der Primärwicklung des Stromtransformators proportional ist. Insbesondere bezieht sich
die Erfindung auf die Erzeugung der Ausgangsspannung und die
Änderung ihres Phasenwinkels relativ zum Strom in der Primär- oder
Sekundärwicklung des Stromtransformators, während die Sekundärwicklung virtuell kurzgeschlossen oder nahezu kurzgeschlossen ist.
Gemäß der Erfindung wird, kurz gesagt, ein Stromtransformator mit einem Operationsverstärker, kombiniert. Der Stromtransformator enthält
Primär- und Sekundärwicklungen, die Primär- bzw. Sekundärströme zu leiten vermögen. Der Operationsverstärker enthält invertierende
und nicht-invertierende Eingangsklemmen und desgleichen
eine Ausgangsklemme. Der Operationsverstärker weist eine relativ hohe Leerlaufverstärkung auf und zwischen seinen invertierenden
und nicht-invertierenden Eingangsklemmen besteht eine relativ kleine Eingangsimpedanz aufgrund einer Rückkopplungswirkung. Die
Sekundärwicklung kann direkt zwischen die invertierenden und nichtinvertierenden
Eingangsklemmen geschaltet und somit der kleinen Eingangsimpedanz des Verstärkers parallel geschaltet werden, um
auf diese Weise virtuell (praktisch) kurzgeschlossen zu werden. Mit dem Operationsverstärker sind elektrische Impedanzmittel
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gekoppelt. Eine Ausgangsspannung wird zwischen der Ausgangsklemme
des Verstärkers und seiner nicht-invertierenden Eingangsklemme
entwickelt, die mit einem Punkt G verbunden ist, wobei die Ausgangsspannung um einen vorbestimmten Phasenwinkel relativ zum
Strom in der Primärwicklung oder Sekundärwicklung verschoben ist. Darüber hinaus ist die Ausgangsspannung proportional zum Strom
in der Primärwicklung oder der Sekundärwicklung.
Als eine Alternative kann das eine Ende der Wicklung über einen
relativ kleinen ohmschen Widerstand mit der invertierenden Eingangsklemme
des Operationsverstärkers gekoppelt sein, während das andere Ende der Sekundärwicklung mit der nicht-invertierenden
Eingangskiemme verbunden ist. Somit wird die Sekundärwicklung nahezu mit einem Kurzschluß abgeschlossen, während die durch den
Verstärker entwickelte Ausgangsspannung dem Primär- oder Sekundärstrom
proportional ist und weiterhin um einen vorbestimmten Phasenwinkel in bezug auf den Strom in entweder der Primärwicklung
oder der Sekundärwicklung phasenverschoben ist.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand
der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung der Erfindung in mehr
oder weniger verallgemeinerter Form, wobei die Ausgangsspannung Vo' dem Strom Is in' der Sekundärwicklung des
Stromtransformators vor- oder nacheilt; die Ausgangsspannung ist zusätzlich proportional dem Strom in einer
der Transformatorwicklungen.
Figur 2 ist eine weitere schematische Darstellung und zeigt in
dem gestrichelten Kästchen einen Gegen-Impedanzverstärker (Transimpedanz-Verstärker), der die Sekundärwicklung eines
Stromtransformators in einem virtuellen Kurzschlußzustand abschließt, wobei er eine Ausgangsspannung Vo liefert,
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die entweder dem primären oder sekundären Transformatorstrom proportional ist und dem Sekundärstrom des Transformators
um einen vorbestimmten Phasenwinkel voreilt.
Figur 3 ist eine weitere schematische Darstellung und zeigt einen anderen Transimpedanz-Verstärker, der die Sekundärwicklung
eines Stromtransformators in einem virtuellen Kurzschlußzustand abschließt, wobei er eine Ausgangsspannung
Vo liefert, die entweder dem primären oder sekundären Transformatorstrom proportional ist und dem Sekundärstrom
des Transformators um einen vorbestimmten Phasenwinkel nacheilt.
Figur 4 ist eine weitere schematische Darstellung und zeigt einen
anderen Transimpedanz-Verstärker, der die Sekundärwicklung eines Stromtransformators nahezu in einem Kurzschlußzustand
abschließt, wobei er eine Ausgangsspannung Vo
liefert, die entweder dem primären oder dem sekundären Transformatorstrom proportional ist und dem sekundären
Transformatorstrom um einen vorbestimmten Phasenwinkel voreilt.
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 enthält ein Stromtransformator CT eine Primärwicklung mit Np Windungen und eine Sekundärwicklung mit Ns Windungen. Die
Primärwicklung leitet in angegebener Weise einen Primärstrom Ip und die Sekundärwicklung leitet den Sekundärstrom Is. Es ist ein
Operationsverstärker Al vorgesehen, der eine invertierende Eingangsklemme,
die mit dem.Minuszeichen (-) versehen ist, und eine nicht-invertierende Eingangsklemme aufweist, die mit dem Pluszeichen
(+), versehen ist. Wie in Figur 1 gezeigt ist, sind das
eine Ende der Sekundärwicklung und die nicht-invertierende Ein-
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gangsklemme des Verstärkers Al gemeinsam mit einem gemeinsamen Punkt oder Knoten G verbunden. Das entgegengesetzte Ende der Sekundärwicklung
ist mit einem Summierpunkt S gekoppelt. Ein Rückkopplungs-Widerstandselement Rf ist zwischen den Summierpunkt S
und eine Ausgangsklemme des Verstärkers Al geschaltet. Dem Rückkopplungs-Wirkwiderstandselement
Rf ist ein erstes passives Netzwerk Pl parallel geschaltet. Ein zweites passives Netzwerk P2
ist zwischen dem Summierpunkt S und der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers Al in Reihe geschaltet. Wie gezeigt,
wird eine Ausgangsspannung Vo von dem Verstärker Al zwischen
seiner Ausgangsklemme und einer anderen Klemme geliefert, die im allgemeinen mit dem Punkt G verbunden ist, der seinerseits
im allgemeinen mit der nicht-invertierenden Eingangsklemme des
Verstärkers Al verbunden ist. Die Impedanzen des Rückkopplungs-Widerstandes
Rf, des passiven Netzwerkes Pl und des passiven Netzwerkes P2 sind bestimmend für den Phasenwinkel zwischen der Ausgangsspannung
Vo und dem Strom Is in der Sekundärwicklung des Stromtransformators
. Die Spannung Vo ist entweder dem Primärstrom Ip oder dem Sekundärstrom Is proportional. Zusätzlich ist die Sekundärwicklung
des Stromtransformators entweder.virtuell kurzgeschlossen oder nahe einem Kurzschlußzustand, d. h. die Potentialdiffeienz
zwischen den Punkten S und G ist entweder praktisch null oder relativ
klein. Der Operationsverstärker Al hat eine relativ hohe Leerlaufverstärkung und zusätzlich ist die Eingangsimpedanz zwischen
seinen invertierenden und nicht-invertierenden Eingangsklemmen relativ klein. Einer von vielen möglichen Operationsverstärkern,
die für diesen Zweck geeignet sind, ist der Hochleistungs-Operationsverstärker Typ uAY1*1» der von der Firma Pairchild
Semiconductor vertrieben wird, einer Abteilung der Pairchild Camera and Instrument Corporation, 313 Pairchild Drive, Mountain
View, California. Das Widerstandselement Rf und die Impedanzen
der passiven Netzwerke Pl und F2 können so gewählt sein, daß die Ausgangsspannung Vo dem Sekundärstrom Is um einen vorbestimmten
Phasenwinkel voreilt oder nacheilt. In Figur 1 bilden der Operationsverstärker Al zusammen mit dem Rückkopplungs-Widerstandselement
Rf, dem passiven Netzwerk Pl und dem passiven Netzwerk F2 einen Gegen-Impedanzverstärker bzw. Transimpedanz-Verstärker.
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Unter Bezugnahme auf die Pigur 1 s.ei darauf hingewiesen, daß diese
eine verallgemeinerte Darstellung ist und daß eines der beiden oder beide passive Netzwerke Pl und/oder P2 verwendet werden
können. Das Rückkopplungs-Widerstandselement Rf ist ebenfalls ein nur möglicherweise einzusetzendes Element. Es kann enthalten sein
oder nicht, was u. a. von der Größe der erforderlichen Phasenverschiebung
zwischen der Ausgangsspannung Vo und dem Sekundärstrom Is des Transformators abhängt.
In Figur 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Ein Transimpedanz-Verstärker XZA ist in dem gestrichelten Kästchen enthalten. In diesem Fall ist die Sekundärwicklung
des Stromtransformators virtuell kurzgeschlossen und die Ausgangsspannung
Vo eilt dem Sekundärstrom Is vor. Der Operationsverstärker Al, der ein vorstehend beschriebener Verstärker der
Firma Faichild sein kann, weist zwei in Reihe geschaltete ohmsehe
Widerstandselemente Rl und R2 auf, die zwischen den Punkt S und die Ausgangsklemme des Verstärkers Al geschaltet sind. Eine
weitere Reihenschaltung, die aus dem ohmschen Widerstandselement R3 und einem Kondensator Cl besteht, ist in gezeigter Weise
zwischen die zwei Widerstandselemente Rl und R2 und einen Leiter geschaltet, der auf dem gleichen Potential liegt wie der
Punkt G, der sich seinerseits auf dem gleichen Potential befindet wie die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers
Al. Die Ausgangsspannung Vo ist auöh entweder dem Primärstrom
Ip oder dem Sekundärstrom Is proportional.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
gezeigt. Ein weiterer Gegen-Impedanzverstärker XZB ist mit der Sekundärwicklung des Stromtransformators CT gekoppelt, und dessen
Sekundärwicklung ist insofern virtuell kurzgeschlossen, als.sie über die Knotenpunkte oder Punkte S und G geschaltet ist. Die
Ausgangsspannung Vo eilt in diesem Fall dem Sekundärstrom Is
um einen vorbestimmten Phasenwinkel nach. Der Verstärker Al, der
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der gleiche vorstehend bereits beschriebene Verstärker der Firma
Fairchild sein kann, weist zwei Wirkwiderstandselemente Ri und
R5 auf, die in gezeigter Weise zwischen dem Punkt S und der Ausgangsklemme
des Verstärkers Al in Reihe geschaltet sind. Dem Wirkwide rst andse lement R5 ist ein Kondensator C2 parallel geschaltet
. Zusätzlich zu der Nacheilung des Sekundärstroms Is ist die Ausgangsspannung Vo proportional zum Strom in der Sekundärwicklung
des Transformators. Wie bereits erwähnt wurde, ist die Sekundärwicklung des Stromtransformators virtuell kurzgeschlossen.
In Figur 1I ist ein anderer Gegen-Impedanzverstärker XZC mit der
Sekundärwicklung des Stromtransformators CT verbunden. In dieser Schaltungsanordnung eilt die Ausgangsspannung Vo dem Strom Is
in der Sekundärwicklung des Stromtransformators vor. Die Sekundärwicklung
des Stromtransformators arbeitet in der Nähe eines Kurzschlußzustandes. Das Wirkwiderstandselement R7 weist einen relativ
kleinen ohmschen Widerstandswert auf und ist, wie in Figur 4
gezeigt ist, zwischen den Punkt S und die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers Al geschaltet. Der Verstärker Al
kann der gleiche Operationsverstärker sein, der vorstehend bereits beschrieben wurde und von der Fairchild Corporation vertrieben
wird. Weiterhin ist ein Wirkwiderstandselement R6 zwischen die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers Al und den Punkt S
geschaltet. Von einem Kondensator C3 ist das eine Ende direkt mit der invertierenden Eingangsklemme des Verstärkers Al verbunden, und sein anderes Ende ist zusammen mit dem einen Ende
des Widerstandselementes R6 und der Ausgangsklemme des Verstärkers
Al verbunden. Neben der Voreilung gegenüber dem Sekundärstrom Is ist die Ausgangsspannung Vo proportional zum Strom
in entweder der Primärwicklung des Stromtransformators oder in seiner Sekundärwicklung. Wie bereits ausgeführt wurde, befindet
sich die Sekundärwicklung des Stromtransformators nahezu in
einem Kurzschlufözustand.
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Claims (7)
1. Stromtransformator mit Primär- und Sekundärwicklungen zum Leiten von Primär- bzw. Sekundärströmen, gekennzeichnet durch einen Operationsverstärker (Al)
mit invertierenden (-) und nicht-invertierenden (+) Eingangsklemmen und einer Ausgangsklemme, wobei die Sekundärwicklung
(Ns) elektrisch zwischen die invertierenden und nicht-invertierenden Eingangsklemmen geschaltet ist, und durch wenigstens
eine elektrische Impedanz, die zwischen die invertierende Eingangsklemme und die Ausgangsklemme geschaltet ist, so
daß eine von dem Verstärker zwischen der Ausgangsklemme und seiner nicht-invertierenden Eingangsklemme erzeugte Ausgangsspannung
(Vo) relativ zum Strom in der Sekundärwicklung um einen Phasenwinkel verschoben ist.
2. Stromtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein erstes Widerstandselement
(R7) zwischen dem einen Ende der Sekundärwicklung (Ns) und der invertierenden Eingangsklemme (-) in Reihe geschaltet
ist, das entgegengesetzte Ende der Sekundärwicklung (Ns) mit der nicht-invertierenden Eingangsklemme (+) verbunden ist, von
einem zweiten Widerstandselement (Ro) das eine Ende mit dem
Ende der Sekundärwicklung und das andere Ende mit der Ausgangsklemme
verbunden ist und ein kapazitives Element (C3) mit seinem einen Ende mit der invertierenden Eingangsklemme (-)
und mit seinem entgegengesetzten Ende mit der Ausgangsklemme verbunden ist.
3. Stromtransformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Widerstandselement
(R7) einen relativ kleinen ohmschen Widerstandswert besitzt.
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4. Stromtransformator nach Anspruch 3, dadurch gekenn ζ ei chnet , daß die ersten und zweiten Widerstandselemente
(Rl, R2) in Reihe geschaltet sind und eine erste Reihenschaltung bilden, die zwischen die invertierende Eingangsklemme
und die Ausgangsklemme geschaltet ist, ein drittes
Widerstandselement (R3)· und ein kapazitives Element (Cl) in Reihe geschaltet sind und eine zweite -Reihenschaltung bilden,
wobei das eine Ende der zweiten Reihenschaltung zwischen die ersten und zweiten Widerstandselemente (Rl, R2) und das entgegengesetzte
Ende der zweiten Reihenschaltung mit der nichtinvertierenden Eingangsklemme (+) verbunden ist.
5. Stromtransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das eine und das andere Ende der zweiten Reihenschaltung Abschlüsse des dritten Widerstandselementes
bzw. des kapazitiven Elementes sind (Fig. 3).
6. Stromtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Operationsverstärker (Al) eine relativ kleine Leerlaufverstärkung und eine relativ
kleine Eingangsimpedanz aufweist, die zwischen seinen invertierenden
und nicht-invertierenden Eingangsklemmen (-, +) meßbar
ist.
7. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsspannung (Vo) proportional zum Strom in der Primärwicklung (Np) ist und die
Sekundärwicklung (Ns) virtuell kurzgeschlossen ist.
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