DE3815824A1 - Schaltungsanordnung zur erzeugung mindestens einer stromproportionalen spannung mit mindestens einem shunt - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung mindestens einer stromproportionalen Spannung mit mindestens einem Shunt in einer dreiphasigen Stromversorgungsanordnung mit drei elektrischen Leitungen.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art ist aus der DE-OS 26 57 784 bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung werden die Ströme einer Stromversorgungsanordnung für eine Gebäudeheizeinrichtung durch Shunts ge­ führt, um die in den Leitungen fliessenden Ströme zu erfassen und so beim Erreichen eines Stromhöchstwertes zumindest die überlastete Leitung abzuschal­ ten. Die an den Klemmen der Shunts auftretenden Wechselspannungen sind pro­ portional zu den durch die Shunts und durch die zugehörenden Leitungen fliessenden Strömen und werden jeweils an drei Verstärkern angelegt. Die ankommende Wechselspannung wird dort entsprechend den Scheitelwerten in eine Gleichspannung gleichgerichtet, die zu einer Fotodiode eines Optokopplers geführt wird. Der Optokoppler gewährleistet die Uebertragung der strompro­ portionalen Signale und die galvanische Trennung zwischen der Stromversor­ gungsanordnung des Gebäudes und einer elektronischen Schutz- und Steuerein­ richtung zur Abschaltung der überlasteten Leitungen. Eine galvanische Trennung zwischen den Shuntanschlüssen und der elektronischen Schutz- und Steuerein­ richtung ist erforderlich, weil zwischen den Shunts in den einzelnen Phasen­ leitungen die volle verkettete Spannung der Stromversorgungsanordnung herrscht. Die elektronische Schutz- und Steuereinrichtung wäre zu teuer, wenn sie für diese Spannung ausgelegt werden müsste. Die hier zur galvanischen Trennung verwendeten Optokoppler sind aber auch verhältnismässig teuer und die dazu erforderliche Schaltanordnung kompliziert, so dass diese Schaltungs­ anordnung gesamthaft gesehen nachteilig ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Gattung anzugeben, die einfach und wirtschaftlich vorteil­ haft ist.

Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, dass in der Stromversorgungsanordnung mindestens ein alle Leitungen umfassender Abschnitt vorgesehen ist, wobei in jedem Abschnitt eine Shuntimpedanz vorhanden ist, die bei mehreren Ab­ schnitten in jedem Abschnitt in einer anderen Leitung angeschlossen sind aber in jedem Abschnitt den gleichen Impedanzwert aufweisen, und an jeder Ab­ schnittsgrenze an jeder Leitung eine jeweils den gleichen Impedanzwert auf­ weisende Messimpedanz angeschlosssen ist, deren andere Anschlüsse an jeder Abschnittsgrenze je in einem gemeinsamen Punkt miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei zwischen den zu den nacheinanderfolgenden Abschnitts­ grenzen gehörenden gemeinsamen Punkten eine dem in der zum jeweiligen Abschnitt gehörenden Shuntimpedanz fliessenden Strom proportionale Spannung auftritt. Bei dieser einfachen Schaltungsanordnung ist eine galvanische Trennung zwischen den Shuntimpedanzen und einer elektronischen Schutz- und/oder Steuer­ einrichtung nicht notwendig, weil die stromproportionalen Spannungen zwischen den gemeinsamen Punkten abgegriffen werden, die abgesehen von den kleinen stromproportionalen Spannungen das einheitliche Potential des Sternpunktes der dreiphasigen Stromversorgungsanordnung aufweisen. Die Einfachheit und die wirtschaftlichen Vorteile dieser Schaltungsanordnung sind augenfällig.

Vorteilhafterweise sind drei Abschnitte vorgesehen, wobei zwischen den zu den vor dem ersten Abschnitt und nach dem letzten Abschnitt liegenden Abschnitts­ grenzen gehörenden gemeinsamen Punkten eine nach einer der Shuntimpedanzen verbraucherseitig aus der Stromversorgungsanordnung fliessendem Erdstrom pro­ portionale Spannung auftritt. Diese Schaltungsanordnung kann mit Vorteil zur Speisung eines elektronischen Schutzrelais mit Ueberstrom- und Erdschlußstrom­ auslösung verwendet werden.

In der dreiphasigen Stromversorgungsanordnung können auch nur zwei Abschnitte vorhanden sein, wobei zwischen den zu den vor dem ersten Abschnitt und nach dem letzten Abschnitt liegenden Abschnittsgrenzen gehörenden gemeinsamen Punkten eine in der shuntfreien, dritten Leitung fliessendem Strom proportiona­ le Spannung auftritt. Diese vereinfachte Schaltungsanordnung erlaubt die Er­ fassung auch des in der shuntfreien, dritten Leitung fliessenden Stromes, obwohl nur zwei Shuntimpedanzen vorhanden sind.

Vorteilhafterweise ist jede Shuntimpedanz ein ohm′scher Widerstand. Auch jede Messimpedanz kann ein ohm′scher Widerstand sein.

An den Anschlüssen jeder Shuntimpedanz kann ein mit der zugeordneten Mess­ impedanz ausgangsseitig verbundener Verstärker angeschlossen sein, wobei bei mehreren Shuntimpedanzen alle Verstärker untereinander gleich sind. Durch diese Massnahme können bei Beibehaltung der Messgenauigkeit der gesamten Schaltungsanordnung höhere Abweichungen zwischen den Impedanzwerten der verwendeten Messimpedanzen zugelassen werden.

Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer stromproportionalen Spannung in einer dreiphasigen Stromversorgungsanordnung mit einer Shuntimpedanz,

Fig. 2 mit drei Shuntimpedanzen,

Fig. 3 mit zwei Shuntimpedanzen,

Fig. 4 die Schaltungsanordnung mit zwei Shuntimpedanzen und mit zwei Verstärkern.

Die in Fig. 1 dargestellte dreiphasige Stromversorgungsanordnung enthält die drei elektrischen Leitungen R, S, T und dient zur Versorgung der Last 1 mit elektrischer Energie. Die Schaltungsanordnung weist einen alle Leitungen R, S, T umfassenden Abschnitt auf, zwischen dessen Abschnittsgrenzen 2, 3 in der Leitung T ein Shuntimpedanz Z eingeschaltet ist. An den beiden Abschnitts­ grenzen 2, 3 sind an jeder Leitung R, S, T Messimpedanzen M angeschlossen. Alle Messimpedanzen M weisen den gleichen Impedanzwert auf. Die anderen, den Leitungen R, S, T abgekehrten Anschlüsse der Messimpedanzen M sind je Abschnittsgrenze 2, 3 je in einem gemeinsamen Punkt 4, 5 miteinander elektrisch leitend verbunden. Es lässt sich ableiten, dass die Spannung U _T zwischen den Punkten 4 und 5 dem in der Leitung T fliessenden Strom I _T proportional ist und ein Drittel des Produktes aus dem Impedanzwert der Shuntimpedanz Z in der Leitung T und aus dem Strom I _T , U _T =Z ×I _T /3 beträgt. Wenn in den Leitungen R, S, T kein Strom fliesst, weisen die gemeinsamen Punkte 4 und 5 das gleiche Potential auf, nämlich das Potential des Sternpunktes der Stromversorgungsanordnung. An den gemeinsamen Punkten 4 und 5 kann eine nicht dargestellte, elektronische Mess-, Schutz- und/oder Steuereinrichtung ohne Potentialtrennung angeschlossen werden.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist in drei Abschnitte aufgeteilt, zwischen deren Abschnittsgrenzen 6, 7, 8, 9 drei Shuntimpedanzen Z angeschlossen sind. In jedem Abschnitt ist eine Shuntimpedanz Z aber jeweils in einer anderen Leitung R, S, T angeordnet. Die Impedanzwerte der Shuntimpedanzen Z sind untereinander gleich. An den Abschnittsgrenzen 6, 7, 8, 9 sind an jeder Leitung R, S, T Messimpedanzen M angeschlossen, die untereinander den gleichen Impedanzwert aufweisen. Die den Leitungen R, S, T abgekehrten Anschlüsse der Messimpedanzen M sind pro Abschnittsgrenze 6, 7, 8, 9 je in einem gemein­ samen Punkt 10, 11, 12, 13 miteinander elektrisch leitend verbunden. Zwischen den Abschnittsgrenzen 6 und 7 liegt die Shuntimpedanz Z in der Leitung T. Zwischen den zu diesen Abschnittsgrenzen 6, 7 gehörenden gemeinsamen Punkten 10 und 11 wird eine dem in der Leitung T fliessenden Strom I _T proportionale Spannung U _T auftreten. Ihre Grösse ist ein Drittel des Produktes aus der Impedanzwert der Shuntimpedanz Z und aus dem Strom I _T . Aehnlich treten zwischen den gemeinsamen Punkten 11 und 12 dem Strom I _S und zwischen den gemeinsamen Punkten 12 und 13 dem Strom I _R proportionale Spannungen U _S und U _R auf. Die Grösse dieser Spannungen U _S und U _R ist jeweils ein Drittel des an der Shuntimpedanz Z vorhandenen Spannungsabfalls, U _S =Z×I _S /3 und U _R =Z×I _R /3. Zwischen den gemeinsamen Punkten 10 und 13, die vor dem ersten Abschnitt, an der Abschnittsgrenze 6, bzw. nach dem letzten Abschnitt, an der Abschnittsgrenze 9 liegen, wird eine Spannung U _E auftreten, die dem nach einer der Shuntimpedanzen Z in der Leitung R verbraucherseitig aus der Stromversorgungsanordnung fliessenden Erdstrom I _E proportional ist. Deshalb kann die Spannung U _E in einem nicht dargestellten Schutzrelais zu Erdschlußschutzzwecken verwendet werden. Die Grösse der Spannung U _E ist wiederum ein Drittel des Produktes aus dem Impedanzwert der Shuntimpedanzen Z und aus dem Erdstrom I _E . Die in der Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung kann den dreiphasigen Stromwandler in der im Prospekt der Firma Sprecher + Schuh AG, 5001 Aarau/Schweiz, Nr. 1.1012 d.SSA/3.87/55/10 (2252) auf Seite 25 angegebenen Schaltanordnung ersetzen, wobei diese Schalt­ anordnung noch mit einem Erdschlußschutz ergänzt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Schaltungsanordnung mit zwei, in zwei Abschnit­ ten untergebrachten Shuntimpedanzen Z. Diese beiden Abschnitte sind durch die drei Abschnittsgrenzen 14, 15, 16 begrenzt. Auch bei dieser Schaltungsanord­ nung sind an den Abschnittsgrenzen 14, 15, 16 an den Leitungen R, S, T Messimpedanzen M angeschlossen, die mit ihren anderen Anschlüssen pro Abschnittsgrenze 14, 15, 16 in den gemeinsamen Punkten 17, 18, 19 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Zum ersten Abschnitt gehört die in der Leitung T liegende Shuntimpedanz Z, wobei zwischen den dazugehörenden gemeinsamen Punkten 17 und 18 die dem Strom I _T proportionale Spannung, U _T =Z×I _T /3 auftritt. Zum nächsten zwischen den Abschnittsgrenzen 15, 16 liegenden Abschnitt gehört die Shuntimpedanz Z in der Leitung S, zwischen den dazugehörenden gemeinsamen Punkten 18 und 19 wird eine dem Strom I _S proportionale Spannung U _S messbar, deren Grösse U _S =Z×I _S /3 ist. Zwischen den gemeinsamen Punkten 17 und 19, die zur Abschnittsgrenze 14 vor dem ersten Abschnitt und zur Abschnittsgrenze 16, nach dem letzten Abschnitt gehören, kann eine dem Strom I _R in der shuntfreien Leitung R proportionale Spannung U _R erfasst werden. Die Grösse dieser Spannung ist U _R =Z× I _R /3. Diese nur mit zwei Shuntimpedanzen Z versehene Schaltungsanordnung kann bereits einen dreiphasigen Stromwandler ersetzen.

In der Regel werden für die Shuntimpedanzen Z und für die Messimpedanzen M rein ohm′sche Widerstände verwendet.

Um eine ausreichende Genauigkeit der stromproportionalen Spannungen U _R , U _S und U _T zu erreichen, sind an die Toleranzen der Impedanzwerte und an die Temperaturkoeffizienten der Messimpedanzen hohe Anforderungen gestellt. Um eine Messgenauigkeit für die Ströme I _R , I _S , I _T in einer 430 V Stromversorgungs­ anordnung von 5% zu erreichen, sollte die Toleranz der Impedanzwerte zwischen den einzelnen Messimpedanzen M nicht über 0,00025% und die Toleranz der Temperaturkoeffizienten zwischen den einzelnen Messimpedanzen M nicht über 0,16 ppm/°C liegen. Diese Toleranzwerte können wesentlich höher gesetzt werden, wenn der Spannungsabfall an den Shuntimpedanzen Z verstärkt wird. Fig. 4 zeigt eine solche Schaltungsanordnung. Die speisungsseitigen An­ schlüsse der Shuntimpedanzen Z sind an die nichtinvertierenden Anschlüsse der Operationsverstärker 20, 21 geführt. An den Ausgängen der Operationsverstär­ ker 20, 21 sind Messimpedanzen M angeschlossen, die bei der Anordnung nach Fig. 3 noch direkt an den speisungsseitigen Anschlüssen der Shuntimpedanzen Z angeschlossen waren. Zwischen den Ausgängen der Operationsverstärker 20, 21 und den lastseitigen Anschlüssen der Shuntimpedanzen Z ist je ein ohm′scher Teiler mit den Widerständen R ₁ und R ₂ angeschlossen. Der zwischen den Widerständen R ₁ und R ₂ liegende Abgriff des Teilers ist jeweils zum inver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkers 20, 21 geführt. Das Teilerverhältnis R ₁/R ₂ ergibt den wirksamen Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers. Zwischen den zu den Abschnittsgrenzen 22, 23, 24 gehörenden gemeinsamen Punkten 25, 26, 27 der Messimpedanzen M erscheint jeweils der um das Verhältnis R ₁/R ₂ verstärkte Spannungsabfall an den Shuntimpedanzen Z. Zwischen den vor dem ersten und nach dem letzten Abschnitt liegenden gemeinsamen Punkten 25 und 27 misst man auch in dieser Anordnung, wie in der Anordnung nach Fig. 3, eine dem in der shuntfreien Leitung R fliessenden Strom I _R proportionale aber im Verhältnis von R ₁/R ₂ verstärkte Spannung U _R .

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung mindestens einer stromproportionalen Spannung mit mindestens einem Shunt in einer dreiphasigen Stromversorgungs­ anordnung mit drei elektrischen Leitungen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stromversorgungsanordnung mindestens ein alle Leitungen (R, S, T) umfassen­ der Abschnitt vorgesehen ist, wobei in jedem Abschnitt eine Shuntimpedanz (Z) vorhanden ist, die bei mehreren Abschnitten in jedem Abschnitt in einer anderen Leitung (R, S, T) angeschlossen sind aber in jedem Abschnitt den gleichen Impedanzwert aufweisen, und an jeder Abschnittgsrenze (2, 3, 6, 7, 8, 9, 14, 15, 16, 22, 23, 24) an jeder Leitung (R, S, T) eine jeweils den gleichen Impedanzwert aufweisende Messimpedanz (M) angeschlosssen ist, deren andere Anschlüsse an jeder Abschnittsgrenze (2, 3, 6, 7, 8, 9, 14, 15, 16, 22, 23, 24) je in einem gemeinsamen Punkt (4, 5, 10, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 25, 26, 27) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei zwischen den zu den nacheinanderfolgenden Abschnittsgrenzen (2, 3, 6, 7, 8, 9, 10, 14, 15, 16, 22, 23, 24) gehörenden gemeinsamen Punkten (4, 5, 10, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 25, 26, 27) eine dem in der zum jeweiligen Abschnitt gehörenden Shuntimpedanz (Z) fliessenden Strom proportionale Spannung (U _R , U _S , U _T ) auftritt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Abschnitte vorhanden sind, wobei zwischen den zu den vor dem ersten Abschnitt und nach dem letzten Abschnitt liegenden Abschnittsgrenzen (6, 9) gehörenden gemeinsamen Punkten (10, 13) eine nach einer der Shuntimpedanzen (Z) ver­ braucherseitig aus der Stromversorgungsanordnung fliessendem Erdstrom (I _E ) proportionale Spannung (U _E ) auftritt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Abschnitte vorhanden sind, wobei zwischen den zu den vor dem ersten Abschnitt und nach dem letzten Abschnitt liegenden Abschnittsgrenzen (14, 16, 22, 24) gehörenden gemeinsamen Punkten (17, 19, 25, 27) eine in der shuntfreien, dritten Leitung (R) fliessendem Strom proportionale Spannung (U _R ) auftritt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass jede Shuntimpedanz (Z) ein ohm′scher Widerstand ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass jede Messimpedanz (M) ein ohm′scher Widerstand ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass an den Anschlüssen jeder Shuntimpedanz (Z) ein mit der zugeord­ neten Messimpedanz (M) ausgangsseitig verbundener Verstärker (20, 21) ange­ schlossen ist, wobei bei mehreren Shuntimpedanzen (Z) alle Verstärker (Z) untereinander gleich sind.