HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft generell Stromversorgungen und im
einzelnen ein Schaltnetzteil, welches in der Anwendung von
Leistungsschaltern besonders nützlich ist.
Stand der Technik
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In elektrischen Leistungsverteilungssystemen werden
Leistungsschalter zum Schutz von Netzleitungen und anderen
Leistungsverteilungsgeräten gegen Überstromflüsse, die
gewöhnlich die Stromleiter überhitzen und somit beschädigen,
eingesetzt. Leistungsschalter tragen und überwachen den Strom,
der durch die Leistungsverteilungsleitungen fließt. Wenn
dieser Strom in einer bestimmten Leitung ein unerwünscht hohes
Niveau erreicht, unterbricht eine Auslösevorrichtung oder ein
Auslöseschalter, der mit dem Leistungsschalter in Verbindung
steht, den Stromfluß in der Netzleitung, gewöhnlich indem er
ein elektromagnetisches Relais, das in Reihe mit der Leitung
geschaltet ist, unter Strom setzt. Jeder Leistungsschalter
beinhaltet ein Stromüberwachungsschaltsystem, ein
Auslöseermittlungsschaltsystem und ein Schaltsystem, das die
Auslösevorrichtung speist.
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Zudem bieten viele Leistungsschalter, die auf industriellen
Gebieten benutzt werden, ein hochentwickeltes
Verzögerungsschaltungssystem zur Maximierung der Leistungsabführung und
zur Vermeidung unnötiger Auslöse-, Alarm- oder
Meldeschaltsysteme und anderer Arten von Fehlerermittlungsschaltsystemen,
wie ein Schaltsystem zur Erdschlußerfassung.
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Eine Leistungsversorgung wird benötigt, um während des
Betriebs ausreichend Strom an das Schaltsystem des
Leistungsschalters zu liefern. Da Leistungsschalter den Strom in den
Verteilerleitungen überwachen, kann Leistung einfach von den
Verteilerleitungen entnommen werden, um Strom für die
Leistungsversorgung zu liefern. Leistungsschalter dieser Art
werden allgemein "störungsempfindliche" Leistungsschalter
genannt. Ein Vorteil störungsempflindlicher Leistungsschalter
ist, daß sie über eine große Spanne von Leitungsstrom
betrieben werden, um somit den korrekten Betrieb des
Leistungsschalters sicherzustellen. Zum Beispiel ist, wenn ein
Erdschluß besteht und Strom durch einen Außenleiter von der
Leitung entnommen wird, wie wenn der Leiter mit einem
Motorengehäuse Kontakt bekommt, der Leitungsstrom niedrig; die
Leistungsversorgung muß jedoch immer noch imstande sein, das
damit verbundene Schaltsystem und das Auslöserelais
ausreichend zu speisen, um so die betroffene Netzleitung zu
isolieren und zu verhindern, daß der Erdschluß einen Schaden
anrichtet. Dem entgegengesetzt kann ein "Kurzschluß" Ströme in
der Netzleitung erzeugen, die um einige Male größer sind als
der Nennwert der Leitung. Um Schäden durch einen derartig
starken Überstrom zu vermeiden, hat die Leistungsversorgung
einen Überspannungsschutz, so daß sie auch weiterhin das mit
ihr verbundene Schaltsystem und das Auslöserelais speist, um
so die betroffene Netzleitung zu isolieren und zu verhindern,
daß die Netzleitung und damit verbundene elektrische Geräte
Schaden leiden. Ein Überstromzustand kann Strome von über
zwanzigmal größer als der Strom, der während eines
Erdschlußstadiums entsteht, verursachen, und die
Leistungsversorgung muß imstande sein, eine Ausgangsleistung zu
liefern, die geeignet ist, das Schaltsystem des
Leistungsschalters über diese gesamte Reichweite des Betriebs
zu speisen.
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Obwohl störungsempfindliche Leistungsschalter viele
Vorteile gegenüber von außen gespeisten Leistungsschaltern
haben, sind dennoch einige Nachteile vorhanden. Die leichteste
und einfachste Leistungsversorgung ist eine lineare
Leistungsversorgung, die zwar bei Mindesteingangspegeln
ausreichende Strom liefert, ihn jedoch bei höheren
Eingangspegeln verschwendet. Diese innewohnende Unfähigkeit
der linearen Leistungsversorgungen wird durch Schaltnetzteile
überwunden. Schaltnetzteile können jedoch das Leistungssignal
verzerren und die Meßfunktion als Resultat der Laständerung,
die dem Stromwandler bei Schaltung der Leistungsversorgung
präsentiert wird, stören. Da das vom Stromwandler überwachte
Leistungssignal vom Auslöseermittlungssystem zur Steuerung der
Auslösevorrichtung benutzt wird, reduziert ein verzerrtes
Signal die Genauigkeit des Auslöseermittlungssystems. Diese
reduzierte Genauigkeit kann den Leistungsschalter zu einer
unnötigen Auslösung veranlassen oder dazu, daß er während
eines Überlastungszustandes weiterhin Strom durchfließen läßt.
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Zudem können bestimmte störungsempfindliche
Leistungsschalter, besonders während eines Zustandes des geringen
Stromflußes, nicht ausreichend Leistung bereitstellen. Zu
solchen Zeiten reicht die zur Verfügung stehende Leistung
nicht aus, elektromagnetische Auslöserelais, die während der
Betätigung eine wesentliche Leistungsmenge entnehmen, zu
speisen. Um diesen Nachteil zu überwinden, beschreibt US
Patent Nr. 4,258,403, am 24. März 1981 an Shimp herausgegeben,
einen Erdschlußleistungsschalter, der einen
Zeitsteuerungskondensator über einen Summierstromwandler läd. Wenn die
Ladung im Zeitsteuerungskondensator ein vorherbestimmtes
Niveau erreicht, wird der Kondensator über die Auslösewicklung
des Leistungsschalters vollkommen entladen. Der elektrische
Strom reicht aus, die Auslösewicklung dazu anzutreiben, die
Netzleitung zu unterbrechen. Daher erzeugt der
Leistungsschalter, während ein niedriger Strom besteht,
ausreichend Leistung, die Netzleitung zu unterbrechen, um
einen möglichen Schaden zu vermeiden. Shimp's Schaltung
benutzt jedoch den Zeitsteuerungskondensator nur, um die
Auslösewicklung anzutreiben, so daß die Schaltung die
Leistungsversorgung während eines Erdschlußzustandes nicht
unterstützt. Stattdessen wird der separate
Zeitsteuerungskondensator als Teil des Auslöseschaltungssystems verwendet,
so daß das Auslöseschaltungssystem nicht nur das Auslösesignal
einleitet, sondern ebenfalls die zur Antreibung der
Auslösewicklung benötigte Leistung liefert. Die vorliegende
Erfindung zielt darauf hin, eines oder mehrere der oben
aufgeführten Probleme zu überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine
leistungsfähige und genaue Leistungsversorgung zu schaffen.
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Ein wichtiger Zweck der vorliegenden Erfindung ist es,
eine Leistungsversorgung zu schaffen, die die Verzerrung des
Stromsignals minimalisiert.
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Ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Leistungsversorgung in Einklang mit oben genannten Zwecken mit
einer minimalen Anzahl von Bauteilen zu schaffen.
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Noch ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es,
eine Leistungsversorgung zu schaffen, die einen mit ihr
verbundenen Leistungsschalter gut mit Strom versorgt,
besonders unter Bedingungen eines schwachen Stromflusses.
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Diese und andere Zwecke der vorliegenden Erfindung werden
mittels einer Leistungsversorgung für einen Leistungsschalter
realisiert, die über einen Stromwandler gespeist wird, welcher
Strom in dem vom Leistungsschalter überwachten Leiter erfaßt.
Die Leistungsversorgung ist so konstruiert, daß sie nahe den
Nullpunkten des Stromsignals schaltet, um die Laständerungen
im Stromwandler zu minimalisieren und somit die Verzerrung des
Stromsignals zu verhindern. Um die Einflüsse der Last weiter
zu verringern und Strom zu sparen, wird das erfaßte
Stromsignal fast während des ganzen Betriebszykluses über
einen niederohmigen Strompfad geleitet. Nur nahe den
Nullpunkten im Stromsignal wird das erfaßte Stromsignal
benutzt, um Strom an das Aufladeschaltungssystem innerhalb der
Leistungsversorgung zur Weiterleitung an den Leistungsschalter
zu liefern.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird eine
Leistungsversorgung für einen Leistungsschalter geschaffen, welche
folgendes aufweist: Vorrichtungen zur Lieferung eines
Stromsignals, das eine Stärke hat, die der eines durch einen
eiter fließenden Stromes entspricht; eine Ladeschaltung, die
durch das genannte Stromsignal betrieben wird, und die ein
Spannungssignal, das eine Stärke hat, die der in der genannten
Ladeschaltung gespeicherten Ladung entspricht, liefert;
Vorrichtungen zur Erzeugung eines Stromsignals, das dem
genannten gelieferten Spannungssignal entsprich; einen
niederohmigen Schaltkreis, der die genannte Ladeschaltung
umgeht; einen Überbrückungsschalter, der das genannte
Stromsignal zu dem genannten Speicherteil leitet, und der das
genannte Stromsignal zu dem genannten niederohmigen Strompfad
umleitet; einen Spannungsregler, der das genannte
Spannungssignal empfängt und dieses genannte Spannungssignal
einschränkt und somit ein Gleichstrom-Spannungssignal
produziert; einen Belastungswiderstand, der eine dem genannten
Stromsignal entsprechende Spannung besitzt, und welcher ein
Rückkopplungssignal, das eine dem Strom in dem genannten
Leiter entsprechende Stärke hat, liefert, wobei das
Rückkopplungssignal nahe den Null-Kreuzungspunkten des
genannten Stromsignals größer ist als das genannte
Spannungssignal; und einen Vergleicher, der die Stärke des genannten
Rückkopplungssignals mit der Stärke des genannten
Spannungssignals vergleicht und ein Schaltsignal an den genannten
Überbrückungsschalter als Reaktion darauf, daß die Stärke des
genannten Spannungssignals größer ist als die Stärke des
genannten Rückkopplungssignals, abgibt, um so das genannte
Stromsignal zu dem genannten niederohmigen Strompfad
umzuleiten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Andere Zwecke und Vorteile der Erfindung werden bei lesen
der nachfolgenden Detailbeschreibung und bei nachschlagen der
Zeichnungen offensichtlich, wobei:
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Figur 1 ein Blockschaltbild einer störungsempfindlichen
Leistungsversorgung nach der vorliegenden Erfindung ist;
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Figur 2 eine Illustration der Wellenformen an
verschiedenen Stellen im Diagramm der Figur 1 ist;
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Figur 3 eine schematische Darstellung der bevorzugten
Ausführungsform eines störungsempfindlichen Schaltnetzteiles
in Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist; und
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Figur 4 eine schematische Darstellung eines
störungsempfindlichen Schaltnetzteiles ist, das eine alternierende
Energiequelle in Einklang mit einer alternierenden
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt.
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Obwohl sich die Erfindung für verschiedene Modifikationen
und alternative Formen verwenden läßt, wurden spezifische
Ausführungsformen dieser als Beispiele in den Zeichnungen
dargestellt und werden in Einzelheiten näher hierin
beschrieben. Es wird jedoch zu verstehen gegeben, daß man
nicht die Absicht hat, die Erfindung auf die im Einzelnen
dargestellten Formen zu beschränken, sondern man hat, im
Gegenteil, die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente und
Alternativen zu erfassen, die unter die in den
Patentansprüchen definierten Ausführungen der Erfindung fallen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Wir wenden uns jetzt den Zeichnungen zu und beziehen uns
anfänglich auf Figur 1 und 2, worin die Leistungsversorgung 10
Strom über die Ausgangsleitung 11 an den Auslöseschalter oder
das damit zusammenhängende Schaltsystem (nicht gezeigt) des
Leistungsschalters über eine weite Spanne von
Leistungsschwankungen der Leitung in einer leistungsfähigen Weise
liefert, indem sie den Leistungseingang als eine Funktion des
Leitungsstroms umschaltet. Figur 2 zeigt Wellenformen, die
verschiedene Stadien des Betriebs der Leistungsversorgung 10
an verschiedenen Knoten im Schaltkreis darstellen. Ein
Stromwandler 12 liefert Strom an die Leistungsversorgung 10,
indem er durch die Netzleitung 14 fließenden Strom ermittelt.
Zum Beispiel alterniert der Strom in der Netzleitung 14 im
industriellen Anwendungsgebiet um 50 oder 60 Hertz mit einem
durchschnittlichen Gleichstromwert von Null und einem
Spitzenwert von 100 Ampere. Ein Vollweggleichrichter 16 wandelt das
Wechselstromsignal in ein gleichgerichtetes Stromsignal um,
das einen durchschnittlichen Gleichstromwert von ca. 70/n
Ampere und einen Spitzenwert von 100/n Ampere hat, wobei "n"
das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers 12 ist. Zum
Beispiel ergibt ein Leitungsstrom mit einem Spitzenwert von
ca. 100 Ampere ein gleichgerichtetes Stromsignal mit einem
Spitzenwert von ca. 10 Ampere, wenn man einen Stromwandler mit
einem Übersetzungsverhältnis von 50:5 verwendet. Das
gleichgerichtete Signal schafft Strom für den Auslöseschalter und
steht über den positiven Ausgang des Gleichrichters 16 und
seinen negativen Ausgang, der durch einen Belastungswiderstand
24 mit der Erdung verbunden ist, zur Verfügung.
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Um die Leistung gut zu nutzen, überwacht ein
Überbrückungsschalter 18 die Lieferung des gleichgerichteten Signals an den
Rest der Leistungsversorgung. Beim Schaltvorgang wird das vom
Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal selektiv
abgetastet, um Strom für die Leistungsversorgung 10 zu
schaffen. Wenn der Überbrückungsschalter 18 offen ist, leitet
er das gleichgerichtete Signal an eine Ladeschaltung 20
weiter. Die Ladeschaltung 20 fungiert als Speichergerät, um
die peripheren Schaltungen mit Strom zu versorgen, so daß nur
eine minimale Leistung vom Stromwandler 12 während einer
vorherbestimmten Länge des Arbeitszykluses entnommen wird. Das
gleichgerichtete Signal läd die Ladeschaltung 20 während der
Abtastzeit bis zu einer Spitzenspannung auf. Das
Spannungssignal, das von der Ladeschaltung 20 geliefert wird, wird
vorzugsweise von einem Spannungsregler 22 bestimmt. Der
Spannungsregler beschränkt die von der Ladeschaltung 20
ausgehende Spannung, so daß die daraus resultierende
regulierte Wellenform der Gleichstromspannung weitgehend
schwankungsfrei ist. Die regulierte Ausgangsspannung eignet
sich dazu, den Rest des Schaltsystems zu speisen und hält
einen typischen Wert von +5 Volt oder +15 Volt.
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Wenn er geschlossen ist, bietet der Überbrückungsschalter
18 einen niederohmigen Strompfad für das vom
Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal. Das vom Vollweggleichrichter
16 gleichgerichtete Signal umgeht die Ladeschaltung 20, um so
durch den Überbrückungsschalter 18 und den
Belastungswiderstand 24 zur Erdung zu fließen. Während dieser Zeit steht
das vom Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal nicht zur
Wiederaufladung der Ladeschaltung 20 zur Verfügung, und die
Ladeschaltung 20 entläd in Reaktion darauf, dar der Strom bei
Ausgang 11 der Leistungsversorgung 10 in Anspruch genommen
wird.
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Der Belastungswiderstand 24 soll einen niedrigen
Widerstandswert haben, typischerweise ca. 10 Ohm. Daher
entnimmt, wenn der von der Leistungsversorgung 10 geforderte
Strom durch die Ladeschaltung 20 bei der Entladung geliefert
wird, die Leistungsversorgung 10, aufgrund des niedrigen
Widerstandes des Belastungswiderstandes 24, wenig Leistung aus
den Netzleitungen. Schaltung des vom Vollweggleichrichter
gleichgerichteten Signals zum niederohmigen Strompfad spart
ebenfalls Strom, da der durch den Belastungswiderstand 24
geschaffene niedrige Widerstand wesentlich weniger Strom
verbraucht, als die Lädeschaltung 20. Die Ausgangsspannung der
Ladeschaltung 20 fällt, da sie weiterhin entläd, solange der
Überbrückungsschalter 18 geschlossen bleibt. Wenn der Schalter
sich wieder öffnet, wird wieder Strom vom Stromwandler 12 zur
Wiederaufladung der Ladeschaltung 20 entnommen, um so die an
den Spannungsregler 22 gelieferte Spannung auf einem Niveau zu
halten, das ausreicht, das periphere Schaltsystem zu
betreiben.
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Der Betrieb des Überbrückungsschalters 18 wird durch
einen Vergleicher 26 überwacht, der über seinen nicht-
invertierenden Eingang (Wellenknoten C) und von einer
Rückkopplungsschaltung 28 über seinen invertierenden Eingang
(Wellenknoten B) Signale von der Ladeschaltung 20 empfängt.
Diese Signale bestimmen, wann der Vergleicher 26 den
Überbrückungsschalter 18 zwischen den Stadien leitend
(geschlossen) und nicht-leitend (offen) schaltet. Das Signal
von der Ladeschaltung 20 entspricht der Ausgangsspannung der
Ladeschaltung 20, und das Signal von der
Rückkopplungsschaltung 28 entspricht dem Strom in der Netzleitung. Das
Signal von der Rückkopplungsschaltung 28 wird von einem Signal
abgeleitet, das über den Belastungswiderstand 24 entnommen
wird, welches im wesentlichen ein Spiegelbild des vom
Vollweggleichrichter gleichgerichteten Signals ist und als
umschaltender Eingang für den Vergleicher 26 fungiert.
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Wie man aus der Figur 2A entnehmen kann, erscheint die
Wellenform des invertierenden Eingangs (Wellenknoten B) als
ein invertiertes, vom Vollweggleichrichter gleichgerichtetes
Signal mit einer positiven Gleichstromverschiebung. Die
Wellenform am nicht-invertierenden Eingang (Wellenknoten C)
erscheint als ein Rampensignal, das eine positive
Gleichstromverschiebung hat, und das wiederholt das invertierte, vom
Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal durchschneidet.
Wenn sich diese Wellenformen überschneiden, das heißt, wenn
die von diesen Wellenformen dargestellten Signale miteinander
gleich sind, schaltet der Vergleicher 26 seinen Ausgang. Der
Ausgang des Vergleichers 26 ist. mit dem Überbrückungsschalter
18 zwischen leitenden und nicht-leitenden Stadien verbunden.
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Figur 2B zeigt den Betrieb des Überbrückungsschalters 18
in Verbindung mit den in Figur 2A gezeigten Schnittpunkten der
Wellenformen. Während des ersten Zeitraumes ist der
Überbrückungsschalter 18 geschlossen. Wenn er geschlossen ist,
vervollständigt der Überbrückungsschalter 18 den niederohmigen
Strompfad durch den Belastungswiderstand 24 und den
Vollweggleichrichter 16 zur Erdung. Das hereinkommende, vom
Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal bevorzugt den vom
Widerstand 24 gebotenen niederohmigen Strompfad und umgeht
somit die Ladeschaltung 20. Daher entläd die Ladeschaltung 20
während des ersten Zeitraumes T1, um den Spannungsregler 22 zu
speisen. Dies ist bei Zeitraum T1 der Wellenform in Figur 2C
klar dargestellt, welches den Ausgang der Ladeschaltung 20 bei
Wellenknoten, C darstellt.
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Nochmals auf Figur 2A bezogen, wenn die Ladeschaltung 20
entläd, fällt die Stärke des Signals am nicht-invertierenden
Eingang des Vergleichers 26 unter die Stärke des Signals am
invertierenden Eingang und veranlaßt somit den Ausgang des
Vergleichers 26, von einem Stadium aufs andere umzuschalten.
Da der Ausgang des Vergleichers 26 den Überbrückungsschalter
18 überwacht, wechselt auch dieser das Stadium und öffnet sich
in dem Zeitraum T2. Der Überbrückungsschalter 18 leitet, wenn
er offen ist, das vom Vollweggleichrichter gleichgerichtete
Signal zur Ladeschaltung 20, um die Ladeschaltung wieder
aufzuladen, wie die ansteigende Spannung in Zeitraum T2 der
Figur 2C zeigt. Während des Zeitraumes T2 erhöht sich die
Ladung in der Ladeschaltung, so daß die Stärke des Signals am
nicht-invertierenden Eingang des Vergleichers 26 ansteigt.
Wenn die Stärke des Signals am nicht-invertierenden Eingang
größer wird, als die Stärke des Signals am invertierenden
Eingang, schaltet der Vergleicher 26 von einem Stadium zum
anderen und schließt den Überbrückungsschalter 18, um so das
vom Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal über den
niederohmigen Strompfad zu leiten.
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Nach einem wichtigen Aspekt dieser Erfindung, wird eine
im wesentlichen konstante Belastung im Stromwandler 12
gehalten, indem man sicherstellt, daß der
Überbrückungsschalter 18 nahe den Nullpunkten des vom Vollweggleichrichter
gleichgerichteten Signals, welche wiederum den Null-
Kreuzungspunkten des Stromsignals in der Netzleitung
entsprechen, von einem Stadium ins andere schaltet. Eine
Änderung in der Belastung bringt Fehler im Ausgangsstrom des
Stromwandlers 12 mit sich, was unzumeidbare Fehler in dem vom
Belastungswiderstand 24 kommenden Signal hervorrufen kann. Die
Rückkopplungsschaltung dient als Mittel zur Feststellung
dieser Null-Kreuzungspunkte, so daß der Überbrückungsschalter
18 über den Null-Kreuzungspunkten geschaltet wird. In Figur 2A
stellen
die oberen Spitzen der Wellenform bei Wellenknoten B
Null-Kreuzungspunkte dar. Wie darin gezeigt, öffnet der
Vergleicher 26 den Überbrückungsschalter 18 nahe den Null-
Kreuzungspunkten, so daß die Ladeschaltung 20 während des
Zeitraumes T2 aufläd.
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Weil die Wiederaufladung der Ladeschaltung 20 eine
beträchtliche Menge Leistung entzieht, ist es wichtig, daß die
Wiederaufladung auf eine solche Weise vorgenommen wird, daß
sie nur einen minimalen Lasteinfluß auf das Stromsignal
ausübt. Da der Lasteinfluß auf eine Eingangsquelle im direkten
Verhältnis zur Höhe des Eingangsstroms durch die
Eingangsimpedanz steht, wird die Schaltung nahe den Null-
Kreuzungspunkten des Stromsignals vorgenommen, wo die
Eingangsleistung so niedrig ist, daß das Eingangssignal nur
geringen Lasteinflüssen unterliegt. Die Lasteinflüsse sind
typischerweise akzeptabel, wenn ca. 10 bis 30 Prozent des
Spitzenwertes der vom Vollweggleichrichter gleichgerichteten
Signale zur Ladung verwendet werden. Ein kleiner Prozentsatz
des gleichgerichteten Signals kann jedoch während des
Wiederaufladezykluses abgetastet werden, wenn dieser Teil
ausreicht, genügend Leistung für die mit dem Ausgang der
Leistungsversorgung verbundenen peripheren Schaltungen zu
schaffen. Während des verbleibenden Stromzykluses geht das vom
Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal durch den
niederohmigen Strompfad, was, verglichen mit dem
Wiederaufladungszyklus, wenig Strom verbraucht.
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Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer
bestimmten Ausführungsform der Leistungsversorgung 10 der Figur 1,
worin dieselben Referenznummern mit den entsprechenden Teilen
der Leistungsversorgungsschaltung in Figur 1 übereinstimmen.
Der Stromwandler 12 erfaßt den Strom in der Netzleitung 14 und
leitet das erfaßte Stromsignal an einen gewöhnlichen
Vollweggleichrichter 16 weiter, welcher vier Dioden 31-34
umfaßt, die in Form eines normalen Brückengleichrichters
verbunden sind. Der Vollweggleichrichter 16 gibt bei
Wellenknoten A ein vom Vollweggleichrichter gleichgerichtetes
Signal ab, welches dem Pfad des geringsten Widerstandes folgt,
entweder durch den Überbrückungsschalter 18 oder durch die
Ladeschaltung 20.
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Der Überbrückungsschalter 18 weist einen Transistor 36
auf, der eine geerdete Emissionselektrode besitzt. Der
Kollektor des Transistors 36 ist mit dem Ausgang des
Gleichrichters 16 bei Wellenknoten A verbunden, und der
Unterteil ist durch einen Widerstand 60 und über die
Emissionselektrode eines Transistors 54 mit der Erdung
verbunden. Der Kollektor des Transistors 54 ist mit der
Verbindungsstelle zweier Widerstände, 56 und 58, die zu dem
Anoden- und Kathodenende einer Diode 57 führen, welche den
Wellenknoten A an die Ladeschaltung 20 anschließt verbunden.
Der Unterteil des Transistors 54 steht durch einen Widerstand
59 mit dem Ausgang des Vergleichers 26 in Verbindung, welcher
einen Operationsverstärker 53 mit einem Widerstand 55 in
seinem positiven Rückkopplungspfad aufweist.
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Die Ladeschaltung 20 umfaßt ein Ladeelement in Form eines
Kondensators 38, der zwischen der Diode 57 bei Wellenknoten A
und der Erdung angeschlossen ist. Am Diodenende ist der
Kondensator 38 mit der Verbindungsstelle des Spannungsreglers
22, der zum Ausgang 11 führt und eines Widerstandes 42, der
zum Wellenknoten C führt, verbunden. Wellenknoten C wird durch
die Verbindungsstelle eines Widerstandes 44 und eines
Kondensators 46 bestimmt, die parallel über die Erdung
verbunden sind, und ist ebenfalls mit dem nicht-invertierenden
Eingang des Verstärkers 53 des Vergleichers 26 verbunden.
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Die Rückkopplungsschaltung 28 weist einen Widerstand 48
auf, der mit einem Belastungswiderstand 24 verbunden ist und
durch eine Zener Diode 52 zum Wellenknoten B führt, welcher
mit dem invertierenden Eingang des Vergleichers 53 und durch
einen Widerstand mit dem Ausgang 11 des Umrichters
verbunden ist, und ebenfalls mit der Verbindungsstelle des
Widerstandes 48 und der Anode der Zener Diode 50, deren
Kathode mit der Erdung verbunden ist.
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Zur Überwachung des Pfades des vom Vollweggleichrichter
gleichgerichteten Signals wird die Spannung über den
Kondensator 38 mit dem Rückkopplungssignal vom
Belastungswiderstand 24 verglichen. Der Kondensator 38 läd zu einer
höheren Spannung als der Ausgangsspannung vom Spannungsregler
22 auf und hat somit eine positive Gleichstromverschiebung,
wie in Figur 2C gezeigt. Das Rückkopplungssignal, das vom
Signal über den Belastungswiderstand 24 erzeugt wurde, ist im
wesentlichen ein Spiegelbild des vom Vollweggleichrichter
gleichgerichteten Signals. Da der Spannungsabfall über den
Belastungswiderstand 24 in Bezug auf die Erdung negativ ist,
hat das Signal eine negative Gleichstromverschiebung. Daher
wird das Rückkopplungssignal dem Ausgang des Spannungsreglers
22 überlagert (bei Wellenknoten B), um ihm eine positive
Gleichstromverschiebung zum Vergleich mit dem Ausgangssignal
vom Kondensator 38 zu geben.
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Im Vergleicher 26 formen die zwei Widerstände 42 und 44
am nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 53 einen
Spannungsteiler 40. Der Spannungsteiler vermindert die
Gleichstromverschiebung des Ausgangs des Kondensators 38, so
daß die Stärke des Signals der Stärke des Signals am
Wellenknoten B ähnlich ist. Der zweite parallel zum Widerstand
44 angeschlossene Kondensator fungiert als ein Tiefpaßfilter,
um Oberwellen höherer Ordnungszahl daran zu hindern, das
Signal am nicht-invertierenden Eingang des Vergleichers 26 zu
kontaminieren. Der invertierende Eingang des Vergleichers 26
empfängt ein spannungsbegrenztes Rückkopplungssignal von der
Rückkopplungsschaltung 28. Das invertierte, vom
Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal über den Belastungswiderstand
24 ist durch einen Widerstand 48 und die Zener Diode 50
begrenzt, so daß das Rückkopplungssignal eine maximale
positive Spannung von ca. 0,7 Volt und eine maximale negative
Spannung von ca. -2,0 bis -4,0 Volt hat, ehe es mit dem
Ausgang des Spannungsreglers 22 bei Wellenknoten B verbunden
wird. Als Alternative kann die Zener Diode 50 durch eine,
Signaldiode ersetzt werden, um die negative Spannung auf ca.
-0,7 Volt zu begrenzen. Die zweite Zener Diode 52 isoliert die
Rückkopplungsschaltung 28 von der Ausgangsspannung des
Spannungsreglers 22.
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Wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang des
Vergleichers 26 die Spannung am invertierenden Eingang
übersteigt, gibt der Vergleicher 26 ein "hohes" oder positives
Spannungssignal ab, um einen Transistor 54 leitend zu machen.
Wenn der Transistor 54 leitend ist, fließt Strom durch zwei
parallele Widerstände 56, 58, den Transistor 54 und einen
Widerstand 60 zur Erdung. Der durch den Widerstand 60
fließende Strom erzeugt am Unterteil des Transistors 36 ein
"hohes" Spannungssignal, welches den Transistor 36 leitend
macht, um so einen niederohmigen Pfad für das vom
Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal zu schaffen. Die Diode
54 isoliert den Kondensator 38 vom kurzgeschlossenen Schalter,
um den Kondensator 38 daran zu hindern, sich über den
niederohmigen Pfad zu entladen. Wie schon vorher mit Bezug auf
Figur 2 erklärt, läd der niederohmige Pfad den Stromwandler 12
durch den Belastungswiderstand 24 weder wesentlich auf, noch
wird der Kondensator 38 während dieser Zeit aufgeladen.
Während das vom Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal
zum niederohmigen Pfad umgeleitet wird, entläd sich der
Kondensator 38, um den Spannungsregler 22 mit genügend
Leistung für die verbundenen Schaltungen zu versorgen.
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Während sich der Kondensator 38 entläd, fällt die
Spannung am nicht-invertierenden Eingang des Vergleichers 26
unter das Niveau der Spannung am invertierenden Eingang. Dies
veranlaßt den Vergleicher 26, ein "niedriges Spannungssignal
abzugeben (0,5 Volt), um den Transistor 54 nicht-leitend zu
machen. Da der Transistor 54 nun keinen Strom mehr leitet,
fließt auch kein Strom durch den Widerstand 60, und es
erscheint keine Spannung am Unterteil des Transistors 36.
Daher wird der Transistor 36 nicht-leitend und stellt effektiv
für das vom Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal bei
Wellenknoten A einen offenen Stromkreis dar. Da dem vom
Vollweggleichrichter gleichgerichteten Signal nur ein Weg zur
Verfügung steht, empfängt der Kondensator 38 ein vom
Vollweggleichrichter gleichgerichtetes Signal. Der Kondensator
38 läd sich auf, bis die Spannung am nicht-invertierenden
Eingang des Vergleichers 26 die Spannung am invertierenden
Eingang übersteigt. Wenn dies passiert, schließt der
Vergleicher 26 den Überbrückungsschalter 18 wieder, indem er
ein "hohes" Spannungssignal liefert, das die Transistoren 36
und 54 wieder leitend macht.
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Der Kondensator 38 läd sich nahe den
Null-Kreuzungspunkten des Stromsignals in der Netzleitung auf, was in der
Natur der vom Vergleicher 26 verglichenen Signale liegt.
Während das Ausgangssignal vom sich entladenden Kondensator 38
fällt, steigt das Rückkopplungssignal. Wenn die Stärke der
Signale gleich ist, schaltet der Vergleicher 26 von einem
Stadium ins andere, um es dem Kondensator 38 zu ermöglichen,
sich durch Empfangen des vom Vollweggleichrichter
gleichgerichteten Signals wieder aufzuladen. Da sich der
Kondensator 38 ebenfalls wieder aufläd, steigt die
Ausgangsleistung des Kondensators 38. Während des
Wiederauflade-Zeitraumes T2, erreicht das Rückkopplungssignal
eine Spitze, die mit einem Null-Kreuzungspunkt in einem
überwachten Stromsignal übereinstimmt, und beginnt dann zu
fallen. Wenn die Stärke wieder gleich ist, schaltet der
Vergleicher 26 von einem Stadium ins andere, so daß das vom
Vollweggleichrichter gleichgerichtete Signal den Kondensator
38 umgeht und es somit dem Kondensator 38 möglich macht, sich
zu entladen, um Ausgangsleistung für die Leistungsversorgung
10 zu schaffen.
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Bei bestimmten Anwendungen ist es notwendig, daß die
Leistungsversorgung, die eine Leistungsschaltereinrichtung
beliefert, dazu imstande sein muß, Strombedürfnisse schnell
zufriedenzustellen. Nach dieser Erfindung wird dieses
Bedürfnis durch die Bereitstellung einer alternierenden
Stromquelle innerhalb der Leistungsversorgung
zufriedengestellt. Eine solche Einrichtung ist in Figur 4 für eine
Stromversorgung, die, nach einer alternativen Ausführungsform
dieser Erfindung, für den Betrieb mit einer Drei-Phasen-
Stromquelle angepaßt wurde, illustriert.
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Die Leistungsversorgung 70 in Figur 4 ist mit der
Leistungsversorgung 10 in Figur 3 identisch, außer, daß sie
eine alternierende Stromquelle 72 und separate Stromwandler
12a, 12b und 12c zur Erfassung des Stroms in jeder der drei
Leitungen der Drei-Phasen-Stromquelle schafft. Der Betrieb des
Überbrückungsschalters 18, der Ladeschaltung 20, des
Vergleichers 26, des Spannungsreglers 22 und der
Rückkopplungsschaltung 28 ist identisch mit der in Bezug auf Figur
3 beschriebenen Arbeitsweise und wird daher hier nicht
beschrieben. In der Leistungsversorgung in Figur 4 wird der
von jedem der drei Stromwandler 12a, 12b und 12c ermittelte
Strom durch entsprechende in Reihe geschaltete
Vollweggleichrichter 16a, 16b und 16c gleichgerichtet. Weil die
Gleichrichter in Reihe geschaltet sind, ist das Stromsignal am
Wellenknoten A dem stärksten der drei mit dem
Vollweggleichrichter gleichgerichteten Stromsignalen gleich.
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Die alternierende Stromquelle 72 umfaßt nach einer
bildlichen Form einen Summierstromwandler 74, der so angepaßt
wurde, daß er jegliche Stromunausgeglichenheit zwischen den
Signalen, die von den Stromwandlern 12a, 12b und 12c ermittelt
wurden, erkennt und eine Ausgangsleistung erzeugt, die der
vektoriellen Summe dieser drei Stromsignale entspricht. Der
vom Transformator 74 ermittelte Strom wird durch einen
Brückengleichrichter 76, der mit den Brückengleichrichtern
16a-c, dies mit den Transformatoren 12a-c benutzt werden,
identisch ist, gleichgerichtet. Die Ausgangsleistung des
Gleichrichters 76 ist über eine Trenndiode 78 mit dem
Wellenknoten A verbunden. Die alternierende Stromquelle 72
beinhaltet ebenfalls eine Rückkopplungsschaltung 28', die mit
der mit dem Transformator benutzten Rückkopplungsschaltung 28
identisch ist und liefert ein positives Rückkopplungssignal an
Wellenknoten B. Genauer gesagt enthält die
Rückkopplungsschaltung 28' einen Eingangspunkt, der durch die
Verbindungsstelle eines Widerstandes 24, der zur Erde führt,
mit einem Widerstand 48', der mit der ersten Zener Diode 52',
die zu Wellenknoten B führt, verbunden ist und ebenfalls mit
einer zweiten Zener Diode 50', die zur Erde führt, bestimmt
ist.
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Wegen der Drei-Phasen-Natur der Energiequelle sind die
Stromsignale in jeder der drei Leitungen um 120º miteinander
phasenverschoben, und die vektorielle Summe der Signale ergibt
während des normalen Betriebes einen konstanten Wert von Null.
Daher trägt der Summierstromwandler 74 während des normalen
Betriebes nicht zum Signal am Wellenknoten A bei.
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Wenn jedoch der Strom in einer der Drei-Phasen-Leitungen
einen abnormalen Zustand antrifft, wie zum Beispiel einen
Erdschluß, ist die vektorielle Summe der Ströme in den drei
Leitern nicht Null. Der Summierstromwandler 74 erkennt eine
Unausgeglichenheit zwischen den Stromwandlern 12a, 12b und 12c
und gibt ein Spannungssignal an den Vollweggleichrichter 76
ab, welches der Stärke der Unausgeglichenheit entspricht. Da
es durchaus möglich ist, daß leichte Unausgeglichenheiten in
den Drei-Phasen-Leitungen während des normalen Betriebes
bestehen, sollte der Summierstromwandler 74 so eingestellt
sein, daß er nur dann ein Unausgeglichenheitssignal erzeugt,
wenn zumindest die vorherbestimmte Menge an Unausgeglichenheit
ermittelt wird. Das vom Vollweggleichrichter gleichgerichtete
Signal wird an Wellenknoten A empfangen und trägt zum von den
in Reihe geschalteten Drei-Phasen-Stromwandlern 12a, 12b und
12c abgegebenen Stromsignal bei. Dieses größere
Leistungssignal läd den Kondensator 38 zu einem höheren Spannungsniveau
auf, um schnell für den Spannungsregler 22 zusätzliche
Leistung zu schaffen. Der Spannungsregler 22 kann somit die
zusätzliche Leistung schaffen, die durch das Vorherrschen
abnormaler Bedingungen wie Erdschlüsse, welche bewirken
können, daß der Auslöseschalter oder das elektromagnetische
Auslöserelais des Leistungsschalters erregt werden und den
Stromfluß unterbrechen, erforderlich wird. Obwohl das
Erdschluß-Auslöseschaltungssystem nicht als Teil der
Leistungsversorgung 70 gezeigt ist, sollte man doch bedenken,
daß solch ein Auslöseschaltungssystem auch die
Ausgangsleistung des Stromwandlers 74 überwachen kann und dem
elektromagnetischen Relais signalisieren kann, daß es
abschalten soll, wenn eine vorherbestimmte Menge von
Ünausgeglichenheit entdeckt wird.
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Dementsprechend fungiert die Energiequelle 72 als eine
parallele Stromquelle. Die Einrichtung ermöglicht es dem
Schaltungssystem unter normalen Bedingungen entweder durch den
Summierstromwandler 74 der alternierenden Stromquelle 72 oder
einen der Phasen-Stromwandler 12a, 12b oder 12c angetrieben zu
werden. Wenn ein Erdschlußstadium auftritt, kann Strom an den
Leistungsschalter durch den Zusammenschluß des
Summierstromwandlers und eines der Phasen-Stromwandler
geliefert werden.