DE3614057A1

DE3614057A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum anschalten einer mit einer remanenz behafteten induktivitaet

Info

Publication number: DE3614057A1
Application number: DE19863614057
Authority: DE
Inventors: Michael Krueger
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1986-04-25
Filing date: 1986-04-25
Publication date: 1987-10-29
Also published as: FR2599888A1; JPS62268322A; GB8709718D0; US4879477A; GB2189662A; GB2189662B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anschalten einer mit einer Remanenz behafteten Induktivität, insbesondere eines Transformators, an eine Wechsel spannungsquelle.

Abhängig vom Vorzustand treten beim Einschalten von eisenbehafteten Induktivitäten, insbesondere Trans formatoren, hohe Einschaltströme auf, die in der Literatur als "Rush effect" beschrieben sind. Bekann te Einrichtungen zur Begrenzung dieser Einschaltströ me umfassen schaltbare Widerstände oder Drosseln. Hierbei ist nachteilig, daß ein zusätzliches Schalt element zur Überbrückung des strombegrenzenden Bau elementes erforderlich ist. Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, daß beim Einschalten hohe Ver luste in dem strombegrenzenden Bauteil auftreten. Ferner sind zur Begrenzung von Einschaltströmen Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten (Heißleiter) bekannt. Damit jedoch trotz ausreichen der Begrenzung des Einschaltstromstoßes im Betriebs zustand möglichst geringe Durchlaßverluste auftre ten, werden diese Heißleiter mit sehr hohen Tempera turen betrieben, wodurch die Lebensdauer beeinträch tigt wird. Außerdem tritt beim Betrieb ständig Ver lustleistung auf.

Durch die Verwendung von Halbleiterschaltern sind sogenannte Nullspannungsschalter möglich, bei denen nach Vorgabe des Schaltbefehls der Halbleiterschal ter mit Hilfe einer integrierten Ansteuerschaltung im nächsten Spannungsnulldurchgang gezündet wird. Nach Auftreten eines Ausschaltbefehls wird der Halb leiterschalter im nächsten Stromdurchgang abgeschal tet. Diese Nullspannungsschalter weisen den Nachteil auf, daß der Zeitpunkt des Spannungsnulldurchgangs für die Einschaltung des Transformators im allgemei nen den ungünstigsten Fall darstellt. In diesem Fall ist die Differenz zu dem magnetischen Fluß, der zum gleichen Zeitpunkt im stationären Zustand vorhanden wäre, am größten. Ohne Berücksichtigung der Eisen sättigung erreicht der Einschaltstrom bei remanenz freiem Blech den doppelten Wert. Abhängig von der Lage und der Feldstärke der remanenten Eisenteile, die durch den Vorzustand und das Material gegeben sind, und der Sättigungsgrenze treten sehr hohe Ein schaltströme auf. Für diese hohen Einschaltströme ist der Halbleiterschalter zu dimensionieren.

Schutzmaßnahmen müssen entsprechend höher ausgelegt werden. Ebenso treten beim Einschalten hohe Verluste auf. Unter Umständen werden andere Verbraucher, die am gleichen Netz installiert sind, durch den Ein bruch der Versorgungsspannung gestört. Andere kon taktlose Schaltelemente versuchen diesen Nachteil zu umgehen, indem das Einschalten sofort nach Vorgabe des Startbefehls durchgeführt wird (sogenannte Momentanschalter). Der Zeitpunkt des Einschaltens ist daher rein zufällig. Demzufolge wird zwar die Häufigkeit der höchsten Einschaltströme reduziert, der Halbleiterschalter ist jedoch nach wie vor für den höchsten Einschaltstrom auszulegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der erwähnten Nachteile ein Verfahren zum Anschalten einer mit einer Remanenz behafteten Induktivität an eine Wechselspannungsquelle anzugeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekenn zeichnet, daß das Anschalten bei einem Phasenwinkel der Wechselspannung erfolgt, bei welchem bei angeleg ter Wechselspannung gleiche oder ähnliche Magnetisie rungsverhältnisse wie vor dem Anschalten herrschen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist gewährlei stet, daß die remanenten Eisenteile beim Einschalten in der vorhandenen Richtung magnetisiert bleiben. Es tritt keine plötzliche Ummagnetisierung auf, welche einen hohen Einschaltstrom bedingt.

Gemäß einer Weiterbildung erfolgt das Abschalten und das Anschalten bei vorgegebenen Phasenwinkeln. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, daß keinerlei Auf wand, zur Feststellung des Magnetisierungszustandes vor dem Anschalten erforderlich ist. Sowohl beim Anschalten als auch beim Abschalten gemäß dieser Weiterbildung können jedoch Verzögerungszeiten bis zu einer Periodendauer der Wechselspannung auftre ten. Dieses hat jedoch bei den meisten vorgesehenen Anwendungen der Erfindung keine nachteilige Auswir kung.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß das Abschalten bei einem Nulldurchgang des Stroms erfolgt, bei dem sich der Strom in einer vorgegebenen Richtung ändert, und daß das Anschalten bei einem Phasenwinkel der Wechselspannung erfolgt, der einen Stromanstieg in gleicher Richtung zur Folge hat.

Diese Weiterbildung hat den Vorteil, daß zur Durch führung des Verfahrens im wesentlichen die bei Null spannungsschaltern bekannten Elemente verwendet werden können.

Sollte ein Abschalten der Induktivität zu einem be liebigen Zeitpunkt erforderlich sein, so kann gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung derart vorgegangen werden, daß der magnetische Zustand der Induktivität vor dem Anschalten gemessen wird und daß danach der Phasenwinkel für das Anschalten bestimmt wird. Dabei kann der magnetische Zustand der Induktivität beispielsweise mit Hilfe einer Hall sonde gemessen werden.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß beim Abschalten der Induktivität ein dem Phasenwinkel entsprechendes Signal gespeichert wird und daß daraus ein Phasenwinkel für das Anschalten bestimmt wird. Dadurch wird ebenfalls ein Abschalten der Induktivität zu einem beliebigen Phasenwinkel ermöglicht. Zur Speicherung stehen geeignete Bauele mente, beispielsweise NV-RAMs, zur Verfügung. Wird bei diesem Verfahren stets bei einem jedoch bezüg lich des Vorzeichens nicht festgelegten Stromnull durchgang abgeschaltet, so genügt die Speicherung eines Bits.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeich net, daß ein in Reihe mit der Induktivität geschalte ter Halbleiterschalter von einem bistabilen Multivi brator ansteuerbar ist, daß der bistabile Multivibra tor einen Setzeingang und einen Rücksetzeingang aufweist, welche über je einen ersten Eingang einer UND-Schaltung und je einen Impulsformer mit der Wechselspannungsquelle verbunden sind, und daß jeweils ein zweiter Eingang der UND-Schaltungen mit je einem Schaltsignal beaufschlagbar ist.

Diese Schaltungsanordnung kann in einfacher Weise mit üblichen Halbleiterbauelementen verwirklicht werden.

Durch die in den weiteren Unteransprüchen aufgeführ ten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Schaltungsanordnung zur Durchfüh rung eines erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens und

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von Einschaltströmen nach dem Stand der Technik und bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Primärwicklung eines Transformators 1 ist einer seits mit dem Nulleiter N und andererseits über einen Halbleiterschalter 2 mit einer Phasenleitung L 1 eines Wechselstromnetzes verbunden. Der Halblei terschalter 2 ist mit Hilfe der im folgenden beschriebenen Schaltungsanordnung steuerbar. Sein Schaltzustand wird in einem bistabilen Multivibrator 3 gespeichert, dessen Ausgang über einen Treiberver stärker 4 mit einem Steuereingang des Halbleiter schalters verbunden ist. Ein im Halbleiterschalter 2 integrierter Opto-Koppler ermöglicht eine Potential trennung zwischen der geschalteten Strecke des Halb leiterschalters und dem Steuereingang.

Zur Festlegung des zum Anschalten und Ausschalten erforderlichen Phasenwinkels wird die Wechsel spannung über ein phasendrehendes Tiefpaßglied, welches aus Widerständen 5, 6 und einem Kondensator 7 besteht, einem Impulsformer zugeführt. Dieser be steht aus einem Schwellwertschalter (Schmitt-Trig ger) 8 und einem monostabilen Multivibrator 10. Zwischen den Schwellwertschalter 8 und den monostabi len Multivibrator 10 ist ein weiterer Schwellwert schalter 9 geschaltet. Der Schwellwertschalter 8 leitet aus den positiven Halbwellen der zugeführten Wechselspannung Rechteckimpulse ab. Der Schwellwert schalter 9 dient lediglich dazu, die am Ausgang des Schwellwertschalters 8 erfolgte Invertierung aufzu heben. Der monostabile Multivibrator erzeugt kurze Impulse, die zur Ansteuerung des bistabilen Multivi brators 3 geeignet sind.

Der Ausgang des monostabilen Multivibrators 10 ist jeweils über einen ersten Eingang je einer UND-Schal tung 11, 12 mit dem Setz- und Rücksetzeingang des bistabilen Multivibrators 3 verbunden. Den zweiten Eingängen der UND-Schaltungen 11, 12 wird jeweils ein Schaltsignal zugeführt. Dieses wird von einer positiven Spannung über einen Schalter 13 dem zwei ten Eingang der UND-Schaltung 11 direkt und dem zwei ten Eingang der UND-Schaltung 12 über einen Invertie rer 14 zugeführt. Ein Widerstand 15 dient dazu, bei nichtleitendem Schalter 13 dem anderen Eingang der UND-Schaltung 11 Nullpotential und dem anderen Ein gang der UND-Schaltung 12 positives Potential zuzu führen.

Zum Anschalten der Primärwicklung 1 an das Wechsel stromnetz wird nun der Schalter 13 geschlossen. Dadurch werden von der UND-Schaltung 11 Ausgangsim pulse des monostabilen Multivibrators 10 dem bista bilen Multivibrator 3 zugeführt. Der erste Impuls, der nach dem Schließen des Schalters 13 auftritt, steuert den bistabilen Multivibrator in denjenigen Zustand, der ein Durchschalten des Halbleiterschal ters 2 bewirkt.

Zum Abschalten des Transformators wird der Schalter 2 geöffnet, wodurch an dem zweiten Eingang der UND- Schaltung 12 positives Potential ansteht. Die Aus gangsimpulse des monostabilen Multivibrators 10 werden dann zum Setzeingang des bistabilen Multivi brators 3 geleitet, was eine Ausgangsspannung des bistabilen Multivibrators 3 zur Folge hat, bei wel cher der Halbleiterschalter 2 in den nichtleitenden Zustand gerät und somit den Transformator abschal tet.

Fig. 2 zeigt als Ergebnisse durchgeführter Messungen Verläufe von Einschaltströmen bei einem leerlaufen den Transformator mit einer Nennleistung von 3 kVA. In Fig. 2a) ist dabei der maximale Einschaltstrom ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, welcher auftritt, wenn die Einschaltung bei einem Phasenwinkel erfolgt, der eine Ummagneti sierung des Eisens zur Folge hat. Der Spitzenstrom beträgt demnach 250 A, während das Integral des Ein schaltstroms 197 A²/s beträgt.

Bei dem in Fig. 2b) dargestellten unter Anwendung der Erfindung gemessenen Einschaltstrom beträgt der Spitzenstrom 17,4 A sowie das Stromintegral 0,63 A²/s. Gegenüber dem ungünstigsten Fall wird also mit Hilfe der Erfindung der Spitzeneinschalt strom um den Faktor 14,4 sowie das Stromintegral um den Faktor 315 reduziert.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann im Rahmen des Fachmänni schen verschiedenartig ausgebildet sein. So kann beispielsweise eine eingangs aufgeführte Weiterbil dung dadurch verwirklicht werden, daß eine Hallsonde mit dem Magnetkern magnetisch gekoppelt ist, deren Ausgangsspannung je nach Polarität ein Anschalten bei verschiedenen Phasenlagen der Wechselspannung zur Folge hat. Dazu kann für jede Halbwelle ein Im pulsformer wie der in Fig. 1 dargestellte vorgesehen sein, deren Ausgangsimpulse mit der Ausgangsspannung der Hallsonde und einer Schaltspannung logisch ver knüpft sind. Dabei ist es erforderlich, die Hall sonde - ebenso wie die Schaltung nach Fig. 1 - vor dem Anschalten der Induktivität mit Betriebsspannung zu versorgen.

In ähnlicher Weise kann auch in einem nichtflüchti gen Speicher abgelegte Information über die Phasenla ge beim Abschalten zum Zweck des Anschaltens ausge wertet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zum Anschal ten von Induktivitäten an Mehrphasennetze angewandt werden.

Claims

1. Verfahren zum Anschalten einer mit einer Remanenz behafteten Induktivität, insbesondere eines Transformators, an eine Wechselspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschalten bei einem Phasenwinkel der Wech selspannung erfolgt, bei welchem bei angelegter Wechselspannung gleiche oder ähnliche Magnetisie rungsverhältnisse wie vor dem Anschalten herrschen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Abschalten und das Anschalten bei vorgegebe nen Phasenwinkeln erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet,
daß das Abschalten bei einem Mulldurchgang des Stroms erfolgt, bei dem sich der Strom in einer vor gegebenen Richtung ändert, und
daß das Anschalten bei einem Phasenwinkel der Wech selspannung erfolgt, der einen Stromanstieg in gleicher Richtung zur Folge hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet,
daß der magnetische Zustand der Induktivität vor dem Anschalten gemessen wird und
daß danach der Phasenwinkel für das Anschalten bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet,
daß beim Abschalten der Induktivität ein dem Phasen winkel entsprechendes Signal gespeichert wird und
daß daraus ein Phasenwinkel für das Anschalten bestimmt wird.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein in Reihe mit der Induktivität (1) geschalte ter Halbleiterschalter (2) von einem bistabilen Multivibrator (3) ansteuerbar ist,
daß der bistabile Multivibrator (3) einen Setzein gang und einen Rücksetzeingang aufweist, welche über je einen ersten Eingang einer UND-Schaltung (18, 19) und je einen Impulsformer (8 bis 17) mit der Wechsel spannungsquelle verbunden sind, und
daß jeweils ein zweiter Eingang der UND-Schaltungen (18, 19) mit je einem Schaltsignal beaufschlagbar ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsformer aus je einem Schwellwertschal ter (8, 9) und einem monostabilen Multivibrator (10, 11) gebildet sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung den Schwellwertschaltungen (8, 9) über ein phasendrehendes Glied (5, 6, 7) zuge führt ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das phasendrehende Glied (5, 6, 7) ein Tiefpaß ist.