DE4011170A1 - Vorrichtung zur wechselstrom-einschaltbegrenzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wechsel­ strom-Einschaltbegrenzung eines mit einem ersten Wech­ selstromschalter in Reihe geschalteten induktivitätsbe­ hafteten Stromversorgungsgeräts mit einer Phasenan­ schnittschaltung, durch die die Verbindung der Primär­ wicklung mit der Netzwechselspannung ab dem Einschalt­ moment verzögerbar ist.

Eine derartige Vorrichtung ist aus dem ELV-Journal 45, Seite 1 bis 4 bekannt. Bei Transformatoren mit einem Eisenkern, insbesondere bei Ringkerntransformatoren, die an das 220-Volt-Wechselspannungsnetz angeschlossen werden, ist der Einschalt- bzw. Anlaufstrom, auch Inrush genannt, im Moment des Einschaltens um ein Viel­ faches höher als der Nennstrom. Dies führt häufig zum Durchbrennen der jeweils vorgesehenen Gerätesicherung ohne offensichtlichen Grund sowie zu Störungen benach­ barter Geräte. Außerdem erfordern die Einschaltstrom­ spitzen eine Überdimensionierung mancher Bauteile oder gar des Transformators selbst, wodurch sich höhere Kosten und/oder größere Bauvolumina ergeben.

Eine ähnliche Schaltungsanordnung zur Begrenzung des Einschaltstromstoßes ist aus der DE-OS 15 91 680 be­ kannt, bei der ein Triac parallel zu einem Vorwider­ stand in dem Primärkreis eines Transformators vor­ gesehen ist. Durch den Nebenwiderstand wird beim Ein­ schalten ein großer Stromfluß verhindert, und erst nach einer Wartezeit von 0,1 bis 0,2 Sekunden zündet der Triac über einen zwischenzeitlich aufgeladenen Konden­ sator. Diese Vorrichtung erfaßt nicht die Remanenz- Richtung des Transformators, die durch das Ausschalten aufgeprägt wurde. Sie weist ferner den Nachteil auf, daß bei häufigem Ein- und Ausschalten sich über den zu Beginn fließenden Strom die Remanenz des Transformators im Ruhezustand immer mehr in die Sättigung verschiebt, so daß der sich über aufeinanderfolgende Nulldurchgänge aufsummierende Einschaltspitzenstrom nicht abklingt. Dabei erwärmt sich auch der Nebenwiderstand immer mehr.

Aus der DE-PS 27 46 845 ist eine weitere Einrichtung zur Wechselstrom-Einschaltbegrenzung bekannt, bei der mit ständigem Phasenanschnitt während einer Startzeit die Durchlaßwinkel der Spannung von kleinen Werten zu großen hin langsam verschoben werden. Hierbei treten während des Einschaltvorganges weit über den Nennstrom hinausgehende Einschaltstromspitzen auf, weil die Remanenz-Polarität und Spannungspolarität beim Ein­ schalten nicht berücksichtigt wird.

Aus der DE-OS 24 24 716 ist schließlich eine Anordnung zur Unterdrückung des Einschaltstromstoßes von Trans­ formatoren bekannt, bei der bei der Konstruktion des Transformators in dem Transformatorkern an mindestens einer, vorzugsweise an mehreren Stellen Hall-Sonden eingebaut sind, um kontinuierlich den Remanenzfluß zu messen. Die Zuschalteinrichtung wird in dem Moment ein­ geschaltet, wenn der Augenblickswert des oben genannten Summenflusses aus Erregerfluß und Remanenzfluß im Bereich des Wertes Null liegt. Diese Anordnung weist den Nachteil auf, daß sie nur bei großen Transforma­ toren, z.B. bei in Lokomotiven eingebauten Transforma­ toren, insbesondere aus Kostengründen, anwendbar ist und daß diese Anordnung bei der Konstruktion des Trans­ formators vorgesehen und eingebaut werden muß. Ein nachträglicher Einbau in bestehende Systeme ist nicht möglich.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, die es ohne konstruk­ tiven Eingriff in ein Stromversorgungsgerät gestattet, die volle Leistung ohne merkliche Verzögerung nach dem Einschalten dem Stromversorgungsgerät zur Verfügung zu stellen und störende Einschaltstromspitzen dennoch sicher zu unterdrücken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerelektrode des ersten Wechselstromschalters der versorgungsspannungsgepufferten Phasenanschnitt­ schaltung mit dem Ausgang einer Steuerschaltung verbun­ den ist, durch die beim Einschalten des Stromversor­ gungsgerätes ab einer voreinstellbaren Phasenlage zwischen 90 und 0 Grad vor einem Nulldurchgang der Netzwechselspannung eine mit dieser synchronisierten Zündspannung erzeugbar ist, die zum Ausschalten des Stromversorgungsgerätes rechtzeitig vor Erreichen eines Nulldurchgangs der Netzwechselspannung unterdrückbar ist.

Durch eine auf die besonderen Eigenheiten eines Trans­ formators eingehende Vorherbestimmung der Einschalt- Phasenlage zwischen 90° und 0° vor einem Nulldurchgang der Netzwechselspannung ist eine synchronisierte Zünd­ spannung erzeugbar, mit der der erste Wechselstrom­ schalter der versorgungsspannungsgepufferten Phasenan­ schnittschaltung zündbar ist.

Vorzugsweise ist die Zündspannung des ersten Wechsel­ stromschalters zum Ausschalten des Stromversorgungsge­ rätes bei einem gleichartigen Nulldurchgang rechtzeitig vor Erreichen dieses Nulldurchgangs unterdrückbar.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kapazität parallel zu dem induktivi­ tätsbehafteten Stromversorgungsgerät geschaltet. Diese befindet sich weiterhin in Reihenschaltung mit einem zweiten Wechselstromschalter, zu dem ein Ladewiderstand und eine Gleichrichterdiode parallel geschaltet sind. Dieser zweite Wechselschalter wird einige Millisekunden nach dem absichtlichen oder zufälligen Ausschalten der Netzwechselspannung von einer Netz-aus-Erkennungsschal­ tung gezündet, so daß durch den Fluß der durch die in der Kapazität gespeicherten Ladung im Transformator die Remanenz des Stromversorgungsgerätes erzeugt wird und nach dem Ausschalten definiert gesetzt wird.

Die Kapazität ist über die Gleichrichterdiode und den Ladewiderstand parallel zu dem Stromversorgungsgerät geschaltet, so daß sie sich während der Betriebszeiten des Gerätes auflädt. Vorzugsweise beträgt die Zeitkon­ stante des aus der Kapazität und dem Ladewiderstand gebildeten Zeitgliedes weniger als das 1,5fache der Periodendauer der Netzwechselspannung. Die parallel zu dem Stromversorgungsgerät geschaltete Kapazität gestat­ tet ein definiertes Setzen der Remanenz des Transforma­ tors vor jedem Einschalten, so daß das Stromversor­ gungsgerät immer und zu allen Bedingungen ohne einen über den Laststrom hinausgehenden Einschaltspitzenstrom einschaltbar ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch bei einem Drehstromversorgungsgerät eingesetzt werden, wobei ein dritter Stromschalter zwischen einem der besagten zwei Anschlüsse des Stromversorgungsgerätes und einem wei­ teren Anschluß des Stromversorgungsgerätes angeschlos­ sen ist. Die Steuerelektrode dieses dritten Wechsel­ stromschalters ist ebenfalls mit dem Ausgang der Pha­ senanschnittschaltung verbunden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Signalkurven der Netzspannung sowie des Netzstromes bei dem Einschalten eines Trans­ formators im Leerlauf,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Begrenzen der Einschaltstromspitzen in der Primärwicklung eines Transformators,

Fig. 3 Verläufe von Spannungssignalen und Stromsi­ gnalen bei Einschaltvorgängen an Transforma­ toren im Leerlauf,

Fig. 4 einen Einschaltvorgang des Transformators beim Leerlauf,

Fig. 5 das Setzen der Remanenz bei einer willkür­ lich bzw. zufällig ausgeschalteten Netzspan­ nung 7,

Fig. 6 Signalverläufe bei der erstmaligen In­ betriebnahme des Transformators mit an­ schließendem Pulsbetrieb und

Fig. 7 eine Vorrichtung zur Einschaltstrombegren­ zung beim Einsatz eines Drehstromversor­ gungsgerätes.

Die Fig. 1 zeigt Signalkurven der Netzspannung sowie des Netzstromes bei dem Einschalten eines Transforma­ tors 1 im Leerlauf. Ein Transformator 1, der ein mögli­ ches Stromversorgungsgerät darstellt, ist an eine Netzspannung 2 angeschlossen. Mit einem Schalter 3 ist die Spannung auf die Primärwicklung 4 des Transforma­ tors 1 schaltbar, wobei der im Primärkreis fließende Strom durch ein Strommeßgerät 5 und die Spannung an der Primärseite 4 des Transformators 1 durch ein Spannungs­ meßgerät 6 erfaßbar ist.

Die Fig. 1 stellt den Spannungsverlauf der Netzspannung im Primärkreis dar, wobei zu dem Zeitpunkt 8 der Netz­ schalter 3 geschlossen wird. Die Kurve 9 zeigt den daraufhin erfolgenden wertmäßigen Verlauf des Strom­ flusses auf der Primärseite 4 des Transformators 1 beim Leerlaufbetrieb desselben.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Fall liegt eine bestimmte Remanenz des Transformators 1 vor, die in der Hysteresekurve 11 des Transformators 1 durch den Punkt 12 dargestellt ist. Die Hysteresekurve 11 zeigt die Abhängigkeit der Feldstärke H im Eisen von der Indukti­ onsdichte B. Die Remanenz 12 des Transformators 1 ist in dem in Fig. 1 dargestellten Fall positiv. Der Netz­ schalter 3 ist im ungünstigsten Fall, nämlich zum Zeitpunkt 8 bei einem Nulldurchgang mit positiver Steigung, d. h. in eine positive Halbwelle 13 hinein eingeschaltet. Dadurch wird der Transformator in dem Induktionsdichte-Feldstärke-Diagramm 14 in die positive Sättigung 15 getrieben, und es ergeben sich hohe Inrush­ ströme 9, die z.B. bei einem 400-VA-Transformator bis zu 150 Ampere groß sein können. Diese Ströme verringern sich bei anschließenden gleichartigen Nulldurchgängen, soweit nicht eine Sicherung des Schaltkreises an­ spricht, mit einer abfallenden Exponentialfunktion. Dieselbe Situation mit entsprechendem negativem Inrush­ strom würde sich beim Einschalten des Transformators bei einer negativen Remanenz und beim Nulldurchgang in eine negative Einschalthalbwelle 17 ergeben.

In der Fig. 1 und in den nachfolgend beschriebenen Zeichnungen kennzeichnen schraffierte Halbwellen 13 und 17, daß zu diesen Zeitpunkten der Schalter 3 oder entsprechende Netz-Ein-Hauptschalter die Primärseite des Transformators 1 mit Spannung beaufschlagen. Die ohne Unterschraffur gezeichneten Halbwellen beschreiben den Phasenverlauf der weiterlaufenden Netzwechselspan­ nung, ohne daß diese das Stromversorgungsgerät beauf­ schlagt.

Der gezeichnete Fall tritt dann ein, wenn der Transfor­ mator 1 gegen Ende einer Netzspannungshalbwelle ausge­ schaltet wird, so daß das Transformatoreisen stark remanent polarisiert wird. Die Polarität der Remanenz ist dabei abhängig von der Polarität der letzten Netz­ halbwelle 13 oder 17 vor dem Ausschalten.

Der in der Fig. 1 dargestellte ungünstige Einschaltvor­ gang tritt gerade bei Halbleiterrelais auf, da diese immer zu Beginn einer Netzhalbwelle einschalten und zum Ende einer Netz-Halbwelle ausschalten, wobei die Wahr­ scheinlichkeit gerade 50% beträgt, daß mit Halbwellen gleicher Polarität ein- und ausgeschaltet wird. Halb­ leiterrelais weisen aber im Allgemeinen Vorteile zum Schalten von Lasten, z.B. auch von Transformatoren, auf, so daß diese immer häufiger angewendet werden. Die im Folgenden beschriebene Vorrichtung, die im Gerät zwischen dem Netzeingang 2 und dem Transformator 1 fest eingebaut wird, vermindert in eindrucksvoller Weise solche Eingangsstromspitzen.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Begrenzen der Einschaltstromspitzen in der Primär­ wicklung 4 eines Transformators 1. Der sekundärseitig mit einer Last verbundene Transformator 1 verfügt über eine Primärwicklung 4, die mit ihrem einen Ende über einen Meßshunt 21 mit Schaltungsmasse 22 verbunden ist. Der andere Abgriff der Primärseite des Transformators 1 ist über ein erstes Triac 23 und über eine Lastsiche­ rung 24 von z.B. 24 A mit einem Steckkontakt 25 zum Anschluß der Netz-Wechselspannung, insbesondere einer Netz-Wechselspannung von 22 Volt und 50 Hertz verbun­ den.

Anstelle eines Transformators 1 kann ein beliebiges anderes Wechselstrom-Versorgungsgerät angeschaltet sein, insbesondere ein solches, das mit einer Indukti­ vität behaftet ist. Als Wechselstromschalter können neben Triacs z.B. auch Thyristoren oder andere Halblei­ ter-Schalter verwendet werden.

Der zweite Steckkontakt 26 ist mit Schaltungsmasse 22 verbunden. Die Netzspannung beaufschlagt über einen Geräte-Ein-/Ausschalter 27 und eine Leitung 28 die Ein­ gänge einer Synchronisierschaltung 29 und ein Netzteil 30, das ausgangsseitig an einem Anschluß 31 eine Be­ triebsspannung V _cc zur Verfügung stellt, wobei ein zweiter Anschluß 32 mit Schaltungsmasse 22 verbunden ist. Das Netzteil 30 weist eine Puffer-Kapazität auf, so daß die Versorgungsspannung V _cc auch noch für 200 Millisekunden nach Netz-aus zur Versorgung der elektro­ nischen Komponenten der Schaltung zur Verfügung steht. Das Netzteil 30 verfügt über einen Schaltkreis 33 zur schnellen Netzauserkennung, der es gestattet, das Öffnen des Hauptschalters 27 zu erkennen und über eine Signalleitung 34 ein Aussignal abzugeben, das beim Öffnen des Steuerschalters 27 vom logischen Pegel 1 auf den logischen Pegel 0 fällt. Durch die Puffer-Kapazität von 200 Millisekunden nach dem Öffnen des Hauptschal­ ters 27 sind die elektronischen Komponenten noch für z.B. 10 Perioden der Netzwechselspannung mit ausrei­ chender Betriebsspannung versorgt. Je nach Verzöge­ rungszeit der nachfolgend beschriebenen Schaltkreise können auch 5 Perioden gepufferte Spannungsversorgung ausreichend sein.

Nach dem Schließen des Hauptschalters 27 liefert das Netzteil 30 die für die in der Zeichnung dargestellten Komponenten erforderliche Betriebsspannung, die über einen Vorwiderstand 35 einen Verzögerungskondensator 36 auflädt. Die am Verzögerungskondensator 36 nach dem Einschalten des Hauptschalters 27 ansteigende Spannung steuert einen Inverter 37, an dessen Ausgang mit dem ersten Eingang 38 eines ODER-Gatters 39 verbunden ist. Der Ausgang 40 des ODER-Gatters 39 ist mit dem Rück­ setzeingang 41 eines Flip-Flops 42 verbunden, so daß dieses nach dem Betätigen des Steuerschalters 27 so lange an seinem Ausgang 43 auf dem logischen Pegel 0 gehalten wird, bis die Spannung am Verzögerungskonden­ sator 36 nach etwa 0,1 Sekunden einen Wert erreicht hat, der zum Umschalten des Inverters 37 führt. Am Ausgang 43 des Flip-Flops 42 liegt somit, dank der oben beschriebenen Rücksetzschaltung ein Null-Signal an, so daß die mit dem Ausgang 43 des Flip-Flops 42 verbundene Zündleitung 44 des Optokopplers 45 spannungslos ist, so daß der durch den Optokoppler 45 angesteuerte Triac 23 ebenso spannungslos ist und ein Zünden des Triacs 23 beim Einschalten des Hauptschalters 27 sicher verhin­ dert wird.

Die schnelle Netzauserkennung 33 ist über die Leitung 34 mit einem pnp-Transistor 47 verbunden, der parallel zu dem Kondensator 36 angeordnet ist. Bei einem Umlegen des Hauptschalters 27 in die Ausstellung entlädt daher der Transistor 47 den Kondensator 36, so daß das Flip- Flop 42 sich sperrt und damit der Ein-/Ausschalt-Triac 23 nicht gezündet werden kann. Vor allem ist so der Verzögerungskondensator 36 entleert und kann beim Einschalten des Hauptschalters 27 erneut die Einschalt­ verzögerung bewirken.

Wenn durch Betätigen des Hauptschalters 27 das Netzteil 30 mit der Netzwechselspannung beaufschlagt wird, erhalten alle Komponenten der in der Zeichnung darge­ stellten Schaltung, insbesondere die Synchronisierein­ richtung 29, ihre Betriebsgleichspannung. Die Synchro­ nisiereinrichtung 29 verfügt über einen Nulldurchgangs­ erkennungsschaltkreis 49, der an seinem Ausgang 50 bei einer Netzfrequenz von 50 Hertz alle 10 Millisekunden einen kurzen Nulldurchgangsimpuls bereitstellt. In einem ersten Halbwellenerkennungsschaltkreis 51 wird an dem Ausgang 52 ein positives Signal für jeweils die zweite Hälfte einer jeden Halbwelle zur Verfügung ge­ stellt. Dies entspricht einem Phasenwinkel zwischen 0 und 90° sowie zwischen 270° und 360°, wobei letzterer Bereich auch mit -90° bis 0° bezeichnet werden kann.

An einem zweiten Halbwellenerkennungsschaltkreis 53 wird an seinem Ausgang 54 ein positiver Impuls bereit­ gestellt, durch den die negativen Halbwellen der Netz­ wechselspannung gekennzeichnet sind. Somit ist durch den Halbwellenerkennungsschaltkreis 53 der Phasenwin­ kelbereich zwischen 180° und 360° der Netzwechselspan­ nung markiert.

Die am Ausgang 50 des Nulldurchgangserkennungsschalt­ kreises 49 vorhandenen Impulse gelangen über die Lei­ tung 50 zum Setzeingang 57 eines Rückwärts-Zählers 58 mit einer Auflösung von beispielsweise 10 Bit. Beim Auftreten eines Impulses am Setzeingang 57 übernimmt der Rückwärts-Zähler 58 die über einen Bus 59 zugeführ­ te 8-Bit-Startzahl 60. Der Bus 59 übermittelt das Ausgangssignal eines Vorlaufwinkelschaltkreises 61, der im einfachsten Fall aus einer Schalteranordnung zum Einstellen einer Hexadezimalzahl besteht, die als Startzahl in den Rückwärts-Zähler 58 übernommen werden soll. Der Vorlaufwinkelschaltkreis 60 kann jedoch auch so ausgebildet sein, daß er anstatt einer zuvor einge­ stellten Zahl eine berechnete oder im Rahmen einer adaptiven Nachführung ermittelte Zahl überliefert. Im einfachsten Fall entspricht ein Wert von 00_Hex einem Winkel von 270° und eine Zahl von FF_Hex einem Winkel von 360°, so daß ein Phasenwinkelbereich von -90° bis 0° vor dem Auftreten eines Nulldurchgangs als Startwert in dem Rückwärts-Zähler 58 eingespeist werden kann.

Der Taktpulseingang 62 des Rückwärts-Zähler 58 ist mit dem Ausgang 63 eines UND-Gatters 64 verbunden, dessen erster Eingang 65 mit dem am Ausgang 54 auftretenden und den negativen Halbwellen zugeordneten Impulsen beaufschlagt ist. Weiterhin ist der zweite Eingang 66 des UND-Gatters 64 mit den die zweite Hälfte einer jeden Halbwelle kennzeichnenden Impulsen 52 beauf­ schlagt.

Sobald daher die Netzwechselspannung nach dem Einschal­ ten der Betriebsspannung durch Schließen des Haupt­ schalters 27 eine negative Halbwelle in ihrem aufstei­ gendem Ast hat, d.h. sich in dem Winkelbereich von -90° bis 0° vor einem aufsteigenden Nulldurchgang befindet, wird das UND-Gatter 64 über die mit dem ersten und zweiten Eingang 65 und 66 verbundene Leitun­ gen 52 und 54 geöffnet, so daß die am dritten Eingang 67 anliegenden Taktimpulse eines Taktgebers 68 zum Taktpulseingang 62 des Rückwärts-Zählers 58 durchge­ schaltet werden. Der Taktgeber 68 ist phasenstarr mit der Netzwechselspannung synchronisiert und verfügt dazu über einen Synchronisiereingang 69, der alle 10 Milli­ sekunden mit einem etwa 0,5 Millisekunden dauernden Impuls aus dem Nulldurchgangserkennungsschaltkreis 49 beaufschlagt wird.

Der Taktgeber 68 hat eine Frequenz von 102,40 Kilo­ hertz, die so gewählt ist, daß der Rückwärts-Zähler 58 je nach der am Bus 59 anliegenden Hexadezimalzahl innerhalb der zweiten Hälfte der negativen Halbwelle der Netzwechselspannung an seinem Ausgang 70 ein dem Zählerstand 00 zugeordneten Nullimpuls liefert.

Die Leitung 70 ist zusammen mit der beim üblichen Betrieb ein logisch-Eins-Signal tragenden Leitung 71 mit den Eingängen eines UND-Gatters 72 verbunden, so daß der an dem Ausgang 70 anliegende Nullimpuls den Setzeingang 73 des Flip-Flops 42 beaufschlagt. Synchron zur zweiten Hälfte der negativen Halbwelle der Netz­ wechselspannung nimmt entsprechend der Einstellung durch den Vorlaufwinkelschaltkreis 60 das Ausgangssi­ gnal am Ausgang 43 den logischen Pegel 1 an, und dadurch tritt auf der Zündleitung 44 ein Zündsignal auf, durch das der durch den Optokoppler 45 zündbare Triac 23 bei einer Phasenlage zwischen -90° und 0° vor dem Durchgang einer positiven Nullstelle eingeschaltet wird. Der auf diese Weise eingestellte Zündwinkel ist so gewählt, daß die Einschaltstromspitzen in der Primärwicklung 4 des Transformators 1 minimal sind und den Betriebsstrom­ spitzen im wesentlichen entsprechen. Daher wird voraus­ gesetzt, daß der Transformator 1 bei einem früheren Einsatz genau bei einem Phasenwinkel von 0°, d.h. beim Ende einer negativen Halbwelle, vom Netz getrennt worden ist und der Eisenkern des Transformators 2 die zugeordnete magnetische Remanenz beibehalten hat. Eine weitere Voraussetzung ist, daß der Transformator 1 im selben Sinn an die Schaltung angeschlossen ist wie beim Ausschalten.

Wenn das Trennen der Primärwicklung 4 zu einem anderen Zeitpunkt, insbesondere bei einem Phasenwinkel von 180° erfolgte, ergibt sich aus den obigen Ausführungen, daß bei einem solchen Fall das erneute Verbinden der Pri­ märwicklung mit der Netzwechselspannung bei einem Phasenwinkel zwischen 90° und 180° vorgenommen wird.

Nachfolgend werden diejenigen Komponenten der in der Zeichnung dargestellten Schaltung beschrieben, die beim Abschalten des Transformators 1 und damit beim Abschal­ ten der Last wirksam sind.

Bei einem Ausschalten des Steuerschalters 27 zu einem beliebigen Zeitpunkt bzw. bei einem Zusammenbruch der Netzwechselspannung aus äußeren Gründen liefert die schnelle Netzauserkennung 33 auf ihrer Leitung 34 ein Pegel-Null-Signal, das in dem Inverter 74 ein Pegel- Eins-Signal 75 erzeugt, welches den Eingang 76 eines ersten Verzögerungsgliedes 77 beaufschlagt. An dessen invertiertem Ausgang 78 tritt nach z.B. 30 Millisekun­ den das verzögerte Netzaussignal auf, das den Steuer­ eingang 79 eines zweiten Verzögerungsgliedes 80 beauf­ schlagt. An dessen Ausgang 81 liegt dann z.B. für eine Dauer von 50 Millisekunden gemäß der oben beschriebenen Verzögerung des Netz-Aus-Zustandes ein Pegel-Eins- Signal an, das über die Leitung 82 einen Optokoppler 83 beaufschlagt, der einen Setz-Triac oder Thyristor 84 zündet. Der Setz-Triac 84 ist in Reihe mit einem Strom­ begrenzungswiderstand 85 und einem Speicherkondensator 86 zu der Primärwicklung 4 des Transformators geschal­ tet. Über den Strombegrenzungswiderstand 85 entlädt sich somit der Speicherkondensator 86 und setzt für den Transformator 1 eine vorbestimmte Remanenz, so daß das nachfolgende Einschalten des Transformators 1 von einem vorbestimmten Zustand ausgeht.

Der Speicherkondensator 86 mit einer Kapazität von z.B. 100 Mikrofarad wird über einen Ladewiderstand 87 und eine Gleichrichterdiode 88 oder über durch das Signal 75 gesteuerten Gleichrichter (Thyristor) an den Netz­ stecker 25 und über den Meßshunt 21 an die Schaltungs­ masse 22 angeschlossen. Dadurch wird der Speicherkon­ densator 86 selbst in dem Falle geladen, wenn der Schalttriac 23 stromlos und der Hauptschalter 27 ausge­ schaltet und nicht-leitend ist.

Bei einem ersten Einschalten des z.B. fabrikneuen Transformators 1 ist der Speicherkondensator 86 entla­ den, so daß in der Primärwicklung des Transformators 1 ein großer Strom durch den Meßshunt 21 fließen kann. Ein Komparator 91 mißt die über dem Meßshunt 21 abfal­ lende Spannung, errechnet den primärseitig fließenden Strom und gibt z.B. bei einem Strom von 30 A ein Pegel- Eins-Signal auf seiner Überstrom-Ausgangsleitung 92 ab, welches ein Überstrom-Flip-Flop 92 a setzt. Auf dessen Ausgangsleitung 93 liegt somit bei Auftreten eines Überstromes ein Pegel-Eins-Signal an, das über einen Schutzwiderstand 94 eine Leuchtdiode 95 als Hinweislam­ pe erleuchten läßt. Weiterhin liegt das Pegel-Eins- Signal an dem ODER-Gatter 39 an, das das Setz-Flip-Flop 42 zurücksetzt, so daß der Triac 23 beim nächsten Null­ durchgang der Netzspannung sicher gesperrt wird.

Während der Verzögerungszeit des Kondensator 36 und danach wird der Speicherkondensator 86 aufgeladen, der als Zeitglied mit dem Ladewiderstand 87 vorzugsweise eine Zeitkonstante von kleiner als dem anderthalbfachen der Periodendauer der Netzwechselspannung hat.

Die hier beschriebene Schaltung kann zudem durch die nun im folgenden beschriebenen Erweiterungen z.B. als Heizungsregler eingesetzt werden, wobei die Heizlei­ stung über die Anzahl der angeschalteten Vollwellen im Verhältnis zu der Anzahl der ausgeschalteten Vollwellen geregelt wird.

Das an der Synchronisierschaltung 49 über die Leitung 65 und 66 ausgegebene Signal beaufschlagt ein weiteres UND-Gatter 96, an dessen Ausgang 97 ein Signal während der zweite Hälfte einer negativen Halbwelle anliegt, d.h. im aufsteigenden Ast vor einem Nulldurchgang in eine positive Halbwelle 13. Dieses Signal wird über das RC-Glied 98 in einen Spannungsimpuls umgewandelt, der an einem weiteren UND-Gatter 99 anliegt. Somit wird das Triac 23 über das ODER-Gatter 39 und das Setz-Flip-Flop 42 genau dann gesperrt, wenn auf der zweiten Leitung 100 des UND-Gatters 99 während der zweiten Hälfte der negativen Halbwelle ein Pegel-Eins-Signal anliegt. Ein Aus-Signal am Stecker 102 wird somit synchronisiert, um die Remanenz des Transformators 1 richtig zu setzen.

Ein Pegel-Null-Signal auf der Leitung 100 führt über den Inverter 101 zu einem Pegel-Eins-Signal auf der Leitung 71, so daß das UND-Gatter 72 durchschaltet, damit der Rückwärts-Zähler 58 zum Anschnittwinkel ein Pegel-Eins-Signal ausgibt. Ein Eins-Signal am Stecker 102 wird somit synchronisiert, um den Transformator 1 seiner Remanenz entsprechend richtig einzuschalten.

Vorteilhafterweise wird ein Optokoppler 105 über Steck­ kontakt 102 von dem Heizungsregler mit den vorbestimm­ ten Impulsen beschaltet. Die Ausgänge des Optokopplers 105 sind zum einen über einen Widerstand 103 an die Versorgungsspannung 31 und zum anderen an Schaltungs­ masse 22 angeschlossen. Dadurch wird der an den Opto­ koppler 105 übermittelte Takt an die Gatter 72 und 99 übertragen, so daß im Wechsel von maximal der Hälfte der Frequenz der Netzwechselspannung das Stromversor­ gungsgerät 1 an- und ausgeschaltet wird.

Diese externe Regelung kann durch eine Brücke 104 überbrückt werden, so daß immer ein Null-Signal gemäß der Schaltungsmasse 22 auf der Leitung 100 anliegt, so daß das UND-Gatter 99 immer sperrt und das UND-Gatter 72 entsprechend seinem zweiten Eingang durchschaltet. Damit wird das Stromversorgungsgerät alleine mit dem Hauptschalter 27 aus- und eingeschaltet.

Die Fig. 3 zeigt Verläufe von Spannungssignalen und Stromsignalen bei Einschaltvorgängen an Transformatoren 1 im Leerlauf. Der Transformator 1 wird nach Beendigung einer negativen Halbwelle 17 entsprechend dem schraf­ fierten Abschnitt der Kurve 7 der Netzspannung ausge­ schaltet. Damit befindet sich die Remanenz 12 in einem definierten negativen Zustand, der durch den Einschalt­ punkt 8 und den Anschnittwinkel zwischen -90° und 0° in der Hysteresekurve 11 derart verschoben wird, daß beim Strom im Primärschaltkreis kein über den Leerlaufstrom hinausgehender Einschaltstrom auftritt. Dies gilt auch für alle weiteren voll angeschalteten positiven und negativen Halbwellen 13 und 17.

Die Fig. 4 zeigt den Einschaltvorgang am Transformator 1 beim Leerlauf, wenn die Netzspannung 7 bei Beendigung einer positiven Halbwelle 13 ausgeschaltet wird, so daß in der Hysteresekurve 11 die Remanenz 12 in einem be­ stimmten positiven Zustand gesetzt ist. Zur definierten Einschaltung mit Hilfe der in Fig. 2 beschriebenen Anlaufsteuerung mit einem vorbestimmten Anschnittwinkel in der negativen Halbwelle 17 muß die Remanenz in der Hysteresekurve 11 auf den Punkt 12′ gesetzt werden. Dies geschieht in der Schaltung gemäß der Fig. 2 durch das Entladen des Speicherkondensator 86, welches nach einer Verzögerungszeit, die durch das Verzögerungsglied 77 vorgegeben ist, stattfindet. Dementsprechend gibt der mit 110 bezeichnete Zeitabschnitt die Verzögerungs­ dauer des Verzögerungsgliedes 77 wieder. Nach dieser Zeit findet eine Entladung des Kondensators 86 statt, dessen Ladungsspannung entsprechend einer Exponential­ kurve 111 abfällt und einen Transformatorstrom 112 hervorruft, der den Transformator 1 in eine vorbestimm­ te negative Remanenz 12′ setzt.

Bei der Kurve 112 handelt es sich um den Transformator­ strom, der in Abwesenheit des Netzstromes durch die Entladung des Kondensators 86 auftritt. Weil der Trans­ formatorstrom 112 nicht vom Netz entnommen wird, stört er dieses auch nicht.

Die Fig. 5 zeigt das Setzen der Remanenz bei einer willkürlich bzw. zufällig ausgeschalteten Netzspannung 7. Dann ist die Remanenz in der Hysteresekurve 11 undefiniert. Und mit der Entladung des Kondensators 86 tritt eine Entladespannung 111 auf, die mit einem Entladestrom 112 verbunden ist, der größer als der Nennstrom des Transformators sein muß, wenn der Trans­ formator 1 belastet ist. In Abhängigkeit von der mögli­ chen Last des Transformators 1 ist somit die Größe der Kapazität des Kondensators 86 vorherzubestimmen.

Die Fig. 5 zeigt den Fall des definierten Setzens der Remanenz entsprechend einer nicht in der Schaltung der Fig. 2 beschriebenen Polung. Hier wird die Remanenz positiv gesetzt, und der in der Fig. 5 nicht dargestell­ te Anschnittwinkel liegt zwischen 90° und 180°.

Die Fig. 6 zeigt Signalverläufe bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Transformators 1 mit anschließendem Pulsbetrieb. Die Netzspannung 7 wird zu einem Zeitpunkt 8, der auch mit einem Anschnittwinkel vorgegeben sein kann, eingeschaltet, wobei ein großer Inrush 9 auf­ tritt, so daß das Netz nach einer Halb- oder Vollwelle mit der Transformator-Remanenz in positiver Sättigung 12 ausgeschaltet wird. Durch den nun sich entladenden Kondensator 86 wird mit einem Ladestrom 112 die Rema­ nenz negativ gesetzt, so daß zu einem beliebigen Zeit­ punkt danach die Halbwellen 13 und 17 eingeschaltet werden können. In der Fig. 6 ist anschließend der Betrieb eines Heizstellers gezeichnet, der mit einer Frequenz von 25 Hertz ein- und ausgeschaltet wird. Das bedeutet, daß nach einem positiven Nulldurchgang 115 eine fast komplette Vollwelle vergeht, bevor mit dem­ selben Anschnittwinkel 8 die nächste Vollwelle 13 und 17 eingeschaltet wird. Nach dem nur einmalig bei der allerersten Inbetriebnahme auftretenden Inrushstrom 9 und dem Ladestrom 112, der z.B. 2 A betragen kann, tritt kein Einschaltstrom mehr auf, so daß nur der Laststrom die Sicherung 24 belastet.

Bei einer in der Polung umgekehrt aufgebauten Vorrich­ tung kann mit 180° verschobener Polarität die Remanenz positiv definiert gesetzt werden und mit einem positi­ ven Anschnittwinkel vor der negativen Halbwelle einge­ schaltet werden. Bei einer Netzwechselspannung von 50 Hertz können bei dem oben gewählten Wechselschaltbe­ trieb schnelle Pulsfolgen mit einer maximalen Taktrate von 25 Hertz geschaltet werden.

Die Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung zur Einschaltstrombe­ grenzung beim Einsatz eines Drehstromversorgungsgerätes 200. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zu den bekannten Merkmalen im Zusammenhang mit den Anschlüssen S und N tritt im R-Anschluß ein dritter Wechselstromschalter 201 hinzu, der über einen Optokoppler 202 und das Setz-Flip-Flop 42 angesteuert wird. Mit Hilfe eines weiteren Meßshunts 203 wird ein auf dieser Leitung auftretender Überstrom detektiert. Das über dem Meßshunt 203 anliegende Signal wird über einen Optokoppler mit Komparator 204 auf ein ODER- Gatter 205 geleitet, in dem es zu dem im Komparator 91 gebildeten Überstromsignal hinzutritt und das Über­ strom-Flip-Flop 92 beaufschlagt. Der T-Anschluß wird dabei ebenfalls auf zu hohen Einschaltstrom überwacht; dies geschieht wie beim Einphasen-Stromversorgungsgerät durch den Meßshunt 21.

Die externe Ein-/Aus-Steuerung über den Optokoppler 105 wird in einer Verzögerungsschaltung 210 verzögert ausgeschaltet, wenn sie beim Einschalten des Drehstrom­ versorgungsgerätes 200 aktiv ist. Denn das nur über einen Kondensator 86 erfolgende Setzen der Remanenz gestattet die Unterdrückung von Einschaltspitzen nur sicher in den beschalteten Primärseiten R und T des Transformators 1. Der S-Zweig bleibt stromlos. Das beim Einschalten verlängerte Ein-Signal auf der Leitung 71 gewährleistet das einer Exponentialfunktion folgende Abklingen von Einschaltstromspitzen im S-Zweig durch eine Verlängerung der ersten Heizwellen. Das verlänger­ te Signal der Leitung 71 wird durch erneute Invertie­ rung durch den Inverter 211 dem UND-Gatter 99 zuge­ führt.

Die Verzögerungsschaltung 210 verfügt über das an der Leitung 38 anliegende Netz-Ein-Signal für ungefähr 0,1 Sekunden. Dieses Signal setzt das Flip-Flop 212, dessen Ausgang das UND-Gatter 213 beaufschlagt, und beauf­ schlagt über den Inverter 214 einen anderen Eingang des UND-Gatters. Weiterhin liegt das an dem Ausgang des Inverters 101 anliegende Signal 215 an einem dritten Eingang des UND-Gatters 213 an. An dessen Ausgang liegt also erst nach Beendigung des Netz-Ein-Signals auf der Leitung 38 und einem eventuellen externen Heizsignal 215 ein Pegel-Eins-Signal an, das ein Verzögerungsglied oder Monoflop 216 setzt, das das eventuelle Heizsignal 215, das über das ODER-Gatter 217 zur Leitung 71 läuft, verlängert, indem es an einem anderen Eingang des ODER- Gatters 217 anliegt. Dieses erste Verlängern des ersten Heizzyklus gewährleistet, daß beim anschließenden Pulsbetrieb von z.B. 10 Hertz auftretende kleine Ein­ schalt-Stromspitzen im Bereich von 2 Ampere gemäß einer Exponentialfunktion durch Vormagnetisierung aller Zweige abklingen und sich nicht zu einem Inrush ver­ stärken, der entstehen würde, wenn sofort schnell hintereinander ein- und ausgeschaltet wird.

Der invertierte Ausgang 218 des Monoflops 216 ist über ein RC-Glied 219 mit Schaltungsmasse 22 verbunden. Der Ausgang 218, der üblicherweise ein Pegel-Null-Signal trägt, ist für die Zeitdauer des verlängerten ersten Heizzyklus ein Pegel-Eins-Signal, so daß nach einer durch die Aufladezeit des Kondensators gegebenen Verzö­ gerungszeit nach dem Ende des Netz-Ein-Signals das Flip-Flop 212 zurückgesetzt wird.

Das Remanenz-Setzen mit Hilfe des Kondensators 36 ist hier etwas weniger wirkungsvoll wie beim Ein-Phasen- Transformator, weil beim ersten Einschalten der An­ schnittwinkel nicht genau für alle Zweige stimmt. Beim Ausschalten am Ende einer negativen Halbwelle ist die Remanenz dann definiert so gesetzt, daß der Anschnitt­ winkel im Folgenden genau den richtigen Wert aufweist.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Wechselstrom-Einschaltbegrenzung eines mit einem ersten Wechselstromschalter (23, 45) in Reihe geschalteten induktivitätsbehafteten Stromversor­ gungsgeräts (1) mit einer Phasenanschnittschaltung, durch die die Verbindung der Primärwicklung (4) mit der Netzwechselspannung (2, 25, 26) ab dem Einschaltmoment (8) verzögerbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerelektrode (44, 45) des ersten Wechselstromschalters (23) der versorgungsspan­ nungsgepufferten (30) Phasenanschnittschaltung mit dem Ausgang einer Steuerschaltung verbunden ist, durch die beim Einschalten des Stromversorgungsgerätes (1) ab einer voreinstellbaren (60, 61) Phasenlage zwischen 90 und 0 Grad vor einem Nulldurchgang (115) der Netzwech­ selspannung (2, 25, 26) eine mit dieser synchronisierten Zündspannung erzeugbar ist, die zum Ausschalten des Stromversorgungsgerätes (1) rechtzeitig vor Erreichen eines Nulldurchgangs (115) der Netzwechselspannung (2, 25, 26) unterdrückbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zündspannung des ersten Wechselstromschal­ ters (23, 45) zum Ausschalten des Stromversorgungsgerä­ tes (1) bei einem gleichartigen Nulldurchgang rechtzei­ tig vor Erreichen dieses Nulldurchgangs unterdrückbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Kapazität (86) parallel zu dem induktivitätsbehafteten Stromversorgungsgerät (1) vorgesehen ist, wobei sie in Reihe mit einem parallel zueinander geschalteten zweiten Wechselstromschalter (83, 84) und einer in Reihe mit einem Ladewiderstand (87) angeordneten Gleichrichter (88) geschaltet ist, daß der zweite Wechselstromschalter (83, 84) einige Millisekunden (77) nach einem Ausschalten der Netz­ wechselspannung (2, 25, 26) von einer Netz-aus-Erken­ nungsschaltung (30, 34, 74, 77, 80) zündbar ist, so daß die Kapazität (86) die Remanenz (12) des Stromversorgungs­ gerätes (1) nach dem Ausschalten definiert setzt (111, 112).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zeitkonstante des aus der Kapazität (86) und dem Ladewiderstand (87) gebildeten Zeitgliedes kleiner als das 1,5-fache der Periodendauer (13 und 17) der Netzwechselspannung und/oder als die Netz-Ein- Impulszeit (38) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einem Drehstromversorgungsgerät (200) ein dritter Wechselstromschalter (201, 202) zwi­ schen einem weiteren Anschluß (R) des Stromversorgungs­ gerätes (200) und einem weiteren Anschluß (R) der Netzspannung (R) angeschlossen ist, wobei die Steuer­ elektrode (202) des dritten Wechselstromschalters (201, 202) ebenfalls mit dem Ausgang (70, 72) der Pha­ senanschnittschaltung verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem zweiten Wechselstromschalter (83, 84) ein Strombegrenzerwider­ stand (85) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur schnellen Ein-Aus- Schaltung des Stromversorgungsgerätes (1) eine die Ein- Anschnittschaltung übersteuernde Zeitschaltung (72, 99, 101, 102, 103, 105) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung ein Speicherelement (42) aufweist, das mittels einer netz­ synchronisierten (68) Verzögerungsschaltung (58, 60, 61) bei vorgegebenen Phasenlagen setzbar und rücksetzbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verzögerungsschaltung einen setzbaren Zähler (58) aufweist, dessen Taktimpulseingang (62) mit dem Ausgang (67) eines netzsynchronisierten Taktgebers (68) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der setzbare Zähler (58) bei jedem Nulldurch­ gang (115) der Netzwechselspannung (2, 25, 26) setzbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Zähler (58) zur Einstellung des Einschaltphasenwinkels (8) ein Vorlaufwinkelschalter (60, 61) zugeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement (42) bei einem Phasenwinkel zwischen 60 und 0 Grad vor einem Nulldurchgang (115) rücksetzbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromschalter (23, 84, 201) Triacs sind.