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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erdschlussfehlererkennung bei Dreipunkt-Pulsgleich- nchtersystemen durch modifizierte Mittelpunktsstrommessung in Null- und Vollspannungsschaltzu- ständen, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden bei dreiphasigen Pulsgleichrichtersystemen zur Erkennung eines Erdschlusses einer Ausgangsspannungsschiene drei Stromwandler in den Netzzuleitungen eingesetzt. Zur Regelung der Eingangsströme wären bei fehlerfreiem Betrieb, bzw einer sich zu Null ergänzenden Stromsumme allerdings nur 2 Phasenstromsensoren erforderlich. Wie in der AT 405586B ausgeführt, kann die als Basis der Stromregelung dienende Phasenstromistwertinformation auch durch einen, in der Verbindung zum Mittelpunkt der Ausgangsspannung liegenden Stromsensor gewonnen werden. Die Erkennung eines Erdschlussfehlers wird dabei jedoch nicht berücksichtigt, womit bei Forderung nach Erdschlussdetektierung nach wie vor hohe Kosten der Strommessvorrichtung resultieren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, die auch auf Basis nur eines Mittelpunktsstromsensors die Erkennung einer fehlerhaften Verbindung einer Ausgangsspannungsschiene mit Erde ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Grundgedanke der Erfindung ist, in die stromwandlergestützte Messung des Mittelpunktsstromes neben den Amperewindungen des Mittelpunktsstromes auch Amperewindungen von Strömen einzubeziehen, die sich im fehlerfreien Zustand zu 0 ergänzen und so keinen Einfluss auf das Messergebnis nehmen. Tritt nun ein Erdschluss auf, wird eine resultierende Durchflutung gebildet, die in Intervallen, in denen ein Freilauf- oder Vollspannungsschaltzustand des Konverters vorliegt ; einzig das Wandierausgangssignal bestimmt. Dies wird bei Ersetzung der aus abschaltbaren Leistungshalbleiterbauelementen mit antiparalleler Diode und Dioden gegen den Ausgangsspannungsmittelpunkt gebildeten Brückenzweige der Phasen durch dreipolige Umschalter zwischen positiver Ausgangsspannungsschiene, Ausgangsspannungsmittelpunkt und negativer Ausgangsspannungsschiene deutlich.
Für Freilauf, das heisst, wenn sämtliche Phasenschalter an der positiven Ausgangsspannungsschiene, oder am Ausgangsspannungsmittelpunkt oder an der negativen Ausgangsspannungsschiene liegen, schliessen sich die Eingangsphasenströme auf kürzestem Weg über die Schaltverbindungen zwischen den Phasenbrückenzweigen und es tritt kein Mittelpunktsstrom (und kein Stromfluss in den Ausgangskreis) auf. Ein Messsignal ungleich Null kann daher nur durch einen gegen Erde abfliessenden Strom verursacht werden. Hinsichtlich Mittelpunktsstrom gleiche Verhältnisse sind für Vollspannungszustände, d. h. wenn die einzelnen Phasenumschalter entweder an der positiven oder negativen Ausgangsspannungsschiene liegen, gegeben. Hier werden zwar die Eingangsströme über die positive und negative Ausgangsspannungsschiene geführt, die Mittelpunktsverbindung verbleibt jedoch wieder stromlos.
Im einfachsten Fall kann die erfindungsgemässe Summation von Amperewindungen mittels eines Durchsteckwandlers (entspricht einer Primärwindungszahl gleich 1) erreicht werden, durch welchen neben der Mittelpunktsverbindung auch die drei Netzzuleitungen geführt werden. Allerdings ist eine erfindungsgemässe Ausführung des Stromwandler auch mit Primärwindungszahlen ungleich 1 möglich, wenn die in den drei Zuleitungen liegenden Wandlerprimärwicklungen gleiche Windungszahl aufweisen. Weiters ist darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung auch bei Einphasensystemen in sinngemäss gleicher Form Anwendung finden kann.
Der so gemessene Strom wird einem Komparator zugeführt, dessen Ausgang abhängig von den, an die abschaltbaren Leistungshalbleiter des Gleichrichters gelegten Steuersignalen, z. B. mittels einer kombinatorischen Logik verriegelt ist. Der Ausgang des Schwellwertschalters wird nur bei Auftreten eines Freilauf- bzw. Nullspannungszustandes und eines Vollspannungszustandes freigegeben. Überschreitet der Betrag des Messwertes dann den nahe Null liegenden Schwellwert des Komparators, wird eine Erdschlussfehlermeldung ausgegeben.
Eine weitere Ausführungsvariante beschreibt der Kennzeichenteil des Patentanspruches 2.
Anstelle der drei Netzzuleitungen werden hier vorteilhaft die beiden Gleichspannungsschienen gemeinsam mit der Schaltverbindung zum Ausgangsspannungsmittelpunkt durch den Durchsteckstromwandler geführt, wobei für positive Zählrichtung zum Konverterausgang die Schienen gegen- über der Mittelpunktsleitung entgegengesetzte Durchsteckrichtung aufweisen. Dadurch wird, da die
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Summe der gegen den Ausgang positiv gezählten Ströme in der positiven und negativen Spannungsschiene stets gleich dem negativen Wert des, in der gleich Richtung positiv gezählten Mittel- punktsstromes ist, der Messwert des Mittelpunktsstromes z. B. bei Stromfluss über nur eine Spannungsschiene und Rückfluss über die Mittelpunktsverbindung verdoppelt.
Damit ist allerdings kein Nachteil verbunden, da die den eventuell Messungenauigkeiten verursachenden Magnetisierungsstrom des Wandlers bestimmende Bürdenspannungszeitfläche durch Halbierung des Widerstandes der Bürde wieder auf den konventionell auftretenden Wert verringert werden kann.
Bei Vollspannungsschaltzuständen ergibt sich im fehlerfreien Zustand aufgrund der entgegengesetzten Stromflussrichtung in positiver und negativer Ausgangsspannungsschiene keine Beeinflussung des Messwertes. Fliesst im Erdschluss-Fehlerfall über eine der Ausgangsspannungsschienen Strom gegen Erde bzw. den Netzsternpunkt ab, wird das Gleichgewicht der Durchflutungen der Ströme in den Ausgangsspannungsschienen gestört, womit ein Ausgangssignal des Wandlers ungleich Null auftritt bzw. der Erdschluss wieder über einen Komparator detektiert werden kann.
Auch hier kann erfindungsgemäss wieder anstelle eines Durchsteckwandlers ein Wandler mit Primärwindungszahl grösser 1 Anwendung finden, wobei die in der positiven und negativen Schiene liegenden Wandlerwicklungen gleiche Windungszahl aufweisen müssen. Weiters sei wieder darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung auch bei Einphasensystemen in grundsätzlich gleicher Form Anwendung finden kann.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im weiteren anhand der, in den im folgenden angegebenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt :
Fig. 1 Die Grundstruktur (vereinfachte, schematische Darstellung) des Leistungsteiles eines Dreiphasen-Dreipunkt-Pulsgleichrichtersystems mit erfindungsgemäss zur Erdschlusserkennung modifizierter Strommessvorrichtung in der Schaltverbindung zum Ausgangsspannungsmittelpunkt sowie das Blockschaltbild der zugehörigen Auswerte-Signalelektronik.
Fig. 2 Eine Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Strommessvorrichtung zur Erdschlu- sserfassung.
In Fig. 1 ist ein dem Stand der Technik entsprechendes drelphasiges Dreipunkt-Pulsgleichrich- tersystem dargestellt, dessen Grundfunktion in der Umformung eines, an Klemmen 1, 2, 3 gelegten dreiphasigen Spannungssystems 4 in eine, über den Ausgangskondensatoren 5 und 6 auftretende Gleichspannung mit Mittelpunkt 7 besteht. Die Grundfunktion des Konverters entspricht der Anordnung je eines dreipoligen Umschalters 8, 9, 10 je Phase, der den zugeordneten, durch eine Vorschaltinduktivität 11, 12 oder 13 eingeprägten Eingangsstrom in die positive Ausgangsspannungsschiene 14, den Ausgangsspannungsmittelpunkt 15 oder die negative Ausgangsspannungsschiene 16 weiterschaltet.
Mit Ausnahme der Freilaufzustände, d. h., wenn alle Phasenumschalter an der positiven Ausgangsspannungsschiene 14, oder an der Mittelpunktsverbindung 15, oder an der negativen Ausgangsspannungsschiene 16 liegen, oder während der Vollspannungsschaltzustände, d. h., wenn durch keinen Phasenumschalter die Mittelpunktsverbindung kontaktiert wird, tritt stets ein Eingangsphasenstrom als Mittelpunktsstrom auf. Damit kann, dem Stand der Technik entsprechend, der Eingangsstromverlauf über Messung des Mittelpunktsstromes rekonstruiert und so der für eine Regelung der Eingangsströme erforderliche Messaufwand minimiert werden.
Werden nun erfindungsgemäss neben der Mittelpunktsverbindung auch die Netzzuleitungen 17, 18, 19 durch den, im einfachsten Fall als Durchsteckwandler 20 realisierten Stromwandler geführt, wird zufolge der sich bei freiem Netzsternpunkt zu Null ergänzenden Summe der Zuleitungsströme im regulären Betrieb das Ausgangssignal 21 des Wandlers einzig durch den Mittelpunktsstrom bestimmt, d. h. für Freilauf und Vollspannungszustände des Konverters tritt ein Ausgangssignal gleich Null auf.
Liegt ein Erdschluss, d. h. ein sich i. a. über die positive oder negative Ausgangsspannungsschiene gegen Erde, bzw. den Sternpunkt 22 des Netzes schliessender Fehlerstrom vor, wird auch in den Freilaufintervallen und für Vollspannungsschaltzustände ein Wandlerausgangssignal 21 auftreten, das über einen Komparator 23 detektiert und einer kombinatorischen Verriegelungslogik 25 zugeführt wird. Weiteres wird der Logik 25 eine Information 26 über den aktuellen Schaltzustand des Konverters zugeführt und die Logik so konzipiert, dass für Freilauf und Vollspannungszustände eine am Ausgang 24 des Komparators 23 anstehende Erdschlussfehlermeldung an den Ausgang 27 der Logik 25 weitergeschaltet wird.
Eine alternative Ausführungsvariante der erfindungsgemäss zur Erdschlussdetektion erweiter-
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ten Mittelpunktsstrommessung ist in Fig. 2 gezeigt. Hiebei werden anstelle der Netzzuleitungen die positive und die negative Ausgangsspannungsschiene 14 und 16 gemeinsam mit der Mittelpunktsleitung 15 jedoch in entgegengesetzter Richtung durch den Durchsteckwandler 20 geführt. Für Freilauf, d. h. stromlose Ausgangsspannungsschienen und VollspannungsschaltzustÅande, d. h. im regulären Betrieb entgegengesetzte Ströme in positiver und negativer Ausgangsspannungsschiene, treten damit keine zusätzlichen Amperewindungen auf bzw. ist das Wandlerausgangssignal gleich Null Reguläre Messwerte des Mittelpunktsstromes für die übrigen Schaltzustände werden verdoppelt, da sich z.
B. bei Stromfluss gegen den Ausgang in der positiven Ausgangsspannungsschiene und Rückfluss des Stromes in das Netz über die Mittelpunktsverbindung die wandierpri- mÅarseitig wirksamen Amperwindungen verdoppeln. Ein Erdschlussfehler kann nun wieder durch das Auftreten eines Wandlerausgangssignals während Freilauf oder während eines Vollspannungsschaltzustandes des Konverters detektiert werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Erdschlussfehlererkennung eines Dreipunkt-Pulsgleichrichtersystems das einen Stromwandler (20) in der zum kapazitiven Mittelpunkt (7) der Ausgangsspannung führenden Schaltverbindung (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass durch den, in an sich bekannter Weise den Mittelpunktsstrom erfassenden Durchsteckstromwandler (20) neben der Mittelpunktsverbindung (15) auch die drei Netzzuleitungen (17, 18, 19) geführt werden, wobei bei von 1 abweichenden Primärwindungszahlen des Stromwandler (20) die in den drei Netzzuleitungen (17, 18, 19) liegenden Wandlerprimärwicklungen gleiche
Windungszahl und gleichen Wicklungssinn aufweisen, und der Betrag des Stromwandler- ausgangssignals (21) einem Komparator (23) mit Schwellwert nahe Null zugeführt wird, dessen Ausgang (24)
an einen Eingang eines UND-Gatters (25) gelegt ist, welches bei
Auftreten eines Freilauf- bzw. Nullspannungszustandes oder eines Vollspannungszustan- des des Pulsgleichrichtersystems durch den zweiten Eingang (26) freigegeben wird, womit am Ausgang (27) des UND-Gatters (25) bei Vorliegen eines Erdschlusses bzw. einer re- sultierenden Durchflutung der Ströme in den Netzzuleitungen (17, 18, 19) in Intervallen, in denen ein Freilauf- oder Vollspannungszustand des Pulsgleichrichtersystems vorliegt, eine
Erdschlussfehlermeldung auftritt.
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