CN101647180A - 识别网络过零的电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于识别交流电压网的网络电压(UNetz)的网络过零的电路装置，其中，将由网络电压(UNetz)所引起的测量电流(i，iR，iF，iFP，iFN)输送给过零探测器(31，32)，用于形成网络过零信号，和其中在交流电压网的导线(L)和零线(N)之间布置电流宿(1，1a，1b，11，12)，借助该电流宿(1，1a，1b，11，12)确定由网络电压所引起的测量电流(i，iR，iF，iFP，iFN)的电流值的特性曲线。因此可以即使在干扰的情况下也可靠地识别网络过零并将损耗功率保持得小。

Description

识别网络过零的电路装置
技术领域
本发明涉及一种用于识别交流电压网的网络电压的网络过零的电路装置，其中，将由网络电压所引起的测量电流输送给过零探测器，用于形成网络过零信号。
背景技术
用于识别交流电压网的网络电压的网络过零(Netznulldruchgang)的电路装置到处被采用于需要与交流电压同步的信号的地方。
一种使用领域是与网络电压的网络过零有关地以相位正确的方式控制转换器或逆变器的功率部分。
在此，转换器或逆变器例如用来提供适合于馈入交流电压网中的交流电流形式的电能。对此的一种应用领域是将替代的电流源连接到大多为公共的交流电压网上。这样的电流源可以是太阳能电池板、燃料电池、风力发电机或像蓄电池那样的其它电流源。
按照现有技术公知许多具有不同应用可能性的逆变器电路。在此，以与具有单相或多相交流电流结果的用于逆变每个第二半波的全桥或半桥相组合的方式使用电子转换器的不同基本类型，诸如用于生成半波形式的电流的升压转换器、降压转换器或升降压转换器。
尤其是在光电设备中应满足网络运营商和官方机构的不同条件，例如馈入正弦形电流。在此通常从网络电压中导出正弦形状。
网络同步馈入的主要准则是正确识别网络过零，用于相位正确地控制功率部分。在网络电压中的网络过零为逆变器控制定义用于从正半波向负半波的转换和相反的转换的时刻。
但是逆变器的功率部分的相位正确的控制对于设备安全也是重要的。在没有相应的保险措施的情况下，从正半波向负半波或相反的有差错的转换导致逆变器的功率部分中的网络短路，该网络短路可能导致损坏或毁坏功率元件。
用于识别过零的公知的电路装置由分压器和比较器或运算放大器组成(请参阅图1和2)。在此，在比较器或运算放大器的输出端处施加矩形信号，其中，例如该矩形信号的低值显示网络电压的负半波，和该矩形信号的高值显示网络电压的正半波。也即信号值随着网络电压的每次过零而变化。分压器的电阻在此是高欧姆的，以便将损耗功率保持得小。
由于比较器或运算放大器的高欧姆的输入端，这样的电路对于网络过零的错误检测是敏感的。这种错误检测的触发源可能是电磁干扰或网络中的干扰。在此可能出现，在比较器或运算放大器的输入端处施加电流值，该电流值的符号不对应于网络电压的当前额定相位角值(Sollphasenlage)，由此错误的网络过零被记录。
发明内容
本发明所基于的任务在于说明一种开始时所述方式的电路装置，该电路装置能够实现网络过零的防干扰检测。
根据本发明，通过用于识别交流电压网的网络电压的网络过零的电路装置来解决该任务，其中，将由网络电压所引起的测量电流输送给过零探测器，用于形成网络过零信号，和其中在交流电压网的导线和零线之间布置电流宿(Stromsenke)，借助所述电流宿确定由网络电压所引起的测量电流的电流值的特性曲线。
电流宿的采用确保，在过零的范围中在低的网络电压值时测量电流值的数值也是足够大的，以便在对测量电流产生影响的干扰时保持测量电流的相位正确的(phasenrichtig)符号。如果例如在正的网络半波期间，在过零探测器的输入端处的电磁干扰引起测量电流值下降，则该测量电流值仍然保持为正的，并且不导致过零的有差错的识别。
在接近网络电压的网络过零的临界范围中，本发明装置因此提供足够高的测量电流，以便不受起作用的干扰影响地可靠地识别过零。但是另一方面，也通过在网络电压的顶点范围中相应地限制测量电流将损耗功率保持得低。
在本发明的有利的扩展方案中，电流宿被构造为可变的电流宿，以便通过测量电流的可变的特性曲线来优化损耗功率。
在此，例如如果由可变的电流宿所造成的电流值特性曲线与网络电压的特性曲线成反比(indirekt proportional)，则是有利的。于是可以直接从网络电压的特性曲线中推导出用于控制电流宿和因此用于确定测量电流值特性曲线的信号。
为了在网络过零的范围中提供测量电流的特别显著的上升，有利的是，调定相应高的比例因子，并在此情况下用最低值来限制针对高的网络电压值的测量电流值的特性曲线。
在一种有利的电路装置中，与电阻串联地布置电流宿，并且与电阻并联地布置构造为比较器或运算放大器的过零探测器。该装置可以用简单的构件来实现，并在过零探测器的输出端处提供矩形信号，该矩形信号的高值显示网络电压的正半波，该矩形信号的低值显示网络电压的负半波。
在此，如果比较器或运算放大器的输出端与用于电分离的元件(例如光耦合器)相连接，则是有利的。
在另一电路装置中，与用于电分离的元件(例如光耦合器)串联地布置电流宿。在该装置中，在光耦合器的输出端处施加反转的矩形信号。低值因此显示网络电压的正半波，高值显示网络电压的负半波。该装置以少量的构件提供电分离的(galvanisch getrennt)网络过零信号。
按照希望何种网络过零信号而定，将电流宿本身构造为单向的或双向的电流宿。在具有单向电流宿的电路中，测量电流一直保持不等于零，直到网络电压大于零，或对于具有与电流宿串联布置的光耦合器的实施形式，网络电压大于光耦合器二极管的导通电压为止。
本发明还涉及一种逆变器，所述逆变器的功率部分与交流电压网的网络电压的网络过零有关地被控制。在此，设置用于将电能馈入到交流电压网中的逆变器，其中借助本发明电路装置检测网络电压的过零。
特别是在用于将替代的电流源接通到交流电流网上的逆变器中，重要的是达到高的效率，以便确保替代的电流生成的经济性。所以在这样的逆变器的功率部分中采用损耗特别少的构件。
这种构件对于有差错的相转换和由此产生的网络短路是很敏感的。因此重要的是可靠地识别网络过零。
附图说明
以下以示范性的方式参照附图来阐述本发明。以示意图的方式：
图1示出具有分压器和比较器的电路装置(现有技术)，
图2示出扩展了光耦合器的根据图1的电路装置(现有技术)，
图3示出具有比较器的本发明电路装置的实施例，
图4示出具有光耦合器的本发明电路装置的实施例，
图5示出具有两个电流宿和两个光耦合器的本发明电路装置的实施例，
图6示出电压或电流控制的单向电流宿的控制，
图7示出在采用单向电流宿时的信号特性曲线，
图8示出电压或电流控制的双向电流宿的控制，
图9示出在采用双向电流宿时的信号特性曲线。
具体实施方式
图1展示了按照现有技术的用于识别网络过零的简单的电路装置。两个电阻R1和R2在此形成在交流电压网的导线L和零线N之间的分压器。从导线L出发，经由第一电阻R1和第二电阻R2使网络电压UNetz降低，其中，测量电流i流过电阻R1、R2。与第二电阻R2并联地连接比较器或运算放大器作为过零探测器，在该过零探测器的输出端处施加作为矩形信号的过零信号。高值对应于网络电压UNetz的正半波，低值对应于网络电压UNetz的负半波。可以用保护二极管来保护比较器或运算放大器的输入端。
为了使所产生的损耗功率保持得小，两个电阻R1和R2通常被构造为高欧姆的(例如对于第一电阻R1200KΩ至300KΩ，对于第二电阻R22KΩ至5KΩ)。在230V的交流电压网中，从中得出0.26W的最大总损耗功率(没有考虑保护二极管)。
对于测量电流i，因此在网络电压UNetz的顶点值中得出1.61mA的值(没有考虑保护二极管)，和在1V的网络电压UNetz时，在过零范围中得出5μA的值(没有考虑保护二极管)。
在图2中又示出了按照现有技术的具有分压器和比较器或运算放大器的电路，其中，比较器或运算放大器的输出端配备有用于电分离的光耦合器OPTO。由于光耦合器OPTO引起信号的反转，比较器或运算放大器的输入端被交换，使得与在图1中的比较器或运算放大器输出端处相同的信号施加在光耦合器OPTO的输出端处作为过零信号。
如果网络电压UNetz接近过零，并且分压器中的测量电流i因此很小，则按照现有技术的在图1和2中所示出的电路对于干扰是很灵敏的。于是例如幅射到比较器或运算放大器的高欧姆输入连接上的小的电磁干扰，足以导致比较器或运算放大器的有差错的分析。网络本身中的轻微的干扰同样可以导致过零识别时的错误，因为由于小的测量电流i，小的功率的干扰已经可以导致在比较器或运算放大器输入端处的符合变换。
在图3中示出的本发明电路装置不具有这些缺点。该电路装置与在图1中所示出的电路装置的差别在于，设置电流宿1、即具有受控的电流或电压的电子负载来代替第一电阻R1。
在最简单的情况下如此调定电流宿1，使得在不等于零的网络电压UNetz时，恒定的测量电流iR流动。电流宿1在此可以被构造为单向的电流宿或双向的电流宿。在第一情况下，只有在网络电压UNetz的正半波时(或只有在负半波时)，恒定的测量电流iR流动。在单向的电流宿1的情况下，测量电流iR的零值相位的开始或结束说明网络电压UNetz的过零的时刻。在双向的电流宿1的情况下，测量电流iR的流向随着网络电压UNetz的每次过零而翻转。测量电流iR的符合变换因此说明网络电压UNetz的过零的时刻。
在图4中示出了另一本发明电路装置。在此，将电流宿1与二极管D和作为过零探测器的光耦合器OPTO串联地连接在交流电压网的导线L和零线N之间。在最简单的情况下，当网络电压UNetz大于二极管D的导通电压和光耦合器OPTO的二极管的导通电压之和时，又有恒定的测量电流iF流经该串联电路。测量电流iF的零值相位的开始或结束在此显示网络电压UNetz的过零。由后置的模拟或数字补偿单元可以补偿由二极管的导通电压得出的不准确性，因为二极管的已知的导通电压通常只遭受最小的变化(例如在温度波动时)。
因此在光耦合器OPTO的与输入端电分离(galvanische Trennung)的输出端处施加矩形形式的反转的过零信号。高值显示网络电压UNetz的负半波，低值显示网络电压UNetz的正半波。为了提高网络过零的探测可靠性，将由电流转换器1a、1b和光耦合器OPTO1、OPTO2组成的各一个串联电路用于检测网络电压UNetz的负半波和用于检测网络电压UNetz的正半波。在图5中示出了这样的电路装置。在网络电压UNetz的正半波期间，正的测量电流iFP流经第一光耦合器OPTO1和第一电流宿1a。在网络电压UNetz的负半波期间，负的测量电流iFN流经第二电流宿1b和第二光耦合器OPTO2。将两个光耦合器OPTO1、OPTO2的输出信号输送给逻辑电路4，在所述逻辑电路4中将两个信号例如处理成平均的过零信号。
因此本发明电路装置的优点在于，在网络电压UNetz的网络过零范围中测量电流iR或iF的高放大。由于直至网络过零的直接附近在电流宿中高的测量电流iR或iF和在网络电压UNetz的极性变换时测量电流iR或iF突然断开，可以获得与在具有按照现有技术的分压器的情况可能的相比显著更明确的过零信号。
特别是对于逆变器重要的是，在具有网络电压UNetz中的谐波的强烈受干扰的网络的情况下也可靠地识别网络电压UNetz的实际的极性(即基波的极性)。与逆变器的功率部分有关地，由于错误连接的功率晶体管，在几伏的实际网络电压UNetz时网络过零的错误识别已经可能引起损坏构件的短路电流。
网络过零识别在此随着上升的测量电流iR或iF对于网络干扰越来越可靠。但是在此应注意，随着通过电流宿1的上升的电流，电流宿1中的损耗功率也变大。
在一种有利的扩展方案中因此规定，用以下的方式可变地预先规定测量电流iR或iF，使得所述测量电流在网络过零的范围中是高的，和在网络电压UNetz的顶点值的范围中是小的。在图6和7中说明了单向电流宿的相应实例。
图6以简化的方式展示了在本发明电路装置的各个元件中的信号处理。电压或电流控制的电流宿11与过零探测器31串联地连接在交流电压网的导线L和零线N之间。此外给电流宿的控制单元21输送网络电压UNetz。在控制单元21中，给电流宿预先规定作为网络电压UNetz的函数Us＝f(1/UNetz)的电流宿电压Us。该函数例如对于等于零的网络电压UNetz确定电流宿电压Us的最高值。在其它的特性曲线中，电流宿电压Us线性地随着上升的网络电压UNetz下降，其中设置下限。
在电流宿11中，将通过电流宿11的测量电流i规定为电流宿电压Us与恒定的因子K的乘积。测量电流因此也是网络电压UNetz的倒数值的函数的结果(i＝f(1/UNetz))。
在图7中示出了具有测量电流的不同函数i＝f(1/UNetz)的信号特性曲线。在曲线图中，在横坐标上绘出时间t。第一曲线图展示了网络电压UNetz对于时间t的特性曲线，其中，假设在网络电压UNetz的正半波时具有导通方向的单向的电流源。
只要网络电压UNetz是负的，则测量电流i的值保持等于零。在第二曲线图中示出了测量电流i对于时间t的特性曲线a，其中，该特性曲线a基于测量电流i对于网络电压UNetz的线性函数。在测量电流i过零时，测量电流i跳跃到预先规定的最大值iMax，并且然后与网络电压UNetz的特性曲线成反比地走向。在达到网络电压顶点的时刻，测量电流i达到最小值iMin。
在第三曲线图中，示出了具有测量电流i对于网络电压UNetz的线性函数和具有测量电流i的下限值iMin的特性曲线b。这样的特性曲线b相对于前面的特性曲线a允许在上升的网络电压UNetz时测量电流i的更陡的下降，并因此允许损耗功率的减少。如果将6mA预先规定为测量电压的最大值iMax和将3mA预先规定为测量电压的最小值iMin，并在100V的网络电压值时达到最小值iMin，则例如在230V的交流电压网中损耗功率为0.39W。损耗功率因此处在按照现有技术的电路的上面所说明的实例的范围中，而接近网络过零的测量电流i达到按照现有技术的测量电流的1200倍的值(6mA/5μA)。
在另一曲线图中，示出了具有测量电流i与网络电压UNetz的非线性函数的、测量电流i对于时间t的特性曲线c。
在图8和9中示出了双向电流宿的信号处理和信号特性曲线。
在图8中，电压或电流控制的电流宿12与过零探测器32串联地连接在交流电压网的导线L和零线N之间。将网络电压UNetz输送给电流宿12的控制单元22。在控制单元22中作为网络电压UNetz的倒数值的函数形成电流宿电压Us，其中，在这里不同于在单向电流宿的情况，为网络电压UNetz的两个极性规定函数。在图8中，既对于负的网络电压值、也对于正的网络电压值示出了具有电流宿电压Us的极限的线性函数。
将电流宿电压Us输送给电流宿12，其中，通过同一电流宿电压Us与因子K相乘预先规定通过电流宿12的测量电流i的特性曲线。
在图9中又示出了测量电流特性曲线a、b、c对于时间t的、与网络电压UNetz成反比的三个不同的实例。在此，既对于网络电压UNetz的正半波也对于网络电压UNetz的负半波规定了对应于相应的函数f(1/UNetz)的特性曲线a、b、c。
第一特性曲线a对应于具有预先规定的最大值iMax和最小值iMin的、测量电流i对于网络电压UNetz的线性函数。第二特性曲线b同样基于线性函数，其中，但是对于网络电压UNetz的正半波预先规定具有最小数值iMin的正值，和对于网络电压UNetz的负半波预先规定具有最小数值的负值。测量电流i对于时间t的第三示范性特性曲线c基于测量电流i与网络电压UNetz的非线性函数。
既对于单向的电流宿、也对于双向的电流宿可以选择任意的其它函数。在此，在通过电流宿的同时小的损耗功率的情况下，仅仅应考虑在小网络电压UNetz的范围中高测量电流的预先规定。

Claims (10)

1.用于识别交流电压网的网络电压(UNetz)的网络过零的电路装置，其中，将由网络电压(UNetz)所引起的测量电流(i，iR，iF，iFP，iFN)输送给过零探测器(31，32)，用于形成网络过零信号，其特征在于，在交流电压网的导线(L)和零线(N)之间布置电流宿(1，1a，1b，11，12)，借助该电流宿(1，1a，1b，11，12)确定由网络电压(UNetz)所引起的测量电流(i，iR，iF，iFP，iFN)的电流值的特性曲线。
2.按照权利要求1的电路装置，其特征在于，将所述电流宿(1，1a，1b，11，12)构造为可变的电流宿。
3.按照权利要求2的电路装置，其特征在于，测量电流(i，iR，iF，iFP，iFN)的电流值的由可变的电流宿(1，1a，1b，11，12)所引起的特性曲线与网络电压(UNetz)的特性曲线成反比。
4.按照权利要求3的电路装置，其特征在于，用最小值(iMin)限制电流值的由可变的电流宿(1，1a，1b，11，12)所引起的特性曲线。
5.按照权利要求1至4之一的电路装置，其特征在于，与电阻(R)串联地布置所述电流宿(1，11，12)，并且与所述电阻(R)并联地布置被构造为比较器或运算放大器的过零探测器。
6.按照权利要求5的电路装置，其特征在于，比较器或运算放大器的输出端与用于电分离的元件(OPTO)相连接。
7.按照权利要求1至4之一的电路装置，其特征在于，与用于电分离的元件(OPTO，OPTO1，OPTO2)串联地布置所述电流宿(1，1a，1b，11，12)。
8.按照权利要求6或7的电路装置，其特征在于，将用于电分离的元件构造为光耦合器(OPTO，OPTO1，OPTO2)。
9.按照权利要求1至8之一的电路装置，其特征在于，将所述电流宿(1，1a，1b，11，12)构造为单向的电流宿或构造为双向的电流宿。
10.用于将电能馈入交流电压网中的逆变器，其特征在于，借助按照权利要求1至9之一的电路装置来检测网络电压(UNetz)的网络过零。
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