DE102014100322B4

DE102014100322B4 - Verfahren zur Erkennung von Phasenausfällen

Info

Publication number: DE102014100322B4
Application number: DE102014100322.5A
Authority: DE
Inventors: Mario Müller
Original assignee: Lenze Automation GmbH
Current assignee: Lenze Automation GmbH
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2014-01-13
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2034-01-14
Also published as: WO2015104690A3; DE102014100322A1; WO2015104690A2

Abstract

Verfahren der Erkennung eines Ausfalls einer Phase in einem – von mehreren Phasen einer Netzspannung (N) gespeisten – System mit einem – eine Gleichspannung bereitstellenden – Zwischenkreis (5), wobei die Spannung (uz(t)) des Zwischenkreises (5) gleichgerichtet mit einem Vielfachen einer Frequenz der Netzspannung (N) als Grundwelle pulsiert und ein Messglied (10) ein Fühlersignal (u1) als Abbild der Spannung (uz(t)) bereitstellt; – wobei das Fühlersignal (u1) einem Frequenzfilter (11) zugeführt wird, der ein Ausgangssignal (u2) erzeugt, bei dem ein Signal mit einer Frequenz des Vielfachen der Netzfrequenz stark gedämpft ist, aber ein Signal mit einer Frequenz unterhalb der Hälfte dieses Vielfachen der Netzfrequenz deutlich weniger gedämpft ist; – wobei das Ausgangssignal (u2) einer Schaltung (12) zugeführt wird; – mit einer Erkennung des Ausfalls einer der Phasen.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Erkennung von Phasenausfällen. Das Verfahren zur Erkennung des Ausfalls einer Phase in einem von mehreren Phasen gespeisten System hat einen Zwischenkreis. Eine gleichgerichtete Spannung u_z(t) des Zwischenkreises pulsiert mit einem Vielfachen der Netzfrequenz als Grundwelle. Ein Messglied erzeugt ein Fühlersignal u₁ als Abbild der gleichgerichteten Spannung u_z(t).
DE 195 09 658 A1 erläutert Netzausfallsignale bei Antriebsgeräte-Steuerungen zur Vermeidung von Beschädigungen oder Zerstörungen solcher Steuerungen. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass der Ausfall einer Phase der dreiphasigen Versorgungsspannung in den Gleichspannungs-Zwischenkreisen solcher Steuerungen zu Veränderung der Signalcharakteristik führt. Insbesondere werden durch die veränderte Signalcharakteristik obere und/oder untere Schwellenwerte verletzt, die zur Detektierung des Phasenausfalls herangezogen werden. Im Falle der Detektion von Phasenausfällen setzt die Steuerung die durch sie angetriebenen Antriebsmaschinen still, um Schäden an der Steuerung durch erhöhten Strom der verbleibenden Phasen zu vermeiden und einem verschlechterten Rundlauf der Antriebsmaschinen entgegen zu wirken.
Dabei ist es allerdings nötig, die Schwellenwerte abhängig von der Versorgungsspannung festzulegen. Des Weiteren ist zusätzlicher Hard- und Softwareaufwand zur Erkennung der Schwellen und deren sachgerechte Auswertung durch eine Vielzahl von Signalen zu betreiben.
DE 39 24 258 C2 erfasst Störungen im Betrieb eines netzgeführten, n-pulsigen Stromrichters (dort Spalte 1, Zeilen 18 bis 33). Eine Schaltungsanordnung zur Überwachung von Stromrichtern ist beschrieben, wobei u. a. der Ausfall von Netzphasen erkannt werden kann. Der Stromrichter wird von einem dreiphasigen Netz gespeist und besitzt eine Gleichspannungsseite, die eine Welligkeit mit der 6-fachen Netzfrequenz aufweist. Im Wandler wird eine Spannung auf der Gleichspannungsseite erfasst und einer Verarbeitung zugeführt. Die Verarbeitung führt zu einer Auswertlogik (dort H), die über den Ausfall einer Netzphase entscheidet, vgl. dort Spalte 1, letzter Absatz, Spalte 2, vierter Absatz und die dortige 1. Die genannte Verarbeitung ergibt sich aus einem Bandpass und einem Schleifenfilter F, der in der Figur als Tiefpass dargestellt ist (Tiefpass erster Ordnung aus R/C-Glied). Funktional arbeitet die dortige Schaltung H als Auswertlogik so, dass bei einem gestörten Stromrichter (dem Ausfall einer Netzphase als Beispiel) weniger Impulse an den Eingang der Komparatoren (dort die Komparatoren D und E) zwischen dem Bandpass und dem Schleifenfilter gelangen. Deshalb kommen auch aus dem zweiten Phasenkomparator (dort E) weniger Phasen-Differenzimpulse je Netzperiode T, welches Verhalten von der Auswertlogik H erfasst und zur Störungserkennung verarbeitet wird. Um ein konkretes Beispiel zu nennen, offenbart diese Schrift ein retriggerbares Monoflop mit ”Laufzeit” größer T/n als Auswertlogik H.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Abhängigkeit von der Versorgungsspannung aufzuheben und den Phasenausfall dennoch zu erkennen. Dieses Problem wird mit Anspruch 1 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die zuerst im genannten Stand der Technik erforderlichen mehreren Spannungsschwellen im Gleichspannungs-Zwischenkreis entfallen und somit auch die Notwendigkeit von deren Einstellung in Abhängigkeit der Versorgungsspannung. Auch müssen keine Phasenkomparatoren gemäß dem zweiten Stand der Technik bereitgestellt werden.
Mit der Erfindung wird nunmehr eine von der Spannung unabhängige Phasenausfallerkennung vorgeschlagen, die über einen großen Leistungsbereich ohne individuelle Einstellungen Verwendung finden kann. Entsprechend vereinfacht sich die Konzeption und Montage solcher Systeme, die nunmehr ohne die genannten Anpassungen problemloser einsatzfähig sind.
Darüber hinaus unterscheidet das vorgeschlagene (und beanspruchte) Verfahren den Ausfall einer Phase vom Ausfall mehrerer Phasen und dem Ausschalten der Antriebsgerätesteuerung, die nicht als Fehlerfall ausgewiesen werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist die Festlegung des Vielfachen der Netzfrequenz auf die sechsfache Netzfrequenz. Damit entspricht das Signal dem im Gleichspannungs-Zwischenkreis anliegenden Signal (anschaulich: u_z(t)) ohne Phasenausfall. Entsprechend kann eine Umsetzung des Signals für die Zwecke der Weiterverarbeitung entfallen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist die Festlegung der Frequenz unterhalb der Hälfte des Vielfachen der Netzfrequenz auf die zweifache Netzfrequenz. Sie entspricht dem Signalverlauf des im Gleichspannungs-Zwischenkreis anliegenden Signals bei Ausfall einer Phase. Entsprechend kann auch hier eine Umsetzung des Signals für die Zwecke der Weiterverarbeitung entfallen.
Weiter kann vorteilhaft die Netzfrequenz auf 50 Hz (Hertz) festgelegt werden, sodass das System an das verbreitete Drehstromnetz angeschlossen werden kann. Eine Toleranzbreite (Schwankungsbreite) soll den Bereich ”bei 50 Hz” umschreiben (Anspruch 5).
Darüber hinaus ist auch eine Netzfrequenz von 16 2/3 Hz vorteilhaft, um das System im Bereich der üblichen Bahnversorgung einsetzen zu können (Anspruch 12).
Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Fühlersignals u₁ für den nachgeschalteten Filter zum Betrieb eines Servoumrichters des Systems. Dieser Servoumrichter ist zur Steuerung der Spannungsversorgung der zu steuernden Antriebsmaschine vorgesehen. Durch die Mitbenutzung dieses – für die Funktion der Antriebsgerätesteuerungen – unverzichtbaren Signals als Fühlersignal (anschaulich u₁) kann auf eine separate Signalgenerierung des Fühlersignals verzichtet werden und somit vorteilhaft Bauteile, Platzbedarf, Kosten und Stromverbrauch der Antriebsgerätesteuerungen reduziert werden.
Weiter vorteilhaft ist die Ausprägung des Frequenzfilters als Bandpassfilter mit einem Durchlassbereich von ca. 90 Hz bis ca. 130 Hz. Somit kann bei üblichem 50 Hz Betrieb die doppelte Netzfrequenz von 100 Hz problemlos das Filter passieren, während die sechsfache Netzfrequenz, z. B. 300 Hz, stark gedämpft wird (entsprechend der Güte und dem Durchlassverhalten des Filters).
Dabei ist es vorteilhaft, das Frequenzfilter als Filter zweiter Ordnung auszubilden. Dadurch sind ausreichend steile Dämpfungsflanken zu erreichen, die den deutlichen Dämpfungsunterschied zwischen zweifacher und sechsfacher Netzfrequenz sicherstellen. Durch die Realisierung als Finite Impuls Response (FIR) Filter ist eine verhältnismäßig einfache Implementierung möglich, bevorzugt mit einem digitalen Signalprozessor, auch DSP genannt.
Weiter vorteilhaft ist die Ergänzung des FIR-Filters im Frequenzfilter mit einer Betragsbildung und einem weiteren nachgeschalteten Filter (Anspruch 9). Dadurch lässt sich ein robusterer Betrieb der Phasenausfallerkennung erreichen.
Besonders vorteilhaft ist es außerdem, das die Schaltung einen Schwellenwert aufweist, der durch das aufbereitete Ausgangssignal des Frequenzfilters nur im Fehlerfall, also bei Ausfall einer Phase, überschritten wird (Anspruch 10). Im Normalfall, also bei Anliegen aller drei Phasen, wird dieser Schwellenwert nicht überschritten. Entsprechend ist nur eine Schwelle zur Fehlererkennung einzustellen.
Es ist auch vorteilhaft, diese Schwelle einstellbar zu machen. Somit kann sie den Gegebenheiten angepasst werden, die z. B. durch Bauteiletoleranzen bei der Fertigung oder auch durch Einsatzbereiche vorgegeben sein können.
Es folgt nun die Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnungen nach Aufbau und auch nach Wirkungsweise der beanspruchten Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1 ein Antriebsgerät mit dem beanspruchten System (und Verfahren), hier als Umrichter bezeichnet.
2 das Beispiel einer ersten Phasenausfall-Erkennungsschaltung in Blockstruktur.
3a den Signalverlauf der Spannung u_z(t) ohne Phasenausfall.
3b den Signalverlauf der Spannung u_z(t) bei Ausfall einer Phase.
3c den Vergleich der Signalverläufe der 3a und 3b.
4 ein Frequenzfilter.
1 zeigt ein Antriebsgerät zum Betrieb von Antriebsmaschinen, bei dem im Wesentlichen die anliegenden drei Phasen der Netzspannung N der üblichen Drehstromspannung über Netzsicherungen 1, einen Hauptschalter 2 und einen Netzfilter 3 dem System 6, hier Umrichter genannt, zugeführt werden. Im System 6 werden die anliegenden Wechselspannungen gleichgerichtet, was üblicherweise mit einer hier nicht gezeigten Diodenmatrix 4 geschieht.
Die so gleichgerichtete Spannung u_z(t) oder 5 wird mit einer Zwischenkreis-Spannungserfassung 10 erfasst, die die Ansteuerspannung für die hier nicht gezeigten Servoumrichter des Systems erzeugt, die ihrerseits zur Spannungsversorgung der ebenfalls nicht gezeigten Antriebsmaschinen dienen. Weiter wird diese Spannung u_z(t) nach Glättung durch nachgeschaltete Kondensatoren C zur Versorgung dieser Servoumrichter zur Verfügung gestellt.
2 zeigt die Auswertschaltung. Wie bereits erwähnt, wird die vom Gleichrichter 4 zur Verfügung gestellte Spannung u_z(t) von der Zwischenkreis-Spannungserfassung 10 erfasst, die ihrerseits das Fühlersignal u₁ zur Verfügung stellt. Dieses Fühlersignal u₁ entspricht der Ansteuerspannung der Servoumrichter, wie bereits erwähnt. Somit wird eine separate Aufbereitung des Fühlersignals u₁ für die anschließende Filterung vermieden, was eine entsprechende Vereinfachung des Systems darstellt.
Im Filter 11 wird nun das Fühlersignal u₁ in das Filterausgangssignal u₂ überführt, das sich insbesondere durch die eingefügte Dämpfung oberhalb der doppelten Netzfrequenz vom Fühlersignal u₁ unterscheidet. Dies bewirkt das als Bandpass ausgeprägte zweistufige Filter, das in 4 noch näher erläutert wird.
Das Filterausgangssignal u₂ wird nun dem Vergleicher 12 zugeführt, der das Filterausgangssignal u₂ mit einem Schwellenwert vergleicht. Bleibt das Signal unterhalb des Schwellenwertes, liegt keine einphasige Störung der Netzspannung vor. Erreicht bzw. überschreitet das Signal den Schwellenwert, ist eine Phase der Netzspannung ausgefallen. Entsprechend kann nun bei Überschreitung des Schwellenwertes die Abschaltung der Antriebsmaschinen veranlasst werden und so die Überlastung des Systems bzw. die fehlerhafte Ansteuerung der Antriebsmaschinen vermieden werden.
3 zeigen verschiedene Signalverläufe der Spannung u_z(t). So zeigt 3a den Normalfall bei ordnungsgemäßem Anliegen aller drei Netzphasen der Netzspannung N. Nach Abtrennung des Gleichspannungs-Anteils U_Z ergibt sich ein Wechselsignal mit einer Grundwelle der sechsfachen Netzfrequenz. Diese Grundwelle ist z. B. durch die bekannte Fourier-Transformation der Spannung u_z(t) zu isolieren, die im Filter 11 vorgenommen wird. Die nachfolgende Dämpfung des Signals dieser sechsfachen Netzfrequenz stellt sicher, dass dieser Signalanteil nicht den Schwellenwert im Vergleicher 12 überschreitet.
3b zeigt den Spannungsverlauf u_z(t) bei Ausfall einer Phase. Er unterscheidet sich vom ordnungsgemäßen Betrieb durch das Fehlen jeder dritten Spannungsspitze. Entsprechend ergibt sich nach Abtrennung des Gleichstromanteils eine Grundwelle der zweifachen Netzfrequenz. Diese passiert das nachfolgende Filter 11 ungedämpft und behält somit ihre Energie. Diese reicht aus, den Schwellenwert im nachfolgenden Vergleicher 12 zu überschreiten.
3c zeigt die Überlagerung der Spannungsverläufe der 3a und der 3b zur Veranschaulichung des Unterschiedes beider Fälle.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Frequenzfilters 11, das einen FIR-Filter, einen Betragsbildungsblock ”Abs2” und abschließend eine weitere Filterfunktion enthält, die z. B. mit der Transferfunktion H(s) = 1/(0,5 s + 1) ausgebildet sein kann. Anschließend wird das so erzeugte Ausgangssignal u₂ noch dem Vergleicher 12, hier Fehlerauswertung genannt, zugeführt. Dieses Filter kann vorteilhaft mit einem digitalen Signalprozessor realisiert werden, um den Schaltungsaufwand gering zu halten.
Bezugszeichenliste

1: Netzsicherung
2: Hauptschalter
3: Netzfilter
4: Gleichrichter
5: Zwischenkreis
10: Messglied
11: Frequenzfilter
12: Schaltung
u₁: Fühlersignal
u_z(t): Spannung
u₂: Ausgangssignal

Claims

Verfahren der Erkennung eines Ausfalls einer Phase in einem – von mehreren Phasen einer Netzspannung (N) gespeisten – System mit einem – eine Gleichspannung bereitstellenden – Zwischenkreis (5), wobei die Spannung (u_z(t)) des Zwischenkreises (5) gleichgerichtet mit einem Vielfachen einer Frequenz der Netzspannung (N) als Grundwelle pulsiert und ein Messglied (10) ein Fühlersignal (u₁) als Abbild der Spannung (u_z(t)) bereitstellt; – wobei das Fühlersignal (u₁) einem Frequenzfilter (11) zugeführt wird, der ein Ausgangssignal (u₂) erzeugt, bei dem ein Signal mit einer Frequenz des Vielfachen der Netzfrequenz stark gedämpft ist, aber ein Signal mit einer Frequenz unterhalb der Hälfte dieses Vielfachen der Netzfrequenz deutlich weniger gedämpft ist; – wobei das Ausgangssignal (u₂) einer Schaltung (12) zugeführt wird; – mit einer Erkennung des Ausfalls einer der Phasen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vielfache der Netzfrequenz die sechsfache Frequenz der Netzspannung (N) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Frequenz unterhalb der Hälfte dieses Vielfachen der Netzfrequenz die zweifache Netzfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Netzfrequenz zwischen 45 Hz und 60 Hz liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Netzfrequenz bei 50 Hz liegt, mit einer Schwankungsbreite von ±2%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Fühlersignal (u₁) zum Betrieb eines Servoumrichters ausgebildet ist und der Servoumrichter die Steuerung der Spannungsversorgung einer an das System gekoppelten Antriebsmaschine übernimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Frequenzfilter (11) ein Bandpass ist und ein Durchlassbereich des Bandpasses von 90 Hz bis 130 Hz reicht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Frequenzfilter (11) ein Bandpass zweiter Ordnung ist, insbesondere mit einem FIR-Filter.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Fühlersignal (u₁) im Frequenzfilter (11) zusätzlich zum FIR-Filter eine Betragsbildung und eine weitere Filterstufe durchläuft.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltung (12) einen Schwellenwert aufweist, welcher ohne Ausfall einer Phase durch das Signal mit der Frequenz des Vielfachen der Netzfrequenz nicht überschritten wird, hingegen bei Ausfall einer Phase durch das Signal mit der Frequenz unterhalb der Hälfte des Vielfachen der Netzfrequenz überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schwellenwert einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Netzfrequenz zwischen 15 Hz und 25 Hz, insbesondere in einem Bereich von 16 Hz bis 17 Hz liegt.