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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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Wenn in einer Fotovoltaikanlage eine Gleichstrom führende Leitung unter Last getrennt wird, beispielsweise aufgrund einer Störung, kann ein Lichtbogen zünden, der große Schäden verursachen kann. Da bei Gleichstrom der Lichtbogen nicht sicher von selbst verlöscht, ist es erforderlich, das Zünden und Brennen des Lichtbogens zu erkennen, um den Stromkreis des Lichtbogens aktiv zu unterbrechen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Gleichstromstrang einer Fotovoltaikanlage, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Lichtbogen verursacht Störsignale in einer Gleichstromseite einer Fotovoltaikanlage. Die Störsignale eines Lichtbogens sind von Interferenzen und von extern eingekoppelten Störsignalen aufgrund ihrer Breitbandigkeit unterscheidbar.
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Durch eine Bandpassfilterung kann ein Frequenzband aus einem Gesamtspektrum aller Frequenzen der Gleichstromseite ausgeschnitten werden. Insbesondere sollte das Frequenzband dabei außerhalb von Frequenzbereichen liegen, in denen Störungen zu erwarten sind, beispielsweise im Bereich von Taktfrequenzen des Wechselrichters oder der Netzfrequenz.
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Wenn in dem isolierten Frequenzband eine Signalintensität größer als eine erwartete Intensität ist, kann ein Lichtbogen in der Fotovoltaikanlage erkannt werden.
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Es wird ein Verfahren zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Gleichstromstrang einer Fotovoltaikanlage vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Verarbeiten eines im Gleichstromstrang erfassten Stromsignals, um ein Detektionssignal zu erhalten, wobei das Stromsignal unter Verwendung eines Bandpassfilters, insbesondere eines breitbandigen Bandpassfilters, verarbeitet wird, um das Detektionssignal zu erhalten; und
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Überwachen des Detektionssignals, um einen Lichtbogen zu erkennen, wobei ein Lichtbogen erkannt wird, wenn ein Pegel des Detektionssignals für mehr als einen Mindestzeitraum größer als ein Schwellenwert ist.
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Unter einem Lichtbogen kann eine Gasentladung zwischen zwei elektrischen Leitern auf einem unterschiedlichen Spannungspotenzial verstanden werden. Der Lichtbogen ist selbsterhaltend. Ein Gleichstromstrang kann ein Teil der Fotovoltaikanlage sein, in dem Gleichstrom fließt. Insbesondere umfasst der Gleichstromstrang die Fotovoltaikmodule, die Leitungen zwischen den Fotovoltaikmodulen, die Leitungen zu dem Wechselrichter und die Seite des Wechselrichters, in dem Gleichstrom fließt. Ein Stromsignal repräsentiert einen Stromfluss in dem Gleichstromstrang. Ein Ausschnitt aus einem Frequenzspektrum des Stromsignals kann den Bandpassfilter passieren. Ein Pegel des Detektionssignals kann eine Signalstärke beziehungsweise eine Amplitude des Detektionssignals sein.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Anpassens aufweisen, in dem unter Verwendung des Detektionssignals der Schwellenwert angepasst wird. Der Schwellenwert kann in einem vorbestimmten Verhältnis zu einem Grundrauschen des Detektionssignals angepasst werden. Das Grundrauschen kann ein natürliches Frequenzspektrum innerhalb des Gleichstromstrangs repräsentieren. Das Grundrauschen kann durch eingekoppelte elektromagnetische Wellen, wie beispielsweise Funkwellen oder Mikrowellen entstehen. Je nach Standort kann das Grundrauschen einen höheren oder niedrigeren Pegel aufweisen. Durch eine Anpassung des Schwellenwerts an das Grundrauschen kann eine Fehlerkennung des Lichtbogens verhindert werden. Weiterhin kann eine Erkennungsgenauigkeit verbessert werden.
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Der Lichtbogen kann unter Verwendung zumindest eines weiteren Schwellenwerts und eines weiteren Mindestzeitraums erkannt werden. Der Lichtbogen kann erkannt werden, wenn das Detektionssignal für mehr als den Mindestzeitraum größer als der Schwellenwert ist. Alternativ oder ergänzend kann der Lichtbogen erkannt werden, wenn das Detektionssignal für mehr als den weiteren Mindestzeitraum größer als der weitere Schwellenwert ist. Beim Zünden des Lichtbogens kann der Pegel des Detektionssignals für extrem kurze Zeit einen Spitzenwert aufweisen. Die Zeit während der Pegel weit über dem Schwellenwert ist kann kürzer sein, als der Mindestzeitraum. Der weitere Schwellenwert kann höher sein, als der Schwellenwert, während der weitere Mindestzeitraum deutlich kürzer als der Mindestzeitraum ist. Dadurch kann der Lichtbogen schon beim Zünden erkannt werden.
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Das Stromsignal kann ferner unter Verwendung einer Glättungsvorschrift verarbeitet werden, um das Detektionssignal zu erhalten. Durch ein Glätten kann die Erkennungsgenauigkeit erhöht werden.
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Das Stromsignal kann quadratisch gemittelt werden, um das Detektionssignal zu erhalten. Das quadratische Mittel kann über ein gleitendes Zeitintervall gebildet werden. Dadurch können Ausreißer im Detektionssignal vermieden werden.
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Das Stromsignal kann digital verarbeitet werden. Dadurch kann die Lichtbogenerkennung innerhalb eines Steuergeräts des Wechselrichters ohne weitere Hardware erfolgen. Die Parameter der digitalen Verarbeitung können einfach an Umgebungsbedingungen angepasst werden.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Erfassens des Stromsignals aufweisen. Dabei kann das Stromsignal in einem Wechselrichter der Fotovoltaikanlage mit einer Abtastfrequenz zwischen 2 kHz und 20 kHz aus dem Gleichstromteil abgetastet werden. Das Stromsignal kann mit geringem Aufwand und relativ geringer Abtastfrequenz erfasst werden. Dadurch wird wenig Datenverarbeitungskapazität benötigt, um Lichtbögen zu erkennen.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Gleichstromstrang einer Fotovoltaikanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Gleichstromstrang einer Fotovoltaikanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung einer Fotovoltaikanlage mit einer Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung eines Frequenzspektrums eines Stromsignals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Darstellung eines Frequenzspektrums eines Detektionssignals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Darstellung von durch einen Lichtbogen hervorgerufene Stromstärkeschwankungen über die Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 eine Darstellung einer Erkennung eines Lichtbogens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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8 einen Programmablaufplan eines Computerprogramms zum Erkennen eines Lichtbogens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum Erkennen eines Lichtbogens 102 in einem Gleichstromstrang 104 einer Fotovoltaikanlage 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine Verarbeitungseinrichtung 108 und eine Überwachungseinrichtung 110 auf. Die Verarbeitungseinrichtung 108 ist dazu ausgebildet, ein in dem Gleichstromstrang 104 erfasstes Stromsignal 112 zu verarbeiten. Durch das Verarbeiten in der Verarbeitungseinrichtung 108 wird ein Detektionssignal 114 bereitgestellt. Dabei wird das Stromsignal 112 zumindest unter Verwendung eines breitbandigen Bandpassfilters 116 verarbeitet, um das Detektionssignal 114 zu erhalten. Die Überwachungseinrichtung 110 ist dazu ausgebildet, das Detektionssignal 114 zu überwachen, um den Lichtbogen 102 zu erkennen. Dabei wird der Lichtbogen 102 erkannt, wenn ein Pegel des Detektionssignals 114 für mehr als einen Mindestzeitraum größer als ein Schwellenwert 118 ist. Wenn der Lichtbogen 102 erkannt wird, wird ein Lichtbogensignal 120 ausgegeben.
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In einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 zum Erkennen eine Anpassungseinrichtung 122 zum Anpassen des Schwellenwerts 118 auf. In der Anpassungseinrichtung 122 wird ein Pegel eines Grundrauschens des Detektionssignals 114 bestimmt. Basierend auf diesem Pegel wird der Schwellenwert 118 angepasst. Insbesondere wird der Schwellenwert in einem vorbestimmten Verhältnis zu dem Pegel des Grundrauschens eingestellt.
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In der Überwachungseinrichtung 110 kann auch mehr als ein Schwellenwert 118 zum Erkennen des Lichtbogens 102 verwendet werden. Zu jedem Schwellenwert 118 kann ein eigener Mindestzeitraum gehören. Dann kann beispielsweise der Lichtbogen 102 erkannt werden, wenn der Pegel des Detektionssignals 114 länger als ein erster Mindestzeitraum größer als ein erster Schwellenwert 118 ist, oder wenn der Pegel länger als ein zweiter Mindestzeitraum größer als ein zweiter Schwellenwert 118 ist.
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In der Verarbeitungseinrichtung 108 kann das Stromsignal 112 mit einer Glättungsvorschrift 124 geglättet werden, um das Detektionssignal 114 zu erhalten. Beispielsweise kann die Glättungsvorschrift 124 eine quadratische Mittelung über einen definierten Zeitintervall abbilden.
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Die Signalverarbeitung in der Verarbeitungseinrichtung 108 und der Überwachungseinrichtung 110 kann digital ausgeführt werden. Beispielsweise können das Verarbeiten und das Überwachen durch Ausführen eines Programmcodes auf einem Prozessor erfolgen.
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Die Fotovoltaikanlage 106 weist zumindest ein Fotovoltaikmodul 126 auf, das über eine Gleichstromleitung 128 beziehungsweise Gleichspannungsleitung 128 mit einer Gleichstromseite 130 eines Wechselrichters 132 verbunden ist. Zusammen bilden das zumindest eine Fotovoltaikmodul 126, die Gleichstromleitung 128 und die Gleichstromseite 132 den Gleichstromstrang 104 der Fotovoltaikanlage 106. Der Wechselrichter 132 weist ferner eine Wechselstromseite 134 auf, die Wechselstrom 136 zur weiteren Verwendung bereitstellt.
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Mit anderen Worten zeigt 1 eine Vorrichtung 100 zur Lichtbogenerkennung auf Basis niederfrequenter Störsignale im Strangstrom.
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Fotovoltaik-Anlagen 106 erzeugen Leistung in Form von elektrischem Gleichstrom, welcher im Wechselrichter 132 in Wechselstrom 136 gewandelt wird. Aufgrund der hohen Ströme von bis zu 10 A im Einzelstrang in Verbindung mit hohen Spannungen von 300 V bis zu 1000 V besteht auf der Gleichstromseite 104 ein latentes Brandrisiko für Störlichtbögen 102 mit hoher thermischer Energie, welche Auftreten, sobald eine serielle Verbindung unter Last unterbrochen wird. Es wird eine technische Lösung zur Detektion solcher Störlichtbögen 102 vorgestellt.
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Bei einer Detektion können durch den Wechselrichter 132 geeignete Löschmaßnahmen durchgeführt werden. Die Anlage kann beispielsweise vom Netz und dem Wechselrichter 132 getrennt werden.
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Die Detektion erfolgt durch Erkennung niederfrequenter, durch den Lichtbogen 102 verursachter Störungen unter Verwendung des im Wechselrichter 120 gemessenen Stromsignals 112 mit typischen Abtastraten im Bereich von zwei bis 20 kS/s.
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Dabei erfolgt in der Vorrichtung 100 eine digitale Filterung 116 des Stromsignals 112 im niederfrequenten Spektrum, eine Glättung 124 des gefilterten Signals und eine Detektion 110 auf eine Schwellwertüberschreitung und eine automatische Schwellwertanpassung 122, um den Algorithmus in Hinblick auf die Empfindlichkeit und die Detektion 110 zu optimieren. Überschreitet das Detektionssignal 114 dauerhaft für einen parametrierbaren Mindestzeitraum t_min einen parametrierbaren Schwellwert th 118, wird ein Lichtbogen 102 gemeldet.
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Die Detektion 110 verwendet in einem Ausführungsbeispiel die bestehende Hardware des Wechselrichters 132 und benötigt keine zusätzliche, hardwaretechnische Vorverarbeitung des Stromsignals 112. Die Detektion 110 läuft kontinuierlich ab und bewertet und analysiert in festgelegten Zeitschritten das Stromsignal 112, um zeitnahe nach der Entstehung eines Lichtbogens 102 diesen zu melden.
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Der hier vorgestellte Algorithmus kann auf jedes PV-System 106, mit jeder Größe angewendet werden. Eine Konfiguration auf eine Anlage ist nicht nötig, die spezifischen Parameter sind durch ein Optimierungsverfahren festgelegt oder werden in Abhängigkeit des Stromsignals 112 berechnet.
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Im Vergleich zu anderen Methoden wird dabei keine zusätzliche Hardware für eine Detektion benötigt. Auch eine aufwendige Berechnung aufgrund einer Transformation in den Frequenzraum entfällt durch den Einsatz digitaler Filter 116. Im Vergleich zu einem analogen Bandpass ist beim Einsatz digitaler Filter 116 der bewertete Frequenzbereich durch Anpassung der Filterparameter nachträglich veränderbar.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Erkennen eines Lichtbogens in einem Gleichstromstrang einer Fotovoltaikanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 kann beispielsweise auf einer Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 202 des Verarbeitens und einen Schritt 204 des Überwachens auf. Im Schritt 202 des Verarbeitens wird ein im Gleichstromstrang erfasstes Stromsignal verarbeitet, um ein Detektionssignal zu erhalten. Dabei wird das Stromsignal unter Verwendung eines breitbandigen Bandpassfilters verarbeitet, um das Detektionssignal zu erhalten. Im Schritt 204 des Überwachens wird das Detektionssignal überwacht, um einen Lichtbogen zu erkennen. Dabei wird ein Lichtbogen erkannt, wenn ein Pegel des Detektionssignals für mehr als einen Mindestzeitraum größer als ein Schwellenwert ist.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 200 einen Schritt 206 des Anpassens auf. Dabei wird der Schwellenwert unter Verwendung des Detektionssignals angepasst. Der Schwellenwert wird in einem vorbestimmten Verhältnis zu einem Grundrauschen des Detektionssignals angepasst.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 200 einen Schritt 208 des Erfassens auf. Dabei wird das Stromsignal in einem Wechselrichter der Fotovoltaikanlage mit einer Abtastfrequenz zwischen 2 kHz und 20 kHz aus dem Gleichstromteil abgetastet.
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3 zeigt eine Darstellung einer Fotovoltaikanlage 106 mit einer Vorrichtung 100 zum Erkennen eines Lichtbogens 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hier wird das Stromsignal 112 unter Verwendung eines induktiven Stromsensors 300 aus dem Gleichstromstrang 104 abgegriffen.
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Zum Erkennen von Lichtbögen kann auch eine Überwachung der Leistung hochfrequenter Oberwellen im Strom erfolgen, welche bei Auftreten eines Lichtbogens nahezu proportional zur Lichtbogenleistung ansteigen.
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Dazu kann beispielsweise ein Parallelschwingkreis betrieben werden. Über eine Ringkerndrossel wird dabei der AC-Anteil des Strangstroms ausgekoppelt, wobei die Drossel parallel zu einem Kondensator geschaltet ist und so einen Parallelschwingkreis bildet. Dieser Schwingkreis verhält sich wie ein Bandpass mit relativ schwach ansteigenden Flanken, wobei die Spannung im Resonanzkreis aufschwingt, sobald der Kreis mit einem Signal nahe der Resonanzfrequenz angeregt wird. Das breitbandige Störspektrum eines Lichtbogens reicht aus, um den Resonator aufschwingen zu lassen. Durch anschließende Gleichrichtung, Verstärkung und Glättung der Resonatorspannung wird ein analoges Gleichspannungssignal erzeugt, welches als Detektionssignal genutzt werden kann.
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Ebenso kann eine Spektralanalyse durchgeführt werden. Durch eine Ringkerndrossel wird dabei der Wechselstromanteil des Strangstroms ausgekoppelt, danach ggf. analog vorgefiltert und über einen schnellen A/D-Wandler digitalisiert (bis ca. 200 kS/s). Das digitale Signal wird anschließend über eine Transformation in den Frequenzraum (z. B. durch FFT) in ein Störleistungsspektrum umgerechnet (sehr rechenintensiv). Die Detektion eines Lichtbogens erfolgt dann durch Überwachung des Spektrums auf sprunghafte Erhöhung der Störleistung, wobei durch die Darstellung im Frequenzbereich leicht einzelne Frequenzbereiche mit potenziellen Störsignalen beispielsweise durch interne Taktfrequenzen ausgeblendet werden können.
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Bei dem Parallelschwingkreis ist der überwachte Frequenzbereich durch die Bauteilwerte festgelegt und damit nicht modifizierbar. Die Spektralanalyse ist durch die Transformation in den Frequenzraum sehr rechenaufwendig. Diese Schaltungen können über zusätzliche Hardware-Bausteine umgesetzt werden.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz zur Lichtbogendetektion kann auf die zusätzliche Hardware und die Transformation in den Frequenzraum verzichtet werden. Der Ansatz ermöglicht die Erkennung von Serienlichtbögen 102, Parallellichtbögen 102 und Erdschluss-Lichtbögen 102 durch algorithmische Auswertung des Messsignals vom wechselrichterinternen Stromsensor.
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4 zeigt eine Darstellung eines Frequenzspektrums eines Stromsignals 112 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Frequenzspektrum ist in einem Diagramm aufgetragen, welches auf der Abszisse eine logarithmische Frequenz f in Hertz und auf der Ordinate eine Leistungsdichte in Dezibel aufgetragen hat. Dabei sind eine erste Kurve 400 und eine zweite Kurve 402 dargestellt. Die erste Kurve 400 repräsentiert das Frequenzspektrum im Gleichstromstrang ohne Lichtbogen. Die zweite Kurve 402 repräsentiert das Frequenzspektrum im Gleichstromstrang mit einem aktiven Lichtbogen. Dabei besteht zwischen der ersten Kurve 400 und der zweiten Kurve 402 in weiten Bereichen ein Leistungsdichteunterschied von näherungsweise zehn Dezibel. Mit anderen Worten herrscht im Gleichstromstrang bei einem Lichtbogen eine etwa zehn Dezibel höhere Leistungsdichte, als ohne Lichtbogen.
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Mit anderen Worten zeigt 4 ein Leistungsdichtespektrum des Stroms, während eines aktiven Lichtbogens und ohne einen Lichtbogen. Durch die Entstehung eines Lichtbogens in Fotovoltaik-Anlagen erfolgt eine breitbandige Erhöhung des Rauschlevels im Strom. Der Signal-Störabstand zwischen Lichtbogenrauschen 402 und Grundrauschen 400 beträgt bis zu 10 dB, was eine Detektion ermöglicht. Aufgrund von Störfrequenzen, wie beispielsweise durch Schaltvorgänge im Wechselrichter oder durch die Netzfrequenz und jeweils deren harmonischen Schwingungen verringert sich der Signal-Störabstand und kann eine Detektion beeinflussen.
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5 zeigt eine Darstellung eines Frequenzspektrums eines Detektionssignals 114 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Frequenzspektrum des Detektionssignals 114 ist wie in 4 in einem Frequenz-Leistungsdichte Diagramm aufgetragen. Das Frequenzspektrum des Detektionssignals 114 ist ein Ausschnitt aus dem gesamten Frequenzspektrum des Stromsignals. Dabei repräsentiert der Ausschnitt ein Frequenzband zwischen einer oberen Grenzfrequenz 500 und einer unteren Grenzfrequenz 502. Die Grenzfrequenzen 500, 502 sind durch die Ausgestaltung des Bandpassfilters während des Verarbeitens des Stromsignals definiert. Die Grenzfrequenzen 500, 502 können einfach angepasst werden. Je größer das Frequenzband des Detektionssignals 114 ist, umso sicherer kann ein Lichtbogen erkannt werden.
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6 zeigt eine Darstellung von durch einen Lichtbogen hervorgerufene Stromstärkeschwankungen in einem Detektionssignal 114 über die Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Stromstärkeschwankungen sind in einem Diagramm dargestellt, das auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate eine Stromstärke I in Ampere aufgetragen hat. Die Stromstärke I ist zwischen minus 0,2 Ampere und 0,2 Ampere aufgetragen. Das Detektionssignal 114 weist durch die Filterung in dem Bandpassfilter keinen Gleichstromanteil mehr auf. Das Detektionssignal 114 weist ein Grundrauschen 600 mit geringer Amplitude auf, solange kein Lichtbogen gezündet hat. Das Grundrauschen 600 ist in dem Frequenzband des Detektionssignals 114 im Wesentlichen gleichmäßig.
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Wenn ein Lichtbogen gezündet hat, steigt die Amplitude eines Signalrauschens 602 des Detektionssignals 114 stark an und bleibt auf einem erhöhten Niveau beziehungsweise Pegel, solange der Lichtbogen brennt. Nach dem Verlöschen des Lichtbogens weist das Detektionssignal erneut das Grundrauschen 600 auf.
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Mit anderen Worten zeigen die Figuren einen mit einem Bandpassfilter mit der Bandbreite 2,5 bis 5 kHz gefilterten Strom. Durch die Implementierung eines digitalen Bandpassfilter wird sowohl der Gleichstromanteil entfernt als auch der Frequenzbereich begrenzt. Dabei ist mindestens eine Dämpfung von 70 bis 80 dB nötig, um den kompletten Gleichstromanteil entfernen zu können. Die Bandbreite sollte möglichst breitbandig sein, damit schmalbandige Störungen nicht zu Fehlerkennungen führen.
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7 zeigt eine Darstellung einer Erkennung eines Lichtbogens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Wesentlichen zeigt 7 eine Vergrößerung des Detektionssignals 114 aus 6 mit seinem Grundrauschen 600 und dem Signalrauschen 602. Hier ist auf der Ordinate die Stromstärke I von null Ampere bis 0,03 Ampere aufgetragen. Dadurch ist die Amplitude des Grundrauschens 600 und die Amplitude des Signalrauschens 602 deutlich vergrößert dargestellt. Zusätzlich sind hier ein erster Schwellenwert 700, ein zweiter Schwellenwert 702 und ein dritter Schwellenwert 704 dargestellt, die proportional im Verhältnis zu der Amplitude des Grundrauschens 600 stehen. Dabei werden die Schwellenwerte 700, 702, 704 dynamisch an die Amplitude beziehungsweise den Pegel des Grundrauschens 600 angepasst. Sobald der Pegel des Detektionssignals 114 am Beginn des Signalrauschens 602 den ersten Schwellenwert 700 übersteigt, bleiben die Schwellenwerte 700. 702, 704 konstant. Wenn der Pegel größer als der zweite Schwellenwert 702 ist, wird eine vorbestimmte erste Mindestdauer abgewartet, bis das Lichtbogensignal ausgegeben wird. Innerhalb der Mindestdauer muss der Pegel über dem jeweiligen Schwellenwert sein, um das Lichtbogensignal auszulösen. Da hier der Pegel nahezu simultan den dritten Schwellenwert 704 überspringt, wird nur eine viel geringere zweite Mindestdauer abgewartet, bis das Lichtbogensignal ausgegeben wird. Dadurch kann der Lichtbogen bereits mit der ersten Pegelspitze beim Zünden des Lichtbogens erkannt werden, auch wenn der Pegel danach kurzzeitig unter den zweiten Schwellenwert 702 und sogar unter den ersten Schwellenwert 700 fällt, bevor es den zweiten Schwellenwert 702 wieder dauerhaft überschreitet.
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Beim Erlöschen des Lichtbogens fällt der Pegel wieder bis auf das Grundrauschen 600.
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Mit anderen Worten zeigt 7 eine Signalaufbereitung des gefilterten Stroms. Zur Detektion sind adaptive Schwellwerte 700, 702, 704 zu erkennen, die je nach Betriebssituation aktiviert werden. Die Signalaufbereitung des gefilterten Stroms erfolgt durch Bildung des quadratischen Mittels über ein definiertes Zeitintervall. Das zu berechnende Fenster wird jeweils um 10% verschoben, sodass eine Gewichtung mit den vorangegangenen Daten erfolgt und damit ein Lichtbogen schneller detektiert werden kann.
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Die Detektion erfolgt, wenn das Detektionssignal einen definierbaren Schwellwert th für einen Mindestzeitraum t_min überschreitet. Da die Rauschleistung je nach Lichtbogen variiert und nicht alle Lichtbögen einen ausgeprägten Peak bei der Zündung aufweisen, wird an unterschiedlichen Schwellwerten 700, 702, 704 detektiert, die aufgrund des unterschiedlichen Grundrauschens 600 verschiedener Anlagen an das jeweilige System adaptiert werden. Die Adaption erfolgt über die Ermittlung des quadratischen Mittels des Grundrauschens. Die Schwellwerte 700, 702, 704 werden dann beispielsweise über einen festen Multiplikator aus dem Wert des Grundrauschens 600 gebildet, oder über eine kombinierte Abhängigkeit von Grundrauschen 600 und Streuung.
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Für die Detektion werden hier drei Schwellwerte 700, 702, 704 benötigt. Der dritte Schwellwert 704 für die Detektion von Peaks in dem Detektions-Signal 114. Der zweite Schwellwert 702 zur kontinuierlichen Erkennung, falls kein Peak der Ausbildung eines Lichtbogens vorhanden ist. Der erste Schwellwert 700 wird für eine fest definierte Zeit aktiviert, wenn ein Peak detektiert wurde, da die Rauschleistung nach der Zündung oft deutlich einbricht. Eine erfolgreiche Detektion ist in hier fett markiert.
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8 zeigt einen Programmablaufplan eines Computerprogramms zum Erkennen eines Lichtbogens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Computerprogramm bildet ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Erkennen eines Lichtbogens, wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist ab.
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Das Verfahren beginnt an einem Startpunkt 800. Anschließend wird in einem Berechnungsschritt 802 ein aktuelles quadratisches Mittel des Stromsignals berechnet. Dann wird in einem Abfrageschritt 804 abgefragt, ob die Zeit größer als next_treshold ist. Wenn die Zeit größer als next_treshold ist, werden in einem weiteren Berechnungsschritt 806 basierend auf dem quadratischen Mitteln neue Schwellenwerte berechnet. Dann wird in einem Überprüfungsschritt 808 unter Verwendung der aktuellen Schwellenwerte überprüft, ob das quadratische Mittel des aktuellen Zeitfensters größer als die Schwellenwerte ist.
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Wenn das quadratische Mittel kleiner als ein Normalschwellenwert ist, wird in einem Rücksetzschritt 810 ein Zähler zurückgesetzt und ein Endpunkt 812 des Verfahrens erreicht.
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Wenn das quadratische Mittel größer als der Normalschwellenwert aber kleiner als ein Spitzenschwellenwert ist, wird in einem Erhöhungsschritt 814 der Zähler erhöht und eine Zeit erfasst. Wenn dann die Zeit kleiner als eine Alarmzeit ist, wird der Endpunkt 812 erreicht. Sonst wird in einem Ausgabeschritt 816 ein Alarm ausgegeben und anschließend der Endpunkt 812 erreicht. Wenn das quadratische Mittel größer als der Spitzenschwellenwert ist, wird in dem Erhöhungsschritt 814 zusätzlich der Normalschwellenwert für eine Spitzenzeit auf einen Nachspitzenschwellenwert gesetzt.
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Mit anderen Worten zeigt 8 einen Programmablaufplan des Lichtbogendetektors, bestehend aus der Schwellwertanpassung, der Regel- und Peakdetektion.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
