DE102019129685A1

DE102019129685A1 - Verfahren zur Erfassung eines Lichtbogens und Lichtbogendetektionseinrichtung

Info

Publication number: DE102019129685A1
Application number: DE102019129685.4A
Authority: DE
Inventors: Bernd Willer
Original assignee: M System Elektronik GmbH
Current assignee: M System Elektronik GmbH
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2019-11-04
Publication date: 2020-05-20
Also published as: DE102019129687A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtbogendetektionseinrichtung mit einem induktiven Sensor (2) und einer Spitzenwertgleichrichterschaltung (3), die mit einer Verstärkerschaltung (4) und einer regelbaren Spannungsquelle (5) verbunden ist, wobei die Lichtbogendetektionseinrichtung einen Mikrocontroller (6) aufweist, der derart eingerichtet ist, dass von ihm basierend auf der von dem induktiven Sensor (2) in einem Kabel (1) erfassten Stromfluss das Auftreten eines Lichtbogens detektierbar ist. Die Lichtbogendetektionseinrichtung ist für das Erfassen sowohl des Auftretens eines Stör-Lichtbogens als auch des Ausfalls eines Nutz-Lichtbogens einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen eines Lichtbogens. Die Erfindung ist anwendbar zur Erfassung und Bewertung von Lichtbögen in Gleichspannungsnetzen, z. B. für Abschalteinrichtungen in Stromkreisen der E-Mobilität, von Flugzeug, Bahn und Schiff oder für eine Lichtbogen-Schweißvorrichtung.
Insbesondere in den USA ist die Erfassung von Störlichtbögen mit Schaltungen der Wechselrichter-Industrie zur Anwendung der Wechselrichter in Fotovoltaikanlagen bereits vorgeschrieben. Von verschiedenen Elektronikfirmen wurden auch in Europa Lichtbogenerfassungssysteme zur Nachrüstung in Fotovoltaikanlagen entwickelt und gebaut.
Es ist bekannt, mittels Fourieranalyse der in der Stromleitung auftretenden Spannungs- bzw. Stromstärkeschwankungen das Auftreten eines Störlichtbogens zu erkennen. In der EP 2 581 941 A2 ist beispielsweise ein Lichtbogendetektor vorgeschlagen, der hochfrequente Wechselspannungssignale erkennt.
Gemeinsamer Nachteil der o.a. Beispiele ist die geringe Zuverlässigkeit einer Stör-Lichtbogenerkennung. Auch Schalt-Lichtbögen aus Schaltern sowie andere HF-Einkopplungen (z. B. Störungen vom Wechselrichter) lösen diese Erkennungsschaltungen aus und setzen die Anlage ungewollt außer Betrieb. Auf Grund speziell benötigter Chipsätze (ICs), zum Beispiel bei Lichtbogenerkennung nach dem Fourier-Prinzip, ist die Software oft an die sich ändernden Anlagen-Bedingungen kostenintensiv anzupassen. Nachteilig ist weiterhin der große Platzbedarf. Eine Stör-Lichtbogenerkennung aus dem Stand der Technik hat oft das Problem, Fehlalarm auszulösen, z. B. verursacht durch Motor-Bürstenfeuer einer Bohrmaschine, und legt damit einen ganzen Sicherungskreis lahm. Außerdem sind die bekannten Schaltungen zumeist nur für einen bestimmten Zweck entworfen worden und nicht breitbandig einsetzbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erfassung eines Lichtbogens und eine Lichtbogendetektionseinrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer eine zuverlässige Erfassung des Auftretens eines Lichtbogens in einer zu überwachenden Anlage ermöglicht ist, wobei Störeinflüsse, die auf keinen Lichtbogen der zu überwachenden Anlage zurückzuführen sind, unberücksichtigt bleiben. Hierbei sollen sowohl Nutz-Lichtbögen überwacht als auch Stör-Lichtbögen erfasst werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erfassung eines Lichtbogens mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie eine Lichtbogendetektionseinrichtung mit den Merkmalen nach Patentanspruch 5 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erfassung eines Lichtbogens zur Verfügung gestellt, bei welchem anstelle einer Fourieranalyse, die eine aufwendige spezifische Anpassung der Parameter an jeden Anwendungsfall erfordert, folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

Induktives Erfassen des Stromflusses in einem elektrischen Leiter mittels eines von au-ßen an oder um den Leiter anbringbaren Sensors.

Formung des vom Sensor erzeugten Signals mittels einer analogen Schaltung nach dem Prinzip der Spitzenwert-Gleichrichtung, d. h., der in dem elektrischen Leiter fließende Gleichstrom wird mittels eines nahezu konstanten, unperiodisch pulsierenden Gleichstroms abgebildet. Dieser unperiodisch pulsierende Gleichstrom wird im Folgenden als „Messstrom“ bezeichnet. Änderungen des Stromflusses in dem elektrischen Leiter beeinflussen hauptsächlich die Amplitude des Messstroms. Zur Erhöhung der Sicherheit ist der Sensor galvanisch getrennt von der analogen Schaltung.
Verstärkung des Messstroms und addieren einer vorzugebenden Offsetspannung. Diese Offsetspannung wird derart gewählt, dass die im Normalfall, d. h. ohne Störungen durch z. B. einen Lichtbogen, resultierende Summenspannung einem vorgegebenen Schwellenwert, vorzugsweise 1.86 V, entspricht.
Sobald die Summenspannung den vorgegebenen Schwellenwert um einen vorgegeben Betrag über- oder untersteigt, startet eine Zeitmessung. Überschreitet die Zeitmessung eine vorgegebene Zeitdauer, z. B. 0.6 s, wird ein Alarmsignal ausgegeben.
Kehrt die Summenspannung nach Start der Zeitmessung und vor Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer wieder in einen durch den vorgegebenen Schwellenwert begrenzten Soll-Spannungsbereich zurück, so wird die Zeitmessung gestoppt und zurückgesetzt.
Durch dieses Verfahren werden somit nur dann Änderungen des Stromflusses in dem zu überwachenden elektrischen Leiter als Störung identifiziert, wenn eine andauernde Abweichung der Amplitude der Summenspannung von einem durch einen vorzugebenden Schwellenwert festgelegten Soll-Spannungsbereich für eine vorgegebene Zeitdauer auftritt.
Eine Anpassung an unterschiedliche äußere Bedingungen, wie Bürstenfeuer von Synchronmotoren, kann durch Änderung, d. h. Absenken oder Anheben des Schwellenwertes für die Summenspannung, beispielsweise auf 1.90 V, erfolgen. Somit entfällt die bei Fourierverfahren erforderliche, aufwendige Parameteranpassung.
Das hierin vorgeschlagene Verfahren zur Erfassung eines Lichtbogens kann sowohl zur Detektion eines unerwünschten Lichtbogens, als auch zur Detektion des Ausfalls eines absichtlich herbeigeführten Lichtbogens, d. h. Nutzlichtbogens - beispielsweise beim Lichtbogenschweißen - eingesetzt werden.
Gemäß der Erfindung wird eine Lichtbogendetektionseinrichtung bereitgestellt, die das o. g. Verfahren implementiert.
Die aus weitestgehend analogen Schaltkreisen aufgebaute Lichtbogendetektionseinrichtung umfasst einen induktiv arbeitenden Sensor zur Erfassung eines von einem Stromfluss in einem elektrischen Leiter, z. B. einem Kabel, erzeugten elektromagnetischen Feldes, eine mit dem Sensor verbundene analoge Signalformungsschaltung, einen mit der Signalformungsschaltung verbundenen Verstärker, eine dem Verstärker nachgeschaltete Offseteinrichtung zur Generierung der Summenspannung sowie einen mit der Offseteinrichtung verbundenen Mikrocontroller.
Der Mikrocontroller ist eingerichtet, die Summenspannung mit einem am Mikrocontroller durch einen Soll-Spannungsbereich-Geber vorzugebendem (bzw. einstellbaren) Schwellenwert zu vergleichen, eine Zeitmessung zu starten, sobald die Summenspannung den Schwellenwert überschreitet (bei Funktion zur Erkennung eines Störlichtbogens) und/oder unterschreitet (bei Funktion zur Überwachung eines Nutzlichtbogens) und ein Alarmsignal zu generieren, wenn die Summenspannung von dem durch den Schwellenwert begrenzten Soll-Spannungsbereich kontinuierlich für eine in dem Mikrocontroller hinterlegte Zeitdauer abweicht.
Der Mikrocontroller steuert einen Feld-Effekt-Transistor (FET), der im Normalfall durchgesteuert ist (d. h. dessen Drain mit dem Minuspol einer Spannungsversorgung für die Lichtbogendetektionseinrichtung verbunden ist). Im Alarmfall wird der Ausgang des Mikrocontrollers hochohmig geschaltet. Weiterhin weist der Mikrocontroller einen Anschluss für einen Testtaster zum Testen der ordnungsgemäßen Funktion der Lichtbogendetektionseinrichtung sowie einen Anschluss für eine Resettaste zum Zurücksetzen des Alarmzustandes auf.
Die Lichtbogendetektionseinrichtung überwacht sich selbst alle 24h. Hierzu umfasst sie einen Zeitgeber und einen mit diesem verbundenen Testsignalgenerator. Die Funktionalität ist nach der Norm E DIN EN 63027 (Gleichstrom-Lichtbogenerfassung und -unterbrechung in fotovoltaischen Energiesystemen) als AFD (Arc Fault Detector) ausgelegt.
Der Vorteil der Lichtbogendetektionseinrichtung ist, dass sie mit kostengünstigen, handelsüblichen Bauteilen aufzubauen ist. Außerdem ist sie sehr universell einsetzbar als Nachrüstlösung - aber auch als Erstausrüstung - für verschiedene Anwendungen in der Industrie. Sie arbeitet sehr zuverlässig in der Erkennung von Gleichstrom-Lichtbögen. Die Spannungsversorgung der Schaltung ist mit 12-48 VDC und einem Stromverbrauch von nur wenigen Milliampere ausgelegt.
Als Sensor für die Messungen an Gleichstrom-Kreisen kann ein Hallsensor vorgesehen sein. Das zu überwachende Kabel braucht nicht mehr aufgetrennt zu werden, sondern der Sensor wird lediglich auf das Kabel montiert.
Alternativ kann eine Ringkernspule als Sensor eingesetzt sein. Vorteilhaft ist die Verwendung von Ringkernspulen mit unterschiedlichen lichten Innendurchmessern. Damit können sowohl Kabel mit unterschiedlichem Außendurchmesser überwacht werden, als auch mehrere Kabel kostensparend durch die gleiche Ringkernspule gezogen werden.
Die analoge Signalformungsschaltung kann an ihrem mit dem Sensor verbundenen Eingang einen elektrischen Parallel-Schwingkreis aufweisen, der eine Spule und einen Kondensator umfasst. Die Spule und der Kondensator sind in vorteilhafter Weise in ihren Werten der Induktivität bzw. Kapazität (gemäß der Thomsonschen Schwingungsgleichung) derart ausgelegt, dass der Parallel-Schwingkreis eine Resonanzfrequenz von weniger als 10 kHz, bevorzugt im Bereich zwischen 7 und 8 kHz, aufweist. Durch die Begrenzung der Signalerfassung auf Frequenzen unterhalb von 10 kHz werden hochfrequente Störsignale ausgeblendet.
Der Soll-Spannungsbereich-Geber kann in Form eines mit einer Stromversorgung der Lichtbogendetektionseinrichtung verbundenen Potentiometers ausgebildet sein. Alternativ kann der Soll-Spannungsbereich-Geber ein integraler Bestandteil des Mikrocontrollers sein, z. B. realisiert durch eine softwaremäßige Kalibrierung.
Die Lichtbogendetektionseinrichtung kann vorteilhaft zur Überwachung von Fotovoltaikmodule umfassenden Solarvorrichtungen hinsichtlich des Auftretens von unerwünschten Lichtbögen verwendet werden. Desgleichen können Gleichspannungs-Systeme, wie z. B. in der Elektromobilität verwendet, hinsichtlich eines Störfalles überwacht werden.
Weiterhin ist Lichtbogendetektionseinrichtung geeignet, durch Invertierung des Alarmsignals Nutz-Lichtbögen, die z. B. an Schweißrobotern oder Zündeinrichtungen auftreten, nach Energieinhalt und Zeit zu überwachen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die

1: das Verfahren als Blockdiagramm,
2: den prinzipiellen Aufbau der Lichtbogendetektionseinrichtung,
3: eine erste Ausgestaltung der Lichtbogendetektionseinrichtung in Draufsicht, und
4: eine zweite Ausgestaltung der Lichtbogendetektionseinrichtung in Schrägdraufsicht.

Gemäß des in 1 dargestellten Verfahrensprinzips wird das von einem elektrischen Leiter erzeugte Feld als elektrisches Signal erfasst, das anschließend geformt, verstärkt und mit einem Offset versehen wird. Nun erfolgt ein Vergleich mit einem vorgegebenen Soll-Spannungsbereich. Erst wenn das Signal für eine vorgegeben Zeitdauer außerhalb des Soll-Spannungsbereichs liegt, wird Alarm gegeben.
Die Lichtbogendetektionseinrichtung gemäß 2 umfasst den an dem Kabel 1 angeordneten Sensor 2, der mit der Spitzenwertgleichrichterschaltung 3 verbunden ist, deren Ausgangs-Signal von der Verstärkerschaltung 4 verstärkt wird. Dem verstärkten Signal wird von der regelbaren Spannungsquelle ein Gleichspannungsoffset aufaddiert. Dieses Summensignal wird dem Mikrocontroller 6 zugeführt, dessen im Normalfall auf GND liegende Alarmsignal-Ausgangsleitung 7 im Alarmfall hochohmig geschaltet wird.
In 3 ist eine schematische Draufsicht einer an dem Gleichstromkabel 1 befestigten Lichtbogendetektionseinrichtung mit Hallsensor, der sich in dem wasserdichten Gehäuse 9 befindet, dargestellt.
4 zeigt eine Lichtbogendetektionseinrichtung mit der Ringkernspule 8 als Sensor. Das Gehäuse 9, in welchem die Schaltkreise untergebracht sind, ist über die Signalleitung 10 mit der Ringkernspule 8 verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Kabel
2: Sensor
3: Spitzenwertgleichrichterschaltung
4: Verstärkerschaltung
5: regelbare Spannungsquelle
6: Mikrocontroller
7: Alarmsignal-Ausgangsleitung
8: Ringspule
9: Gehäuse
10: Signalleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2581941 A2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm E DIN EN 63027 [0019]

Claims

Verfahren zur Erfassung eines Lichtbogens in einem elektrischen Stromkreis, dadurch gekennzeichnet, dass - mittels eines an einem Kabel (1) des elektrischen Stromkreises angeordnetem induktiven Sensors (2) ein elektrisches Signal generiert wird, das proportional zu Änderungen des Stromflusses in dem Kabel (1) ist, - das generierte elektrische Signal nach dem Verfahren der Spitzenwertgleichrichtung zu einem Gleichstromsignal geglättet wird, - ein Vergleichssignal durch Addition des verstärkten Gleichstromsignals mit einer vorgebbaren Offsetspannung gebildet wird, - bei Abweichen des Vergleichssignals von einem vorgegebenem Soll-Spannungsbereich eine Zeitmessung der Dauer des Abweichens des Vergleichssignals von dem vorgegebenem Soll-Spannungsbereich gestartet wird, wobei - bei Überschreiten eines vorgegebenen Zeitschwellwertes der Dauer des Abweichens des Vergleichssignals von dem vorgegebenem Soll-Spannungsbereich ein Alarmsignal generiert wird, und - die Zeitmessung gestoppt und die Dauer des Abweichens auf null gesetzt wird, wenn vor Erreichen des vorgegebenen Zeitschwellwertes das Vergleichssignal in den vorgegebenen Soll-Spannungsbereich zurückkehrt.
Verfahren zur Erfassung eines Lichtbogens in einem elektrischen Stromkreis, wobei der Lichtbogen absichtlich herbeigeführt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass - mittels eines an einem Kabel (1) des elektrischen Stromkreises angeordnetem induktiven Sensors (2) ein elektrisches Signal generiert wird, das proportional zu Änderungen des Stromflusses in dem Kabel (1) ist, - das generierte elektrische Signal nach dem Verfahren der Spitzenwertgleichrichtung zu einem Gleichstromsignal geglättet wird, - ein Vergleichssignal durch Addition des Gleichstromsignals mit einer vorgebbaren Offsetspannung gebildet wird, - bei Eintreten des Vergleichssignals in einen vorgegebenem Soll-Spannungsbereich eine Zeitmessung der Dauer des Verbleibens des Vergleichssignals in dem vorgegebenem Soll-Spannungsbereich gestartet wird, wobei - bei Überschreiten eines vorgegebenen Zeitschwellwertes der Dauer des Verbleibens des Vergleichssignals in dem vorgegebenem Soll-Spannungsbereich ein Alarmsignal generiert wird, und - die Zeitmessung gestoppt und die Dauer des Verbleibens auf null gesetzt wird, wenn vor Erreichen des vorgegebenen Zeitschwellwertes das Vergleichssignal in den vorgegebenen Soll-Spannungsbereich verlässt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Änderungen des Stromflusses in dem Kabel (1) mittels einer um das Kabel (1) angeordneten Ringspule (8) erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Änderungen des Stromflusses in dem Kabel (1) mittels eines an dem Kabel (1) angeordneten Hallsensors erfasst werden.
Lichtbogendetektionseinrichtung, aufweisend - einen induktiven Sensor (2) zur Erfassung von Änderungen eines durch einen Stromfluss in einem Kabel (1) hervorgerufenen magnetischen Feldes, - eine mit dem Sensor (2) verbundene Spitzenwertgleichrichterschaltung (3), - eine mit der Spitzenwertgleichrichterschaltung (3) verbundene Verstärkerschaltung (4), - eine mit einer von einem Ausgang der Verstärkerschaltung (4) abgehenden Signalleitung verbundene regelbare Spannungsquelle (5), mittels welcher zur Erzeugung einer Vergleichsspannung eine zusätzliche Offsetspannung auf die Signalleitung aufschlagbar ist, - einen Soll-Spannungsbereich-Geber, und - einen mit der Signalleitung und dem Soll-Spannungsbereich-Geber verbundenen Mikrocontroller (6), welcher einen Zeitgeber und/oder einen Zeitmesser umfasst, wobei der Mikrocontroller (6) eingerichtet ist, bei Abweichen der Vergleichsspannung von einem von dem Soll-Spannungsbereich-Geber vorgegebenem Soll-Spannungsbereich eine Zeitmessung der Dauer des Abweichens der Vergleichsspannung von dem vorgegebenem Soll-Spannungsbereich gestartet wird, wobei - in einer ersten Konfiguration zur Detektion eines Auftretens eines Lichtbogens bei Überschreiten eines vorgegebenen Zeitschwellwertes der Dauer des Abweichens der Vergleichsspannung von dem vorgegebenem Soll-Spannungsbereich auf einer Alarmsignal-Ausgangsleitung (7) der Lichtbogendetektionseinrichtung ein Alarmsignal generiert wird, und die Zeitmessung gestoppt und die Dauer des Abweichens auf null gesetzt wird, wenn vor Erreichen des vorgegebenen Zeitschwellwertes die Vergleichsspannung in den vorgegebenen Soll-Spannungsbereich zurückkehrt, und - in einer zweiten Konfiguration zur Detektion des Ausfalls eines absichtlich herbeigeführten Lichtbogens bei Überschreiten eines vorgegebenen Zeitschwellwertes der Dauer des Verbleibens der Vergleichsspannung in dem vorgegebenem Soll-Spannungsbereich auf einer Alarmsignal-Ausgangsleitung (7) der Lichtbogendetektionseinrichtung ein Alarmsignal generiert wird, und die Zeitmessung gestoppt und die Dauer des Abweichens auf null gesetzt wird, wenn vor Erreichen des vorgegebenen Zeitschwellwertes die Vergleichsspannung den vorgegebenen Soll-Spannungsbereich verlässt.
Lichtbogendetektionseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor (2) eine Ringspule (8) ist.
Lichtbogendetektionseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor (2) ein Hallsensor ist.
Lichtbogendetektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Spannungsbereich-Geber ein mit einer Stromversorgung der Lichtbogendetektionseinrichtung verbundenes Potentiometer oder ein integraler Bestandteil des Mikrocontrollers (6) ist.
Lichtbogendetektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzenwertgleichrichterschaltung (3) an ihrem mit dem induktiven Sensor (2) verbundenen Signaleingang einen Parallel-Schwingkreis mit einer Spule und einem Kondensator umfasst, wobei die Resonanzfrequenz des Parallel-Schwingkreises kleiner 10 kHz ist.
Lichtbogendetektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei mit dem Mikrocontroller (6) verbundene Signalanzeigen umfasst, mittels derer anzeigbar ist, ob ein Alarmsignal generiert wurde.