DE112005001480T5

DE112005001480T5 - Gerätefehlermonitor

Info

Publication number: DE112005001480T5
Application number: DE112005001480T
Authority: DE
Inventors: Richard George Arthur Butler
Original assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Current assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2007-08-16
Also published as: NZ533978A; AU2005260241A1; US20080036467A1; WO2006004447A3; WO2006004447A2

Abstract

Ein Fehlermonitor für ein Wechselstromgerät zum Feststellen von Fehlern in Geräten mit einer Last, die von einem phasenwinkel-gesteuerten Schalter kontrolliert wird, mit:
einem Stromsensor zum Messen des Stromflusses zu der Last;
einem Controller, der den gemessenen Strom von dem Stromsensor empfängt;
einem Schaltungsunterbrecher, der von dem Controller aktiviert wird, um den Eingangsstrom von dem Gerät bei der Erkennung eines Fehlers durch den Controller zu unterbrechen;
wobei der Controller programmiert ist, um:
den Eingangsstrom in Intervallen während der Halbzyklen des Wechselstroms abzutasten;
den Winkel in einem Halbzyklus des Schalters, zu dem dieser nicht leitend sein sollte, zu bestimmen;
und einen Fehlerstatus zu melden, wenn der abgetastete Strom bei dem Halbzykluswinkel für eine vorgegebene Anzahl von Halbzyklen nicht auf Null ist, und den Schaltungsunterbrecher in Antwort darauf zu unterbrechen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Gerätefehlermonitor zum Schützen elektrischer Geräte gegen Fehlerströme durch Beobachten der Wechselströme hin zu oder in das Gerät. Insbesondere ermöglicht die Erfindung das Beobachten von Fehlern in Geräten unter Verwendung einer Phasenwinkelüberwachung.
STAND DER TECHNIK
Gerätefehler (kurzgeschlossene Geräte, Stromleckwege usw.) oder deren Entstehung werden sich in Änderungen gegenüber dem erwarteten Wechselspannungseingangsstrom zeigen. Es wäre erwünscht, diesen Strom zu beobachten und die Geräte bei der Erkennung eines unerwarteten Stromflusses still zu setzen. Bei modernen Gerätesteuerungen von Pumpen, Heizgeräten, Motoren und dgl. erfolgt eine Phasenwinkelsteuerung der Geräte, was die Fehlerbeobachtung des oben beschriebenen Typs wegen der Wirkung auf die Wellenform des Wechselspannungseingangsstroms kompliziert macht.

Die US 6,081,123 offenbart das Abfragen des Wechselstroms und der Wechselspannung, die auf eine Last aufgegeben werden, um die Natur der Last und damit Fehlerzustände zu bestimmen, die beschriebene Technik kann jedoch Fehler bei Geräten, die eine Phasenwinkelsteuerung verwenden, nicht zufriedenstellend feststellen.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gerätefehlermonitor zu schaffen, der dazu in der Lage ist, Fehler bei Geräten der beschriebenen Art festzustellen.

Entsprechend besteht die Erfindung in einem Fehlermonitor für ein Wechselstromgerät zum Beobachten von Fehlern in Geräten mit einer Last, die von einer phasenwinkelgesteuerten Schalteinrichtung gesteuert wird, mit:
einem Stromsensor zum Messen des Stromflusses zu der Last;
einen Controller, der den gemessenen Strom als Eingang von dem Stromsensor empfängt;
und einem Unterbrecher, der von dem Controller zum Trennen des Eingangsstroms von dem Gerät bei Meldung eines Fehlers durch den Controller aktiviert wird;
wobei der Controller programmiert ist, um
den Eingangsstrom in Intervallen während der Halbzyklen des Wechselstroms abzutasten,
den Winkel in einem Halbzyklus des Schalters, in dem das Schaltgerät nicht leitet, zu bestimmen;
einen Fehlerzustand zu erkennen, wenn der abgetastete Strom für eine vorgegebene Anzahl von Halbzyklen bei dem Winkel in dem Halbzyklus nicht Null beträgt und in Antwort darauf den Unterbrecher aktiviert.

KURZE ERLÄTERUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
1 eine Stromwelle für ein phasenwinkelgesteuertes Gerät,
2 die Wellenform von 1, wenn bekannte zusätzliche Stromlasten vorhanden sind,
3 ein Blockdiagramm der Schaltung für ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
4 ein Blockdiagramm der Schaltung für ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Die Erfindung erkennt einen elektrischen Fehler in elektrischen Wechselstromgeräten unter Verwendung einer Phasenwinkelsteuerung eines Leistungshalbschalters wie eines IGBT, SCR und Triacs. Dies erfolgt durch Beobachten des jeweiligen Netzeingangsstroms. Der Fall, in dem der Strom während eines Halbzyklus von einem Controller eingeschaltet wird und bei dem Nulldurchgang ausgeschaltet wird, ist in 1 gezeigt. Wenn ein Fehler in dem Gerät auftritt oder ein Leckstromweg zur Erde gebildet wird, wird sich die Netzstromwellenform von derjenigen, die in 1 gezeigt ist, abweichen. Zu diesem Zweck dieser Offenbarung wird angenommen, dass die Phasenwinkelsteuerung ein IGBT ist.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein diskreter Fehlermonitor geschaffen, der in der Wechselspannungs-Zuleitung des Gerätes arbeitet. In vielen Geräten wird nicht der gesamte Wechselstrom unter der Steuerung eines Leistungsschalters, der eine Phasenwinkelsteuerung durchführt, stehen. Beispielsweise wird bei einem Geschirrspüler der Wasserheizer normalerweise durch einen einfachen Ein/Aus-Schalter gesteuert. Die Fehlerbeobachtung des Wechselstromeingangs bei einem derartigen Gerät muss daher eine Last dieser Art berücksichtigen.
Lediglich beispielhaft sei erwähnt, dass in dem Fall von Geschirrspülerfunktionen, wie sie in der US 6,469,920 beschrieben worden sind, wo ein IGBT verwendet wird, um die Pumpen zu steuern, weiter wird ein Zweiwannengeschirrspüler, wie er in der US 5,470,142 beschrieben wird, im Normalbetrieb Ströme sehen aufgrund des Einschaltens einer oder beider Wasserheizgeräte oder einer oder beider Pumpen. 2 zeigt die Netzströme, wenn der Geschirrspüler oder eine Waschwanne in einem Zweiwannengerät im Waschzyklus ist und erhitzt wird, d. h. ein Heizer an und eine Pumpe eingeschaltet sind.
Die Netzströme sind während eines Halbzyklus des Netzes sinusförmig, bis der IGBT einschaltet. Die Größe des Sinusstroms ist äquivalent dem Einschalten eines Heizgerätes. Hier werden Fehler erkannt, wenn die Wellenform sich von der gezeigten abweicht – in ihrer Größe über bestimmte Abschnitte des Halbzyklus.
Der Fehlermonitor nach der vorliegenden Erfindung beobachtet die Netzströme und misst
Änderungen aufgrund eines IGBT-Fehlers (Kurzschluss) oder
fehlerhafte Werte des sinusförmigen Netzstromes aufgrund einer Leckerdung aus irgendeinem Grunde
und schaltet die Leistung zu dem Gerät ab, wenn Fehler erkannt werden.
Es wird jetzt auf 3 Bezug genommen. Der Fehlermonitor hat Netzeingangsanschlüsse 11 und Ausgangsanschlüsse 12, mit denen ein Gerät verbunden ist. Der Monitor hat einen Controller 13, der von einem programmierten Mikroprozessor gebildet wird. Ein Messwiderstand 14 und ein Strommesskreis 15 versorgen den Controller 13 mit einem Wert des jeweiligen Geräteeingangsstroms.
Eine Spannungsmessschaltung 16 versorgt den Controller 13 mit einem Wert, der die jeweilige Netzspannung angibt. Ein Detektorkreis 17, der den Nulldurchgang des Netzes erkennt, versorgt den Controller 13 mit einer Zeitinformation. Diese Schaltungen werden alle von der Spannungsversorgung 18 mit einer Gleichspannung versorgt. Ein Reihenrelais (oder Unterbrecher), der normalerweise geschlossen ist, wird von dem Controller 13 aktiviert, um das Gerät vom Netz zu trennen, wenn ein Fehler von dem gespeicherten Programm erkannt wird, das den jetzt beschriebenen Algorithmus ausführt.
Bei einem bevorzugten Beispiel der bevorzugten Ausführungsform werden Strom und Spannung durch Abtasten in 200 μs Intervallen während jeden positiven Netzhalbzyklus gemessen. Ein Halbzyklus kann ignoriert werden, wenn der Spitzenstrom unterhalb eines gemessenen Schwellenwerts ist, der als kein Risiko darstellend betrachtet wird.
Ein arbeitender IGBT wird durch Erkennen der „Ein" Flanke, die durch einen abrupten Anstieg, der in dem Strom gemessen wird, erkannt, wenn der IGBT während jedes Netzhalbzyklus schaltet. Die Größe des sinusförmigen Stroms wird durch Berechnen eines Widerstand aus der Größe der Netzspannung und der Stromabtastungen abgeschätzt unmittelbar vor Erkennung einer IGBT „Ein" Flanke. Wenn der Strom unterhalb des gemessenen Schwerwerts ist, soll der Widerstand auf einen beliebigen großen Wert gesetzt werden.
Ein Fehler wird gemeldet, wenn für eine vorgegebene Anzahl von aufeinanderfolgenden Halbzyklen
die IGBT „Ein" Flanke nicht erkannt wird und ein gültiger Widerstand nicht über mehr als zwei Netzhalbzykluszeiten vorhanden ist, oder
der Widerstand unterhalb eines willkürlichen großen Werts ist und außerhalb der Toleranzbereiche entsprechend einer oder beider Elemente, die eingeschaltet sind.
Die Anzahl von Halbzyklen kann erhöht werden, wenn der Widerstand geringer ist als das Äquivalent von zwei Elementen oder größer als der Wert von zwei Motorstarts, um die Antwort in diesen Fällen schneller zu machen.
Wenn die Größe des Stroms unmittelbar vor der IGBT „Ein" Flanke unterhalb des Messschwellenwerts und die IGBT „Ein" Flanke in dem letzten Viertel eines Netzhalbzyklus auftritt, soll der Widerstand berechnet werden, wenn die gemessene Spannung das Maximum während des Halbzyklus ist.
Das Gerät kann entweder auf 120 V 60 Hz oder 230 V 50 Hz arbeiten abhängig von dem Markt. Dies bedeutet, dass es zwei mögliche Elementausbildungen geben wird. Die Netzfrequenz soll von dem Controller gemessen werden und verwendet werden zum Wählen des geeigneten Bereichs des wirksamen Widerstands.
Wenn ein Fehler erkannt wird, wird das Relais ausgeschaltet, wodurch die Spannung von dem Gerät entfernt wird. Nach dem Abwarten der Entladung wird das Relais wieder eingeschaltet werden, bis ein weiterer Fehler gemeldet wird. Nachdem das Relais fünfmal ausgeschaltet wird, wird es ausgeschaltet bleiben, bis die Spannung wieder an das Gerät angelegt wird, wodurch die Software erneut initialisiert wird.
Die Anzahl der erforderlichen aufeinanderfolgenden Fehler zum erneuten Öffnen des Relais soll auf 100 bis 511 Netzzyklen nach einem Versuch begrenzt werden. Dies erfolgt, um eine schnellere Antwort zu dem Zeitpunkt, wenn der Controller initialisiert wird und kein Strom vor dem IGBT Schalter vorhanden sein sollte, ermöglicht wird.
Wenn kein Fehler über eine Periode von 48 Stunden erkannt wird, wird die Zahl auf Null gesetzt.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Fehlermonitor in dem Gerät integriert. Das heißt, es ist keine gesonderte Vorrichtung, die einfach in Reihe mit dem mit Wechselspannung versorgten Gerät geschaltet ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel muss die „Ein" Übergangszeit des phasewinkelgesteuerten Gerätes nicht gemeldet werden. Der Ausgang des Gerätecontrollers, der diesen Übergang erkennt, also das IGBT Gatetriggersignal, wird direkt von dem Controller verwendet.
Weiter können Eingangsströme zu Lasten, die nicht unter der Phasenwinkelsteuerung sind, vor dem Fehlermesspunkt aufgespalten werden. Dies bedeutet, dass es nicht erforderlich ist, den Widerstand zu berechnen und zu beobachten, und es daher nicht erforderlich ist, die Eingangsspannung für diesen Zweck zu messen.
Schließlich können die Monitorfunktionen durch den Netzgerätecontroller ausgeführt werden, wodurch die Kosten eines zweiten Mikroprozessors vermieden werden.
4 zeigt den Fehlermonitor, der in ein Gerät integriert ist, das die oben erwähnten Ersparnisse und Vereinfachungen aufweist. Netzströme für nicht von dem IGBT kontrollierte Lasten 22 werden vor dem Fehlermonitorkreis aufgespalten.
Ein Stromsensor 15 wird von dem Gerätemikrocontroller 21 regelmäßig abgetastet. Die Erkennung des Nicht-Nullstroms unmittelbar vor dem IGBT-Trägerimpuls (auf dem Controllerausgang 23) wenn der ITBT ausgeschaltet sein sollte, gibt einen Fehler an.
Wiederholtes Auftreten führt, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, zu der Angabe eines Fehlers und das Relais 19 wird geöffnet, um ein Fließen des Fehlerstroms zu vermeiden.
In anderen Bezügen wirkt das zweite Ausführungsbeispiel wie das erste.
Zusammenfassung
Ein Fehlermonitor zum Schützen elektrischer Geräte vor Fehlerströmen. Der Wechselstrom zu der Last wird von einem phasenwinkel-gesteuerten Schalter kontrolliert. Der gewünschte Nicht-Leitungs-Winkel wird bestimmt und ein Stromfluss, der bei diesem Winkel fließt, gibt einen Fehler an. Eine wiederholte Angabe bewirkt eine Unterbrechung der Last.

Claims

Ein Fehlermonitor für ein Wechselstromgerät zum Feststellen von Fehlern in Geräten mit einer Last, die von einem phasenwinkel-gesteuerten Schalter kontrolliert wird, mit: einem Stromsensor zum Messen des Stromflusses zu der Last; einem Controller, der den gemessenen Strom von dem Stromsensor empfängt; einem Schaltungsunterbrecher, der von dem Controller aktiviert wird, um den Eingangsstrom von dem Gerät bei der Erkennung eines Fehlers durch den Controller zu unterbrechen; wobei der Controller programmiert ist, um: den Eingangsstrom in Intervallen während der Halbzyklen des Wechselstroms abzutasten; den Winkel in einem Halbzyklus des Schalters, zu dem dieser nicht leitend sein sollte, zu bestimmen; und einen Fehlerstatus zu melden, wenn der abgetastete Strom bei dem Halbzykluswinkel für eine vorgegebene Anzahl von Halbzyklen nicht auf Null ist, und den Schaltungsunterbrecher in Antwort darauf zu unterbrechen.
Ein Fehlermonitor für ein Wechselstromgerät nach Anspruch 1, weiter mit Mitteln zum Bestimmen der Nulldurchgänge des Wechselstroms, Mitteln zum Erzeugen eines Triggerimpulses zum Verursachen einer Leitung des Schaltgerätes, wobei der Controller programmiert ist zum Bestimmen des Winkels der Nicht-Leitung als dem Winkel zwischen den Nulldurchgang und dem Zeitpunkt des Triggerimpulses, der das Leiten des Schaltgerätes bewirkt.
Ein Fehlermonitor für ein Wechselstromgerät nach Anspruch 1, weiter mit einem Spannungssensor, der die Geräteeingangsspannung misst und die einen weiteren Controllereingang versorgt, und der Controller weiter programmiert ist um: die Eingangsspannung gleichzeitig mit dem Abtasten des Stroms abzutasten, wiederholt einen Widerstand aus den Spannungs- und Stromabtastungen über eine vorgegebene Periode jedes Halbzyklus zu berechnen, und zum Bestimmen eines Fehlerzustands, wenn der berechnete Widerstand für eine vorgegebene Anzahl von Halbzyklen unter einem vorgegebenen Wert bleibt.
Ein Fehlermonitor für ein Wechselstromgerät nach Anspruch 3, wobei der Controller programmiert ist zum Erkennen eines Fehlers aus aufeinanderfolgenden Abtastungen des Eingangsstroms, zu denen eine plötzliche Zunahme des Stroms vorliegt, und zum Aktivieren des Schaltungsunterbrechers, wenn dieser plötzliche Anstieg nicht erkannt wird und der Widerstand unterhalb des vorgegebenen Werts mehr als die Hälfte eines Halbzyklus ist.