DE19509658C2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Netzausfallsignals bei einem Antriebsregelgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 näher bezeichneten Art (DE 40 11 598 A1).

In solchen Schaltungsanordnungen wird ein Netzausfallsignal benötigt, um die über den Gleichspannungs-Zwischenkreis ge­ koppelten Antriebsmaschinen, die sich zu einem Antriebsver­ band ergänzen, bei einer Netzstörung schnellstmöglich in den generatorischen Betrieb zu bringen und den Antriebsverband geführt stillzusetzen. In der Regel sind die den Antriebs­ verband bildenden elektrischen Antriebsmaschinen, sofern es sich um Drehfeldmaschinen handelt, durch eine elektrische Welle miteinander verbunden, wodurch die Stillsetzung des Antriebsverbandes im wesentlichen synchron erfolgen kann, weil die mit der größeren kinetischen Energie verbundenen Antriebsmaschinen im generatorischen Betrieb die motorisch arbeitenden Antriebsmaschinen im Auslauf bis zum Stillstand mitziehen. In ähnlicher Weise kann dies auch bei einem An­ triebsverband geschehen, der aus Antriebsmaschinen besteht, die nach dem Gleichstromprinzip arbeiten. Der Gleichstrom­ zwischenkreis dient jeweils als Energiepuffer und -speicher. In der Zeit zwischen dem Netzausfall und dessen Erkennung muß der Zwischenkreis die nötige Antriebsenergie für die miteinander verbundenen Antriebsmaschinen zur Verfügung stellen und darüberhinaus die Energie zur Versorgung der Steuerelektronik liefern. Nachdem zumindest ein Teil der Antriebsmaschinen in den generatorischen Betrieb gebracht worden ist, wird ein Teil der mechanischen Energie gespei­ chert, die zur weiteren Versorgung der Steuerelektronik dient. Um den Zeitraum zwischen dem Netzausfall und dessen Erkennung zu überbrücken, gibt es zwei Möglichkeiten. Zum einen kann eine zusätzliche Speicherkapazität zur Verfügung gestellt werden, zum anderen muß der Netzausfall so schnell erkannt werden, daß die installierten, typischen Zwischen­ kreiskapazitäten ausreichen, um den Zeitraum zwischen Netz­ ausfall und Erkennung zu überbrücken. Die hier beanspruchte Erfindung bezieht sich auf die letztere, schnelle Netzaus­ fallerkennung.

Bekannt sind Netzüberwachungsschaltungen in den Antriebs­ regelgeräten, die jede Phase des Wechselstromnetzes einzeln überwachen. Der Nachteil dieser Schaltungsart ist, daß ein einphasiger Netzausfall nicht sicher erkannt wird, was besonders dann der Fall ist, wenn die Schaltungsanordnung hinter einem Drehstromtransformator angeordnet ist und der Netzausfall vor diesem Transformator stattfindet. Des weiteren gibt es Schaltungsanordnungen, bei denen das Zwischenkreisspannungsniveau überwacht wird. Der Nachteil hierbei liegt darin, daß die Spannung im Gleichspannungs-Zwischenkreis sehr weit absinkt, bevor der Netzausfall er­ kannt wird. Um dies zu kompensieren, sind erheblich größere Zwischenkreiskapazitäten erforderlich, damit der Antriebs­ verband in den Stillstand gebracht werden kann. Aus der DE 40 11 598 A1 ist es hierzu bekannt, auf den Zwischenkreis eine Pufferbatterie zuzuschalten. Derartige Lösungen mit zu­ sätzlichen Kapazitäten, Akkumulatoren und dergl. sind jedoch aufwendig und teuer.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei der mit geringem Aufwand Netzausfälle, wie auch "schleichen­ de" Netzausfälle und Netzphasenausfälle, sicher erkannt werden.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schaltungsan­ ordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst.

Für die Erfindung ist wesentlich, zur Erkennung des Span­ nungsniveaus auf der Seite des Dreiphasen-Wechselstromnetzes die ungeglättete Ausgangsspannung des Zwischenkreisgleich­ richters zu verwenden, also die ungeglättete, gleichgerich­ tete Netzspannung. Denn die zur Glättung der welligen Gleichspannung eingesetzten Glättungskondensatoren bedingen Signalverzögerungen. Weist die Netzspannung und damit die Spannung im Gleichstrom-Zwischenkreis ein noch gerade zu­ lässiges Niveau auf, wird infolge der Welligkeit des gleich­ gerichteten Drehstromnetzsignals mit den Spitzenwertkuppen der festgelegte, obere Schwellwert zyklisch alle 3,3 ms er­ reicht oder überschritten. Hierbei wird mit dem unge­ glätteten Gleichspannungssignal, soweit es seine perio­ dischen Tiefstwerte betrifft, die ebenfalls im Abstand von 3,3 ms zwischen den Spitzenwertkuppen periodisch wieder­ kehren, der untere Schwellwert nicht unterschritten. In diesem Fall spricht die Netzausfallerkennung nicht an. Wird hingegen zumindest mit den Tieftswerten der Gleichspannung entsprechend der vorstehenden Definition der genannte untere Schwellwert unterschritten, so wird dadurch das Absinken der Netzspannung auf ein unzulässiges Niveau detektiert und das Netzausfallsignal erzeugt. Der durch die Schaltungsanordnung festgelegte, obere Schwellwert detektiert die Netzwieder­ kehr, sobald die wellige Gleichspannung mit ihren Spitzen­ wertkuppen diesen Schwellwert erreicht oder überschreitet.

Mit Rücksicht auf die vorhandenen Speicherkapazitäten üb­ licher Antriebsregelgeräte sollte bei einer Frequenz des Dreiphasen-Wechselstromnetzes von 50 Hz die Ansprechzeit der Netzausfallerkennung nicht weniger als 10 ms betragen. Ent­ sprechend wird der zeitliche Abstand der Triggersignale der retriggerbaren, abfallverzögerten Zeitstufe mit etwa 10 ms festgelegt.

Für sogenannte "weiche Netze" kann hinter der retriggerbaren Zeitstufe eine zweite, nicht retriggerbare Zeitstufe ange­ ordnet werden. Bricht nämlich ein weiches Netz schleichend zusammen, so wird der Netzausfall von der Schaltungsanord­ nung zwar erkannt und der generatorische Betrieb des An­ triebsverbandes eingeleitet. Infolge der daraus entstehenden Entlastung des Netzes steigt die Netzspannung jedoch wieder an. Die Schaltungsanordnung erkennt dies zunächst als Netz­ wiederkehr, wodurch bei Fehlen der zweiten Zeitstufe der Antriebsverband wieder in den motorischen Betrieb übergehen würde. Dieser Vorgang könnte sich zumindest einige Male wiederholen und zu einem schwingenden Drehzahlverhalten des Antriebsverbandes führen, und zwar solange, bis das Netz endgültig zusammengebrochen ist. Die nachgeschaltete, zweite Zeitstufe sorgt nun dafür, daß mit der von ihr vorgegebenen Zeitkonstante bei einem Pendeln des Netzausfallsignals das Steuersignal für die Stillsetzung des Antriebsverbandes aus­ gelöst wird. Hierzu ist eine Zeitkonstante von 100 ins vor­ gesehen, welche für die Stillsetzung des Antriebsverbandes ausreicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Antriebsregelge­ rätes mit Netzausfallerkennung,

Fig. 2 das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung zur Erzeugung des Netzausfallerkennungssig­ nals und des Steuersignal für die Stillset­ zung der Antriebsmaschinen bei einem Gerät nach Fig. 1 und

Fig. 3 bis 8 Darstellungen der Signalverläufe der einzel­ nen Komponenten der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 bei unterschiedlichen Netzzuständen.

Im einzelnen erkennt man in Fig. 1 ein Antriebsregelgerät, welches aus einem Dreiphasen-Wechselstromnetz 11 über eine Netzdrossel 12 gespeist wird. Das Antriebsregelgerät weist ein sogenanntes Versorgungsmodul 13 und ein Achsmodul 14 auf, wobei an letzterem die Verbraucher angeschlossen sind. Das Versorgungsmodul 13 hat eingangsseitig einen Dreiphasen-Gleichrichter 6, der ausgangsseitig mit einem Gleichspan­ nungszwischenkreis 15 verbunden ist. Über den Gleichspan­ nungszwischenkreis 15 sind das Versorgungsmodul 13 und das Achsmodul 14 miteinander gekoppelt, wobei vom Achsmodul 14 über Stromventile 16 aus dem Gleichspannungszwischenkreis ein oder mehrere Antriebsmaschinen 17 versorgt werden, bei denen es sich in der Regel um einen Antriebsverband handelt.

Dieser Antriebsverband besteht aus einer Mehrzahl von An­ triebsmaschinen 17, die vornehmlich über eine elektrische Welle miteinander synchronisiert sind.

In das Versorgungsmodul 13 ist eine Steuerelektronik 18 in­ tegriert, welche eine nachstehend näher beschriebene Schal­ tungsanordnung zur Netzausfallerkennung aufweist. Spricht die Netzaustallerkennung der Steuerelektronik 18 an, wird an eine Steuereinheit 19 des Achsmoduls 14 ein Steuersignal F gegeben, über das die an das Achsmodul angeschlossenen An­ triebsmaschinen 17 stillgesetzt werden, wobei der gesamte Antriebsverband im teils generatorischen und teils motori­ schen Betrieb in synchronem Auslauf stillgesetzt wird. Hier­ bei erfolgt eine Rückspeisung in den Gleichspannungszwi­ schenkreis 15, wodurch die Steuerelektronik 18 und die Steuereinheit 19 trotz Netzausfall mit elektrischer Energie soweit versorgt werden, daß die Antriebsmaschinen 17 geführt stillgesetzt werden können.

Fig. 2 zeigt im einzelnen die Schaltungsanordnung zur Netz­ ausfallerkennung der Steuerelektronik 18 von Fig. 1. Un­ mittelbar am Ausgang des Zwischenkreis-Gleichrichters 6 wird das Signal der pulsierenden Gleichspannung A abgegriffen und auf die jeweils ersten Eingänge von zwei Komparatoren 4 und 5 gegeben. In dem Komparator 4 wird das Gleichspannungs­ signal A mit einem oberen Spannungsschwellwert B verglichen, der über den zweiten Eingang 20 am Komparator 4 anliegt. Wird der nachstehend noch näher definierte, obere Schwell­ wert B überschritten, erscheint am Ausgang des Komparators 4 das entsprechende Schwellwertsignal B. In gleicher Weise wird das Gleichspannungssignal A in dem Komparator 5 mit einem unteren Schwellwert C verglichen, der über den zweiten Eingang 21 auf diesen zweiten Komparator 5 gelegt ist. Bei Unterschreitung dieses Schwellwertes erscheint am Ausgang des Komparators 5 das Schwellwertsignal C.

Die beiden Ausgänge der Komparatoren 4 und 5 liegen an den Eingängen R und S einer Kippstufe 1 an, welche so funktio­ niert, daß immer dann, wenn das Gleichspannungssignal A den unteren Schwellwert unterschreitet und entsprechend der Kom­ parator 5 das Signal C liefert, die Kippstufe 1 gesetzt wird und an deren Ausgang das Signal D ansteht. Das Signal D wird solange erzeugt, wie nicht das Gleichspannungssignal wieder den oberen Schwellwert erreicht oder überschreitet. Liefert bei entsprechendem Netzspanungsanstieg der Komparator 4 wieder das Signal B, wird die Kippstufe 1 zurückgesetzt und es verschwindet das Signal D am Ausgang der Kippstufe 1. Insoweit ist das obere Schwellwertsignal B repräsentativ für die sogenannte Netzwiederkehr, was bedeutet, daß die Netz­ spannung wieder auf demjenigen Niveau liegt, bei dem die minimal zulässige Betriebsspannung für das Antriebsregel­ gerät nicht unterschritten ist. Dies gilt nicht nur für alle drei Phasen des Wechselstromnetzes gemeinsam, sondern auch für jede einzelne Phase, worauf nachstehend noch näher eingegangen werden wird.

Der Ausgang der Kippstufe 1 ist mit einem Zeitglied 2 ver­ bunden, bei dem es sich um ein retriggerbares, abfallver­ zögertes Zeitglied handelt. In einem bestimmten zeitlichen Abstand wird in dem Zeitglied 2 nach einem ersten Trigger­ signal ein zweites Triggersignal erzeugt, wobei bei einem 50-Hz-Wechselstromnetz der zeitliche Abstand zweckmäßig mit 10 ms oder etwas länger festgelegt ist. Dies geschieht des­ halb, damit das Zeitglied 2 die Netzwiederkehr erst nach Ablauf der Zeitstufe signalisiert, also nicht schon unmit­ telbar dann, wenn das Signal D der Kippstufe 1 entfällt.

Denn bei dem Ausfall nur einer einzigen Phase des Drei­ phasen-Wechselstromnetzes wird zyklisch sowohl der untere Spannungsschwellwert C unterschritten als auch der obere Spannungsschwellwert B überschritten. Die Zeitstufe 2 signa­ lisiert jedoch in diesem Fall einen permanenten Netzausfall, da die Zyklus zeit beim 50-Hz-Wechselstromnetz kleiner als 10 ms ist, jedoch die Abfallverzögerung des Zeitgliedes 2 10 ms oder mehr beträgt. Somit wird auch ein einzelner Netz­ phasenausfall sicher erkannt und die Zeitstufe 2 liefert sowohl bei permanentem Netzausfall wie auch bei Netz­ phasenausfall das Ausgangssignal E als Netzausfallsignal.

Von dem Netzausfallsignal E der Zeitstufe 2 wird ein Steuer­ signal F für die Stillsetzung des Antriebsverbandes ausge­ löst. Dies geschieht in einer zweiten, nicht retriggerbaren Zeitstufe 3, durch die das Steuersignal F auf etwa 100 ms verlängert wird, um ein schwingendes Drehzahlverhalten des gesteuerten Antriebsverbandes mit der kürzeren Periodendauer des Netzausfallsignals E auszuschließen, sofern in einem weichen Netz ein schleichender Spannungszusammenbruch er­ folgt.

Der in Fig. 3 dargestellte Signalverlauf gibt den Normal­ betrieb wieder. In der oberen Grafik, in der der zeitliche Verlauf des Gleichspannungssignals A wiedergegeben ist, er­ kennt man die Welligkeit der ungeglätteten Spannung am Aus­ gang des Zwischenkreis-Gleichrichters 6 (Fig. 1 und 2), wo­ bei der Scheitelwert der Kuppen im Spannungsverlauf dem üb­ lichen Spitzenwert S entspricht, während die Täler zwischen den Kuppen im Spannungsverlauf einen Tiefstwert T aufweisen, zwischen dem und dem Spitzenwert S sich die Welligkeit der ungeglätteten Gleichspannung bewegt.

Der obere Spannungsschwellwert B entspricht dem Spitzenwert S derjenigen welligen Gleichspannung am Ausgang des Zwi­ schenkreis-Gleichrichters, die für den Betrieb des Antriebs­ verbandes gerade noch zulässig ist. Analog ist der untere Spannungsschwellwert C festgelegt, er entspricht dem vor­ stehend definierten Tiefstwert T der minimal zulässigen welligen Gleichspannung. Die genannten Schwellwerte B und C müssen nicht exakt gleich den Spannungswerten S und T sein, es kann jeweils ein Toleranzabstand vorgesehen werden.

Da im Normalbetrieb der obere Spannungsschwellwert B von dem Signal A der ungeglätteten Gleichspannung tangiert oder überschritten wird, steht nur das Signal B oder in der Folge gar kein Signal am Ausgang des Komparators 4 an, wodurch die Kippstufe 1 zurückgesetzt wird oder bleibt und das Signal D am Ausgang der Kippstufe 1 nicht erscheint. Folglich wird das Netzausfallsignal E am Ausgang des ersten Zeitgliedes 2 nicht erzeugt.

Die Signaldarstellung in Fig. 4 entspricht einem permanen­ ten Ausfall des Dreiphasen-Wechselstromnetzes. Zumindest die Tiefstwerte T des Gleichspannungssignals A unterschreiten den unteren Spannungsschwellwert C, folglich wird für die Zeitdauer der Unterschreitung dieses Spannungsschwellwertes vom Komparator 5 das Schwellwertsignal C erzeugt. Dadurch wird die Kippstufe 1 gesetzt, das Ausgangssignal D der Kipp­ stufe steuert das erste Zeitglied 2 an, dadurch wird das Netzausfallsignal E ausgelöst.

Fig. 5 veranschaulicht die Signalverläufe bei Ausfall nur einer einzigen Phase des Wechselstromnetzes, und es wird jeweils der obere Spannungsschwellwert B und der untere Spannungsschwellwert C periodisch überschritten bzw. unter­ schritten. Dadurch liefern die Komparatoren 4 und 5 alter­ nierend die Signale B und C. Entsprechend wird die Kippstufe 1 periodisch gesetzt und zurückgesetzt, wie das Signal D deutlich macht. Da der Signalabstand beim Signalverlauf D bei einer Frequenz des Wechselstromnetzes von 50 Hz 9,9 ms beträgt und darauf die Triggerung des Zeitgliedes 2 mit 10 ins oder etwas länger abgestellt ist, erscheint am Ausgang des Zeitgliedes 2 das Netzausfallsignal E ununterbrochen mit dem Beginn der erstmaligen Unterschreitung des unteren Schwellwertes C, womit ein einzelner Phasenausfall sicher erkannt ist.

Die Signalverläufe nach Fig. 6 veranschaulichen die Netz­ wiederkehr. Da der obere Spannungsschwellwert B überschrit­ ten und der untere Spannungsschwellwert C nicht unterschrit­ ten wird, entfällt infolge der Zeitstufe im Zeitglied 2 etwa 10 ms nach Wegfall des Signals D am Ausgang der Kipp­ stufe 1 das Netzausfallsignal E am Ausgang des Zeitgliedes 2. Im übrigen sorgt das periodisch wiederkehrende Signal B dafür, daß die Kippstufe 1 zurückgesetzt bleibt.

Die Fig. 7 und 8 machen die Funktion der Zeitstufe 3 (Fig. 2) deutlich, die nämlich nur bei Netzwiederkehr wirk­ sam wird. So erkennt man in Fig. 7 die Signalverläufe der Netzausfallerkennung bei einem kurzzeitigen Absinken der ungeglätteten Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis unter den Schwellwert C infolge eines Abfalls der Netzspan­ nung. Durch das Zeitglied 3 wird das Signal F, welches das Stillsetzen des Antriebsverbandes steuert, auf etwa 100 ms verlängert. Fig. 8 beschreibt die Signalverläufe der Netz­ ausfallerkennung bei einem längeren Absinken der Netzspan­ nung und entsprechend der ungeglätteten Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis unter den Schwellwert C. In diesem Fall wird das Signal F unverzögert mit dem Signal E zurückgesetzt.

Die dargestellte Netzausfallerkennung läßt sich sowohl in Hardware als auch in Software ausführen. In der Software-Ausführung ist das Signal A der ungeglätteten Gleichspannung über einen Analog/Digital-Wandler einzulesen. Das Signal F wird über einen digitalen Ausgang der Steuerelektronik 18 (Fig. 1) des Antriebsreglers zur Verfügung gestellt bzw. direkt von dessen Reglersoftware eingelesen.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Netzausfallsig­ nals bei einem aus einem Dreiphasen-Wechselstromnetz gespeisten Antriebsregelgerät mit einem Gleichspannungs­ zwischenkreis, über den ein oder mehrere elektrische Antriebsmaschinen mittels elektrischer Ventile versorgt werden, wobei bei einer Unterschreitung eines Schwell­ wertes der Spannung im Zwischenkreis ein Steuersignal für die Stillsetzung der Antriebsmaschinen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die ungeglättete Ausgangsspannung des Zwischenkreis-Gleichrichters mit einem oberen Schwellwert (B) ent­ sprechend dem Spitzenwert der minimal zulässigen, welligen Gleichspannung und einem unteren Schwellwert (C) ent­ sprechend dem Tiefstwert jeweils zwischen den periodi­ schen Spitzenwertkuppen dieser welligen Gleichspannung verglichen und eine Kippstufe bei Unterschreitung des unteren Schwellwertes (C) durch die Ausgangsspannung des Zwischenkreis-Gleichrichters gesetzt sowie bei Erreichen oder Überschreitung des oberen Schwellwertes (B) durch die Ausgangsspannung des Zwischenkreis-Gleichrichters zurückgesetzt wird und daß mittels des Signals (D) der gesetzten Kippstufe (1) ein retriggerbares, abfallver­ zögertes Zeitglied (2) angesteuert wird, aus dessen Aus­ gangssignal (E) als Netzausfallsignal das Steuersignal (F) gebildet wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Frequenz des Dreiphasen-Wechselstromnetzes von 50 Hz der zeitliche Abstand der Triggersignale der retriggerbaren Zeitstufe (2) etwa 10 ms beträgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der retriggerbaren Zeitstufe (2) eine zweite Zeit­ stufe (3) nachgeordnet ist, die durch das Netzausfallsig­ nal (E) gesteuert und in der nochmals abfallverzögert das Abschaltsignal (F) gebildet wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Frequenz des Dreiphasen-Wechselstromnetzes von 50 Hz die Abfallverzögerung der zweiten Zeitstufe (3) etwa 100 ms beträgt.