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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur fehlerüberwachten Spannungsmessung, insbesondere zur Verwendung innerhalb eines Wechselrichters.
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Für einen zuverlässigen Betrieb von elektronischen Schaltungen ist es erforderlich, Spannungen innerhalb der Schaltung zu bestimmen und dabei festzustellen, ob die zur Spannungsmessung verwendeten Komponenten fehlerfrei funktionieren. Hierzu werden regelmäßig zwei unabhängige Komponenten zur Spannungsmessung verwendet und geprüft, ob die bestimmten Spannungswerte übereinstimmen. Im Falle einer mangelnden Übereinstimmung wird ein Fehlersignal erzeugt und die elektronische Schaltung reagiert auf dieses Fehlersignal zum Beispiel mit einer Abschaltung. Bei diesem Vorgehen ergibt sich die Notwendigkeit, jeden Messpunkt jeweils mit zwei unabhängigen Komponenten zur Spannungsmessung vorzusehen, was einen erheblichen Aufwand an Komponenten bedeutet.
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Ein Beispiel einer solchen elektronischen Schaltung ist ein dreiphasigen Wechselrichter, bei dem die aktuelle Ausgangsspannung jeder Phase, sowie die Ausgangsspannung auf dem Neutralleiter bestimmt werden müssen. Nach dem Stand der Technik sind zur zuverlässigen Spannungsbestimmung an diesen vier Messpunkten insgesamt acht Komponenten zur Spannungsmessung erforderlich.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, die mit einem gegenüber dieser Aufdoppelung der Komponenten reduzierten Hardwareaufwand auskommt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter mit einer solchen Schaltungsanordnung ist im nebengeordneten Anspruch 7 beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur fehlerüberwachten Bestimmung von Spannungswerten an einem ersten und einem zweiten Messpunkt umfasst eine erste, mit dem ersten Messpunkt zur Spannungsmessung gegenüber einem Bezugspotential verbundene Messeinheit und eine zweite, mit dem zweiten Messpunkt zur Spannungsmessung gegenüber dem Bezugspotential verbundene Messeinheit. Eine gemeinsame, redundante Messeinheit ist jeweils über ein gleichrichtendes Element, vorzugsweise einer Diode, mit dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt verbunden. Eine Überwachungseinheit ist vorgesehen um für den Fall, dass innerhalb eines Vergleichszeitraumes mangelnde Übereinstimmung zwischen einem Messsignal der ersten Messeinheit und einem Messsignal der redundanten Messeinheit oder mangelnde Übereinstimmung zwischen einem Messsignal der zweiten Messeinheit und dem Messsignal der redundanten Messeinheit festgestellt wird, ein Fehlersignal zu erzeugen.
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Mindestens eine der Messeinheiten kann eine Widerstandskette aufweisen, wodurch mit geringem Aufwand auch große Spannungen messbar werden. Gleichzeitig kann hierdurch eine ausreichende galvanische Trennung der Messeinheiten von Potential der Messpunkte erreicht werden. Die Verwendung von Widerstandsketten ist insbesondere von Vorteil, wenn die Schaltungsanordnung zur Messung der Phasenspannung eines mehrphasigen Netzes eingesetzt wird, d.h. wenn die Messpunkte jeweils einzelnen Phasen eines mehrphasigen Netzes zugeordnet sind, ist aber nicht auf diesen Fall beschränkt.
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Im Falle einer Spannungsmessung über drei Messpunkte kann die Schaltungsanordnung um eine mit dem drittem Messpunkt direkt verbundene dritte Messeinheit erweitert und der dritte Messpunkt über ein gleichrichtendes Element mit der gemeinsamen, redundanten Messeinheit verbunden werden. Die Überwachungseinheit erzeugt dann das Fehlersignal auch für den Fall, dass innerhalb eines Vergleichszeitraumes mangelnde Übereinstimmung zwischen einem Messsignal der dritten Messeinheit und einem Messsignal der redundanten Messeinheit festgestellt wird. Analog kann die Schaltungsanordnung auch zur fehlerüberwachten Spannungsmessung an mehr als drei Messpunkten erweitert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Messsignal der redundanten Messeinheit zur Kalibrierung der Messsignale der anderen Messeinheiten verwendet werden. Der Begriff Kalibrierung umfasst hierbei nicht nur den Abgleich der direkt verbundenen Messeinheiten mit Hilfe der gemeinsamen Messeinheit, sondern unter anderem auch eine Mittelung zwischen den Messsignalen. Auf diese Weise können die Genauigkeit der Spannungsmessung erhöht bzw. systematische Fehler in der Spannungsmessung kompensiert werden.
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Erfindungsgemäß kann ein Wechselrichter mit einer oben beschriebenen Schaltungsanordnung versehen werden, wobei die Überwachungseinheit mit einer Netztrennstelle des Wechselrichters derart verbunden ist, dass bei Vorliegen des Fehlersignals eine Trennung des Wechselrichters von einem angeschlossenen Netz erfolgt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Wechselrichter nicht aufgrund des Ausfalles einer der Messeinheiten in einen unerwünschten Betriebszustand gerät.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von drei Figuren näher beschrieben.
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1 zeigt eine findungsgemäße Schaltungsanordnung zur Spannungsmessung an zwei Messpunkten,
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2 zeigt den zeitlichen Verlauf von Messsignalen dreier Messeinheiten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
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3 zeigt einen Wechselrichter mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Messung von Ausgangsspannungen des Wechselrichters
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 zur fehlerüberwachten Spannungsmessung von Spannungen an einem ersten Messpunkt 1 und einem zweiten Messpunkt 2 gegenüber einem Bezugspotential 14. Eine erste Messeinheit 11 ist hierzu sowohl mit dem ersten Messpunkt 1 als auch mit dem Bezugspotential 14 verbunden, ebenso ist eine zweite Messeinheit 12 sowohl mit dem zweiten Messpunkt 2 als auch mit dem Bezugspotential 14 verbunden. Eine dritte Messeinheit 13 ist mit dem Bezugspotential 14 und jeweils über eine Diode als gleichrichtendes Element mit dem ersten Messpunkt 1 und dem zweiten Messpunkt 2 verbunden. Die entsprechenden Messsignale 18, 19, 20 der Messeinheiten 11, 12, 13 werden über Signalleitungen an eine Überwachungseinheit 15 übergeben.
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Die Überwachungseinheit 15 ist dazu eingerichtet, die Messsignale 18, 19, 20 der Messeinheiten 11, 12, 13 zu überwachen, und ein Fehlersignal 16 zu erzeugen, falls die übergebenen Signale darauf schließen lassen, dass eine der Messeinheiten 11, 12, 13 nicht ordnungsgemäß funktioniert.
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2 zeigt beispielhaft in einem Diagramm mit einer Zeitachse 24 und einer Signalachse 25 Zeitverläufe von Messsignalen der Schaltungsanordnung 10 aus 1. Der Verlauf 21 entspricht hierbei dem Messsignal 18 der ersten Messeinheit 11, der Verlauf 22 dem Messsignal 19 der zweiten Messeinheit 12 und der Verlauf 23 dem Messsignal 20 der dritten Messeinheit 13. In einem ersten Zeitraum I stimmt der Verlauf 23 mit dem Verlauf 21 überein, während in einem zweiten Zeitraum II der Verlauf 23 dem Verlauf 22 übereinstimmt. In einem dritten Zeitbereich III stimmt der Verlauf 23 dann wieder mit dem Verlauf 21 überein. Dieses Verhalten des Verlaufs 23 des Messsignals 20 ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass die dritte Messeinheit 13 jeweils über eine Diode 17 sowohl mit dem ersten Messpunkt eins als auch mit dem zweiten Messpunkt zwei verbunden ist. Dadurch bestimmt die dritte Messeinheit 13 immer die größere der Spannungen an den beiden Messpunkten. Natürlich ist es auch denkbar, die Dioden 17 mit einer gegenüber der in 1 gezeigten Polarität entgegengesetzten Polarität einzusetzen, wodurch die dritte Messeinheit 13 dann die geringere der beiden Spannungen bestimmen würde. Übereinstimmung der Verläufe und damit Übereinstimmung der Messsignale umfasst auch jede Abweichung der Messignale voneinander, die aufgrund der normalen Ungenauigkeiten der Messeinheiten oder aufgrund von innerhalb des normalen, bestimmungsgemäßen Bereiches liegenden Störsignalen durch den Betrieb der elektronischen Schaltung, deren Teil die Schaltungsanordnung 10 ist. Ebenso umfasst sind systematische Abweichungen durch den Spannungsabfall an Teilen der Schaltungsanordnung, insbesondere an den Dioden 17.
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Wenn aufgrund der Art der Spannungsverläufe an den beiden Messpunkten 1, 2 sichergestellt ist, dass innerhalb eines vorgegebenen Vergleichszeitraumes zumindest über einen ersten Teilzeitraum I Übereinstimmung zwischen dem Messignal 18 der ersten Messeinheit 11 und dem Messsignal 20 der dritten Messeinheit 13 besteht, sowie zumindest über einen zweiten Teilzeitraum II Übereinstimmung zwischen dem Messignal 19 der zweiten Messeinheit 12 und dem Messsignal 20 der dritten Messeinheit 13 besteht, kann hieraus auf einen ordnungsgemäßen Zustand aller Messeinheiten geschlossen werden. Im Gegenzug kann angenommen werden, dass zumindest eine der Messeinheiten defekt ist, wenn innerhalb des Vergleichszeitraumes mangelnde Übereinstimmung zwischen Übereinstimmung zwischen dem Messsignal 18 der ersten Messeinheit 11 und dem Messsignal 20 der dritten Messeinheit 13 oder mangelnde Übereinstimmung zwischen dem Messsignal 19 der zweiten Messeinheit 11 und dem Messsignal 20 der dritten Messeinheit 13 festgestellt wird. Mangelnde Übereinstimmung der Messsignale innerhalb des Vergleichszeitraumes bedeutet im Rahmen dieser Anmeldung, dass kein Teilzeitraum ausreichender Dauer existiert, in dem die Messsignale übereinstimmen. Übereinstimmung der Messwerte lediglich zu einem einzelnen Messzeitpunkt ist regelmäßig nicht ausreichend, um eine Übereinstimmung der Messwerte festzustellen.
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Das Verfahren zur Überprüfung des ordnungsgemäßen Zustandes der Messeinheiten kann immer dann eingesetzt werden, wenn innerhalb des Vergleichszeitraumes zumindest für jeweilige Teilzeiträume beide der beiden Spannungen an den beiden Messpunkt die jeweils die größere der beiden Spannungen ist. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn die beiden Spannungen an den Messpunkten Wechselspannungen mit gleicher Frequenz und unterschiedlicher Phasenlage sind, also insbesondere dann, wenn die Spannungen Phasenspannungen eines mehrphasigen Netzes sind. In einem solchen Fall kann der Vergleichszeitraum als Netzperiode festgelegt werden. Bei Nutzung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit mehr als zwei Messpunkten ist der Vergleichszeitraum so zu wählen, dass die Spannung an jedem der Messpunkte über einen entsprechenden Teilzeitraum größer ist als die anderen Spannungen.
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In 3 ist eine Energieerzeugungsanlage zur Umwandlung einer von einem Generator 30, beispielsweise einem Photovoltaikgenerator, erzeugten Leistung mittels eines Wechselrichters 31 in Wechselspannungsleistung zur Einspeisung in ein mehrphasiges Netz mit den Phasen L1, L2, L3 und einem Neutralleiter N gezeigt. Der Wechselrichter weist eine Wechselrichterbrücke 32 auf, an deren Gleichspannungsseite der Generator 30 angeschlossen wird. Wechselspannungsseitig werden die Phasen und der Neutralleiter über eine Trennstelle 33 mit den Phasen L1, L2, L3 und mit dem Neutralleiter N eines übergeordneten mehrphasigen Netzes verbunden. Jede der drei Phasen L1, L2, L3 ist jeweils über eine separate, zugeordnete Widerstandskette 34 mit einem Bezugspotential, hier mit Erdpotential PE, verbunden. Die entsprechende Phasenspannung wird über eine zugeordnete Messeinheit 37 als Spannungsabfall über einen Widerstand der Widerstandskette 34 bestimmt. Alle drei Phasen L1, L2, L3 sind jeweils über eine separate Diode 17 und eine gemeinsame redundante Widerstandskette 34‘ mit dem Erdpotential PE verbunden. Eine redundante Messeinheit 38 bestimmt den Spannungsabfall über einem der Widerstände der Widerstandskette 34‘. Die Spannung des Neutralleiters N wird in redundanter Weise über zwei parallele Widerstandsketten 34 mit zugeordneten redundanten Messeinheiten 35, 36 gegenüber Erdpotential PE bestimmt. Jede der Messeinheiten 35–38 ist mit einer Überwachungseinheit 15 zur Übermittlung der zugeordneten Messsignale 39 verbunden. Die Überwachungseinheit 15 überwacht die ordnungsgemäße Funktion der Messeinheiten 35–38 in der oben beschriebenen Weise dadurch, dass eine zumindest zeitweise Übereinstimmung insbesondere des Messsignals der Messeinheit 38 mit den Messsignalen der Messeinheiten 37 innerhalb eines Vergleichszeitraumes überwacht wird. Bei mangelnder Übereinstimmung zwischen einem der Messsignale der Messeinheit 37 und dem Messsignal der Messeinheit 38 wird ein entsprechendes Fehlersignal 16 erzeugt. Das Fehlersignal 16 wird an die Trennstelle 33 übertragen und führt zu einer Trennung des Wechselrichters 31 vom übergeordneten mehrphasigen Netz.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messpunkt
- 2
- Messpunkt
- 10
- Schaltungsanordnung
- 11
- Messeinheit
- 12
- Messeinheit
- 13
- Messeinheit
- 14
- Bezugspotential
- 15
- Überwachungseinheit
- 16
- Fehlersignal
- 17
- Diode
- 18–20
- Messsignal
- 21–23
- Zeitverlauf
- 24
- Zeitachse
- 25
- Signalachse
- 30
- Generator
- 31
- Wechselrichter
- 32
- Wechselrichterbrücke
- 33
- Trennstelle
- 34
- Widerstandskette
- 35–38
- Messeinheit
- 39
- Messsignale
