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Schaltungsanordnung zur Erdschlußüberwachung einer erdfreien
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Gleichstromschaltung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Erdschlußüberwachung einer erdfreien Gleichstromschaltung, die über einen Stromrichter
an ein Wechsel- oder Drehspannungsnetz angeschlossen ist.
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Durch die räumlich verteilte Erdkapazität eines erdfreien Stromkreises
können Störsignale in den Meßkreis zur Überwachung des Isolationszustandes eingekoppelt
elt werden; die zu falschen Meßergebnissen führen Dies tritt insbesondere bei stromrichtergespeisten
Gleichstromschaltungen auf, bei denen die Störsignale die Frequenz des speisenden
Netzes oder ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz aufweisen. Die vom Stromrichter
eingekoppelten Störsignale sind relativ stark, da die Kommutierungsvorgänge jeweils
nur in einer der beiden Brückenhälften des Stromrichters erfolgen. Die Unterdrückung
dieser Störsignale bedingt aufwendige Filterschaltungen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Erdschlußüberwachung zu schaffen, bei der ohne aufwendige Filterschaltungen
eine von der Größe des Brdschlußwiderstandes des Neßobaektes abhängige Spannung
gewonnen wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Meßschaltung vorgeschlagen,
bei der eine Hilfsspannungsquelle zwischen Erde und Meßobjekt über ein Ankopplungsglied
und einen Meßwiderstand angeschlossen ist, wobei die Frequenz der Hilfsspannung
um einen ganzzahligen Faktor kleiner ist als die Netzfrequenz, und bei der eine
den Strom im Meßkreis abbildende Meßspannung und eine aus dem Meßkreis abgegriffene
3ezugsspannungeiner Auswerteschaltung zugeführt sind, die eine von der Bezugsspannung
gesteuerte phasenempfindliche
Demodulatorschaltung enthält, deren
Ausgangsspannung ein Maß für den Erdwiderstand des Meßobjekts dargestellt.
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Bei der erfindungsgemäßen Meßschaltung erfolgt eine phasenwinkelabhängige
Erfassung des Stromes im MeBkreis. Es wird als EaB für die Größe des Erdwiderstandes
diejenige Komponente des Stromes im Meßkreis erfaßt, die in Phase ist zum Steuersignal
für die Demodulation. Durch das Ankopplungsglied steht auch bei relativ großen Erdkapazitäten
und kleinen Frequenzen eine auswertbare Spannung an der Isolation der Gleichstromschaltung
an, die das eigentliche Meßobjekt darstellt. Als Ankopplungsglied ist vorzugsweise
bei Starkstromschaltungen ein kapazitives Jnkopplungsgliedvorgesehen.
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Bei Verwendung einer Hilfsspannung, deren Frequenz UHl einen ganzzahligen
Faktor kleiner ist als die Netzfrequenz, werden bei einer phasenempfindlichen Demodulation
die Störsignale mit der Netzfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon
als Störfrequenz im Mittelwert unterdrückt. Dies folgt daraus, daß sich die Spannungszeitflächen
eines derartig demodulierten Storsignals gegenseitig aufheben, und zwar unabhängig
von der auf die Störfrequenz bezogenen Phasenlage des Steuersignals für die Demodulation.
Bei einer Netz frequenz von beispielsweise 50 Hz kann die Frequenz der Hilfsspannung
25 Hz oder 12,5 Hz betragen. Die Hilfsspannung kann eine Rechteckspannung sein,
da ihre Oberwellen durch die phasenempfindliche Demodulation ohne Einflußbleiben.
Eine derartige rechteckförmige Hilfsspannung kann beispielsweise mit Hilfe von JK-Flip-Flops
aus der Netzspannung abgeleitet werden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht eine Auswerteschaltung mit
folgenden Merkmalen vor: a) die als Bezugspannung dienende Hilfsspannung ist einem
Phasendrehglied mit einer Phasendrehung von 900 zugeführt, b) die den Strom im Meßwiderstand
abbildende Meßspannung und die über ein Einstellpotentiometer geführte Ausgmgispannung
des Phasendrehgliedes sind einem Differenzbildner eingangsseitig zugeführt, c3 die
Ausgangsspannung des Differenzbildners ist einem Demodulator zugeführt, der von
einem Polaritätsdetektor für die Ausgangsspannung des Phasendreligliedes gesteuert
ist.
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Bei dieser Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßschaltung wird
die Blindkomponente des Stromes im Meßkreis ausgewertet, da ihre Abhängigkeit von
der Erdkapazität in einem von der Art des Meßobjektes abhängigen Bereich des Erdwiderstandes
ausreichend gering ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht eine Auswerteschaltung
mit folgenden Merkmalen vor: a) die den Strom im Meßwiderstand abbildende Meßspannung
ist einem ersten Demodulator zugeführt, b) die als Bezugsspannung dienende, auf
Erdpotential bezogene Spannung am Meßobjekt ist einem zweiten Demodulator zugeführt,
c) ein phasengeregelter Oszillator erzeugt ein gegenüber der Eingangsspannung des
zweiten Demodulators um 0° phasenverschobenes erstes Steuersignal zur Steuerung
des ersten Demodulators und ein gegenüber der Eingangsspannung des zweiten Demodulators
um 900 phasenverschobenes zweites Steuersignal zur Steuerung des zweiten Demodulators.
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Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßschaltung wird
als Maß für die Größe des Erdwiderstandes die Wirkkomponente des Stromes im Meßkreis
in Bezug auf die Spannung am Meßobjekt ausgewertet. Für einen hinreichend großen
Erdwiderstand bleibt der EInfluß der Erdkapazität auf die auf de Spannung am Meßobjekt
bezogene Wirkkomponente des Stromes im Meßkreis ausreichend klein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Ze'ichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben: Fig. Ia ein Prinzipschaltbild einer ersten
Ausführungsform der Erfindung, Fig. Ib ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Schaltung
nach Fig. 1a, Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 die Anwendung einer erfindungsgemäßen Meßschaltung zur Erfassung des Isolationswiderstandes
einer elektrischen Maschine In Fig. la ist ein Meßobjekt 4 schematisch als Erdwiderstand
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und Erdkapazität 6 dargestellt. Das Meßobjekt 4 sei eine Gleichstromschaltung,
die über einen Stromrichter 3 an ein Wechselspannungsnetz 1 mit der Netzfrequenz
f1 angeschlossen ist. Insbesondere durch die Kommutierungsvorgänge im Stromrichter
3 werden Störsignale über die Erdkapazität 6 in den Meßkreis eingekoppelt. Der Meßkreis
enthält eine Hilfsspannungsquelle 2, die einerseits über einen Kondensator als rein
kapazitives Ankopplungsglied 7 an das Meßobjekt 4 und andererseits über einen Meßwiderstand
9 an Erde M angeschlossen ist. Dem Kondensator 7 kann ein Widerstand in Reihe geschaltet
sein. Die Hilfsspannungsquelle 2 erzeugt eine Hilfsspannung U2 mit einer Frequenz
f2, die um einen ganzzahligen Faktor kleiner ist als die Netzfrequenz f1. Der Hilfsspannungsquelle
2 ist hierzu die Netzspannung von einem Fühler 8 eingangsseitig zugeführt, der beispielsweise
ein Synchronisiertransformator sein kann.
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Ein Spannungsmeßfühler 10 erfaßt den Spannungsabfall über dem Meßwiderstand
9 und damit den Strom I im Meßkreis. Ein weiterer Meßfühler 13 erfaßt die Hilfsspannung
U2 der Hilfsspannungsquelle 2, die als Bezugs spannung zur Steuerung der phasenempfindlichen
Demodulation verwendet wird. Die vom Spannungsmeßfühler 10 erfaßte Meßspannung,
die den Strom I im Meßkreis abbildet, wird einem Differenzbildner 19 zugeführt.
Weiterhin wird die vom Spannungsmeßfühler 13 erfaßte Hilfsspannung U2 über ein Phasendrehglied
12 mit einer Phasendrehung von + 900, beispielsweise einen Integrator, und über
ein Einstellpotentiometer 14 dem Differenzbildner 19 zugeführt. Die Ausgangsspannung
des Differenzbildners 19 ist einem Demodulator 15 zugeführt. Das Steuersignal für
den Demodulator 15 wird von einem Polaritätsdetektor 16 gebildet, dem eingangsseitig
die Ausgangsspannung des Phasendrehgliedes 12 zugeführt ist. Der Polaritätsdetektor
16 kann beispielsweise als Grenzwertgeber ausgeführt sein. Die Demodulation der
Ausgangsspannung des Differenzbildners 19 erfolgt somit mit dem Vorzeichen der Ausgangsspannung
des Phasendrehgliedes 12. Die Ausgangsspannung des Demodulators 15 ist über ein
Glättungsglied 17 einem Grenzwertmelder 18 zugeführt. Sobald die Eingangsspannung
des Grenzwertmelders 18 einen vorgegebenen Ansprechwert unterschreitet, ändert sich
das Ausgangssignal des Grenzwertmelders 18 und zeigt
an, daß der
Erdwiderstand einen vorgegebenen Wert unterschritten hat.
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Die Erläuterung der Funktionsweise der Meßsohaltung nach Fig. 1a erfolgt
anhand der vektoriellen Darstellung nach Fig. 1b.
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Die Meßschaltung soll ein Alarmsignal abgeben, wenn der Wert R5 des
Erdwiderstandes 5 einen vorgegebenen Ansprechwert R0 unter schreitet. Für diesen
Ansprechwert Ro wird die Blindkoinp.onente des Stromes im Ankopplungsglied durch
das Einstellpotentiometer 14 kompensiert. Diese einfache Einstellung der kapazitiven
Blindkomponente Ik des Stromes I durch ein Einstellpotentiometer ist möglich, da
bei dem vorgegebenen Ansprechwert Ro des Erdwiderstandes der kapazitive Blindstrom
im Kreis aus Ankopplungsglied sind Meßobjekt der Hilfsspannung um 90° voreilt und
das Steuersignal für die Dernodulation der Hilfsspannung in Bezug auf deren Grundschwingung
um 90° nacheilt. Die vektorielle Summe aus dem Strom I im Meßkreis und dem Strom
Ik ist kapazitiv, wenn der gemessene Erdwiderstand kleiner ist als der vorgegebene
Ansprechwert (R5>Ro), für den die genannte Einstellung des Einstellpotentiometers
14 vorgenommen wurde, bzw. induktiv, wenn der gemessene Erdwiderstand größer ist
als der Ansprechwert (R5>Ro). Die Aussage, ob diese vektorielle Stromsumme kapazitiv
oder induktiv ist, wird in einfacher Weise durch die phasenempfindliche Demodulation
gewonnen.
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Die Demodulation der Differenz aus dem Strom I im Meßwiderstand 9
und dem Kompensationsstrom Ik, der dem Wert der kapazitiven wind komponente des
Stromes im Ankopplungsglied 7 entspricht, mit dem Vorzeichen der Hilfsspannung entspricht
einer Multiplikation mit +1 bzw. -1. Als Demodulator 15 ist beispielsweise ein FET-Transistor
geeignet.
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Aus Fig. Ib ist ersichtlich, daß die vektorielle Differenz zwischen
dem Strom im Meßkreis und dem Kompensationsstrom 1k in Phase liegt zur Hilfsspannung
U2.
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In Fig. lawurde die Neßspannung und die Bezugsspannung jeweils über
schematisch als Spannungsmeßwandler dargestellte Spannungsmeßfübier abgegriffen.
Bei geeigneter Wahl der Amplitude der Hilfsspannung der Hilfsspannungsquelle kann
auf eine derartige potentialtrennende
Spannungsauskopplung verzichtet
werden. Die gewunschten Spannungen können dann unmittelbar aus dem Meßkreis abgegriffen
und dem Differenzbildner bzw. Integrator zugeführt werden. Diese sind dann jeweils
auf Erde M zu beziehen.
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Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das schematisch
dargestellte Meßobjekt 4 mit dem Erdwiderstand 5 und der Erdkapazität 6 ist über
einen Stromrichter 3 an ein Wechselspannungsnetz 1 angeschlossen. Die Hilfsspannungsquelle
2 ist über ein Ankopplungsglied 27 und einen Widerstand 20 einerseits an das Meßobjekt
4 und andererseits über den Meßwiderstand 9 an Erde M geschaltet. Der Widerstand
20 ist vorgesehen, damit auch bei einem Kurzschluß, d.h. einem Erdwiderstand Null,
ein auswertbarer Spannungsabfall für die Meßschaltung vorhanden ist. Das Ankopplungsglied
27 enthält einen Widerstand 27a und einen Kondensator 27b. Der Kondensator 27b ist
bei Meßobjekten mit hohen Gleichspannungen erforderlich, um diese von der Meßschaltung
abzuhalten.
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Wenn als Meßobjekt eine Kleinspannungsanlage mit einer Betriebsspannung
von beispielsweise 24 V vorgesehen ist, genügt ein rein ohmisches Ankopplungsglied.
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Die den Strom im Meßkreis abbildende Spannung wird einem Integrator
23 zugeführt. Die Spannung am Meßobjekt 4, die als Bezugsspannung zur Steuerung
der Demodulation der Meßspannung ausgewertet wird, wird über einen Integrator 21
geführt. Durch die beiden Integratoren 21 und 23 werden Störsignale höherer Frequenz
reduziert, ohne daß der Phasenwinkel zwischen den beiden Spannungen geändert wird.
Die vom Integrator 23 integrierte Meßspannung, die den Strom im Meßkreis abbildet,
ist einem Demodulator 24 zugeführt, der von einem phasengeregelten Oszillator 28
gesteuert ist.
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Dem phasengeregelten Oszillator 28 ist eingangsseitig die Ausgangsspannung
eines Demodulators 22 zugeführt, der seinerzeit mit dem Integrator 21 verbunden
ist. Der phasengeregelte Oszillator 28 erzeugt an seinen Ausgängen 28a und 28b zwei
um.900 zueinander phasenverschobene Steuersignale für die beiden Demodulatoren 22
und 24.
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Der phasengeregelte Oszillator 28 enthält einen Regler 25, der von
der Ausgangsspannung des Demodulators 22 beaufschlagt ist. Die Ausgangsspannung
des Reglers 25 wird von einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 26 in eine proportionale
Impulsfolge umgesetzt. Die Impulse dieser Impulsfolge beaufschlagen den dynamischen
Eingang einer Kippstufe 27. Die Ausgangssignale der Kippstufe 27 ändern sich bei
jeder fallenden Flanke eines Impulses vom Spannungs-Frequenz-Umsetzer 26. Das eine
Ausgangssignal der Kippstufe 27 ist dem dynamischen Eingang einer weiteren Kippstufe
29 zugeführt, deren Ausgangssignale sich bei jeder fallenden Flanke ihres Eingangssignals
ändern. Das eine Ausgangssignal der Kippstufe 29 liegt in Phase mit dem Eingangssignal
des Demodulators 22 und dient zur Steuerung des Demodulators 24. Der Kippstufe 29
ist eine weitere Kippstufe 30 nachgeschaltet, deren Vorbereitungseingänge mit den
Ausgängen der Kippstufe 29 verbunden sind, und deren dynamischer Eingang mit dem
anderen Ausgang der Kippstufe 27 verbunden ist. Das Ausgangssignal der Kippstufe
30 folgt dem Ausgangssignal der Kippstufe 29 mit einer Phasenverschiebung von 900.
Somit beträgt auch die Phasenverschiebung in Bezug auf die Eingangs spannung des
Demodulators 22 ebenfalls 900. Das Ausgangssignal der Kippstufe 30 steuert den Demodulator
22.
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Der Demodulator 24 erzeugt eine Ausgangsspannung ohne Gleichanteil,
da zwischen der Ausgangsspannung des Integrators 23 und dem Steuersignal für den
Demodulator 24 eine Phasendifferenz von 900 besteht.
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Das Ausgangssignal des Demodulators 24 ist wiederum über ein Glättungsglied
17 einem Grenzwertmelder 18 zugeführt. Der Grenzwertmelder 18 ändert sein Ausgangssignal,
wenn seine Eingangsspannung einen vorgegebenen Wert Ro des Erdwiderstandes 5 unterschreitet.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 werden die Spannungen am Meßobjekt
4 uns die den Strom im Meßkreis abbildende Meßspannung zunächst zwei gleichartigen
Integratoren 21 und 23 zugeführt. Hierdurch werden Störsignale höherer Frequenz
reduziert, ohne daß der Phasenwinkel zwischen beiden Spannungen geändert wird. Der
phasengeregelte Oszillator 28 erzeugt ein zur integrierten Spannung am Meßobjekt
4 phasengleiches Steuersignal zur Demodulation der integrierten Meßspannung. Für
die Phasenregelung wird die integrierte Spannung am Meßobjekt mit einem weiteren
Steuersignal des Oszillators
28 demoduliert, das um 900 phasenverschoben
ist. Ein Demodulator erzeugt bei einer Phasenverschiebung von 90° zwischen seiner
Eingangs spannung und seinem Steuersignal eine Ausgangsspannung ohne Gleichanteil.
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Fig. 3 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zur Messung des Erdwiderstandes einer elektrischen Maschine 32, die als Gleichstrom-Nebenschlußmaschine
dargestellt it.
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Die elektrische Maschine 32 ist über einen Stromrichtertransformator
30 und einen Stromrichter 31 aus einem Drehstromnetz gespeist.
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Die Hilfsspannungsquelle 2 ist über ein symmetrisches Ankopplungsglied
mit den beiden Teilgliedern 33a und 33b angekoppelt, die jeweils aus der Reihenschaltung
eines Kondensators mit einem ohmschen Widerstand bestehen. Durch die symmetrische
Ankopplung der Hilfsspannung stellt sich eine Spannungsverteilung gegen Erde M ein,
die dem natürlichen Zustand bei verteilten Erdkapazitäten und Isolationswiderständen
der Maschine entspricht.
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5 Patentansprüche 3 Figuren
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