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Uberwachungseinheit für Meßwerte eines Stromrichter-
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Zwischenkreises Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinheit für
Meßwerte eines Stromrichter-Zwischenkreises mit mindestens einen Grenzwertgeber
für Jeden Meßwert.
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Bei Zwischenkreisen von Stromrichtern, beispielsweis Gleichstrom-
oder Gleichspannungs-Zwischenkreisen von Umrichtern, ist im allgemeinen eine Überwachung
des Stroh bzw. der Spannung erforderlich. Dabei tritt Jedoch die Schwierigkeit auf,
daß die Überwachungselektronik des Stromrichters in der Regel auf Bedienpotential,
d.h. im allgemeinen auf Erdpotential liegt, während sich der Zwischenkreis auf Netzpotential
befindet. Es ist also in der Regel eine galvanische Trennung zur Übertragung von
Meßgerößen den Zwischenkreises zur Überwechungselektronik des Stromrichters notwendig.
Die galvanisch getrennte Übertragung analoger Meßgrößen, z.B.
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mit Trennverstärkern ist Jedoch sehr aufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Überwachungseinheit der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß eine galvanisch getrennte Überwachung von Meßwerten
des Zwischenkreises ohne analog arbeitende, potentialtrennende Koppelglieder udglich
ist.
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Erfindungsgeilß wird diese Aufgabe dadurch gelost, daß die Grenzwertgeber
mit einem Modulator verbunden sind und daß der Ausgang des Modulators über ein binäres,
potentialtrennendes Koppelglied und einen Demodulator mit einer Steuereinheit des
Stromrichters verbunden ist.
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Bei der erfindungsgeiäßen Uberwachungseinheit erfolgt eine Grenzwertüberwachung
von Meßwerten auf Zwischenkreispotential, so daß keine galvanisch getrennte Ubertragung
eines Analogsignaln erforderlich ist. Es ist lediglich ein binär arbeitendes potentialtrennendes
Koppelglied erforderlich, wobei wegen der Modulation des Signals trotzdem mehrere
Grenzwert-Signale übertragen werden kennen. Die Auswertung dieser Signale erfolgt
dann auf Bedienpotential.
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Mindestens ein Meßwert kann mit mehreren Grenzwertgebern mit gestaffelten
Grenzwerten überwacht werden. Damit ist eine Überprüfung möglich, ob ein Meßwert
innerhalb bestimmte Bereiche liegt.
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Das potentialtrennende Koppelglied kann u einfachsten ein Optokoppler
sein.
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Die Überwachungseinheit kann für einen Meßwert zwei Grenzwertgeber
enthalten, deren Grenzwerte einen Minimalwert bzw. Maxiaalwert für den Meßwert darstellen.
In vielen FEllen muß überprüft werden, ob der Meßwert, d.h.
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z.B. Zwischenkreisstrom oder Zwischenkreisspannung innerhalb eines
Sollbereichs liegt. Dazu ist die Überwaschung mit zwei Grenzwertgebern erforderlich.
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Vorteilhafterweise enthält der Modulator einen Oszillator, der freigegeben
wird, wenn der Meßwert zwischen den beiden Grenzwerten liegt, wobei der Ausgang
des Modulators auf Dauersignal geschaltet wird, wenn der MeBwert unter seinem Minimalwert
oder über seinem Maximalwert liegt.
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Im ungestörten Fall gibt der Modulator also eine Ispulsfolge ab. Damit
ist eine fehlergesicherte Ubertragung des ungestörten Betriebsfalles maglich, da
Fehler auf dem Signalübertragungsweg nahezu ausschließlich zu einem als
Störung
identifizierten Dauersignal fUhren. Es ist nahezu ausgeschlossen, daß Fehler auf
dem Übertragungsweg zwischen Modulator und Demodulator zu einer nicht beabsichtigten
Impulsfolge führen.
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Zweckmäßigerweise wird der Ausgang des Modulators auf "0 geschaltet,
wenn der Meßwert unter seinem Minimalwert liegt und auf 1" geschaltet, wenn der
Meßwert über *einem Maximalwert liegt. Danit wird en Spannungsausiall im Zwischenkreis,
der auch die Stromversorgung für die Überwachungseinheit betrifft, richtig erfaßt.
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Schaltungsmlßig läßt sich der Modulator einfach dadurch realisieren,
daß der Grenzwertgeber für den Minimalwert über eine Entkopplungsdiode mit dem RC-Glied
eines Multivibrators als Oszillator verbunden ist und daß der Grenzwertgeber für
den Maximalwert direkt mit dem Ausgang des Modulators verbunden ist. Dabei wird
das RC-Glied auf Null-Potential gehalten und damit der Oszillator blockiert, solange
der Meßwert seinen Minimalwert nicht erreicht hat. Sobald der Meßwert seinen Minimalwert
übersteigt, kann der Oszillator frei schwingen. Übersteigt der Meßwert schließlich
auch den Maximalwert, so wird der Ausgang des Modulators durch die direkte Verbindung
mit dem entsprechenden Grenzwertgeber auf Dauersignal gehalten.
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Der Demodulator kann schaltungsmäßig einfach realisiert werden, wenn
er ein erstes und ein zweites, Jeweils an einer Versorgungsspannungsquelle liegendes
RC-Glied enthält, wobei der Ausgang des potentialtrennenden Koppelgliedes über eine
erste Diode mit dem Verbindungspunkt von Widerstand und Kondensator des ersten RC-Glieds
und über einen Inverter und eine zweite Diode mit dem Verbindungspunkt von Widerstand
und Kondensator des zweiten RC-Glieds verbunden ist und wenn die genannten Verbindungspunkte
mit den Ausgängen des Demodulators verbunden
sind. Wenn dabei am
Koppelglied ein Dauersignal "0" oder "1" ansteht, so wird stets einer der beiden
Ausgänge des Demodulators ebenfalls ein "1"-Signal führen, d.h. eine Stdreldung
abgeben. Steht dagegen am Eingang des Oszillators eine Impulsfolge ausreichend hoher
Frequenz an, die den ungestörten Betrieb signalisiert, so wird sich an beiden Ausgängen
des Demodulators eine Spannung einstellen, die Jeweils nicht den vollen "1n-Pegel
erreicht.
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Damit wird im ungestörten Betriebsfall keine Störmeldung abgegeben.
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Ausführungabeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren
1 und 2 näher erläutert.
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Figur 1 zeigt schematisch einen Stromrichter mit einem Gleichrichter
Gl, dessen Gleichstromausgang ein Zwischen-Kreiskondensator K nachgeschaltet ist.
Es liegt also ein sogenannter Spannungszwischenkreis vor. Der Gleichstrom wird mit
einem Wechselrichter WR wieder in einen Wechselstrom einstellbarer Frequenz umgeformt.
Für die Funktion des Stromrichters ist die Ausgangsspannung des Gleichrichtera Gl,
also die Zwischenkrisspannung U von wesentlicher Bedeutung. Diese muß daher überwacht
werden. Dabei tritt das Problem auf, daß der Zwisohenkreis im allgemeinen nicht
geerdet ist, sondern auf Netzpotential liegt.
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Dagegen liegt eine in einer Steuereinheit St enthaltene Überwachungselektronik
für den Stromrichter auf Bodienpotential, d.h. auf Erdpotential, Es muß daher eine
galvanische Trennung zwischen einer Überwachungseinheit ftlr den Zwischenkreis und
einer Steuereinheit St vorgesehen werden. Dazu ist die Überwachungseinheit nach
Figur 1 aus zwei Teilen A, B aufgebaut. Der auf dem Potential des Zwischenkreises
liegende Teil A der Uberwachungseinheit enthält im Ausführungsbeispiel zwei Grenzwertgeber
1 und 2, die eingangsseitig mit einer Leitung des Zwischenkreises Z verbunden sind.
Dabei spricht der
Grenzwertgeber 1 an, wenn die Zwischenkreisapannung
U einen Minimalvert Urin, der zum Betrieb des Wechselrichters unbedingt erforderlich
ist, übersteigt. Der Grenzwertgeber 2 spricht an, wenn die Zwischenkreisspannung
U einen Maximalwert Umax, der nicht überschritten werden darf, erreicht. Die Ausgänge
der beiden Grenzwertgeber 1 und 2 rind mit einem noch zu erläuternden Modulator
3 verbunden, der die beiden Binärsignale in ein einziges moduliertes Binärsignal
umformt. Dieses wird potentialgetrennt Ueber zinken Optokoppler 4 auf den Teil B
der Überwachungseinheit übertragen. Zur Stromversorgung der Baugruppen des Teils
A ist eine auf dem Potential des Zwischenkreises Z liegende Hilfsstromversorgung
6 erforderlich.
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Der Teil B der Überwachungseinheit enthält einen Demodulator, der
das vom Teil B übertragene, modulierte Binärsignal wieder in zwei einzelne Binärsignale
umformt.
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Dies Binärsignale werden einer Steuereinheit St des Stromrichters
zugeführt, wobei Meldungen und - Je nachdem, ob die Zwischenkreisspannung U zu hoch
oder zu niedrig ist - zweckentsprechende Maßnahmen erfolgen.
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Eine sögliche schaltungsnäßige Realisierung für die in Figur 1 schematisch
dargestellte Überwachungseinheit wird im folgenden anhand der Figur 2 näher erläutert.
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Der Grenzwertgeber 1 ist als Operationsverstärker realisiert, dessen
nicht invertierendem Eingang die Zwischenkreisspannung U und dessen invertierendei
Eingang die für den Betrieb des Vechselrichters WR erforderliche Mindestspannung
min zugeführt ist. Am Ausgang des Operationsverstärkers 1 steht also eine positive
Spannung an, wenn die Zwischenkreisspannung U den Mindestwert Umin Ubersteigt. Der
Demodulator 3 ist in Form eines Multivibrators mit einem Operationsverstärker 3a
ausgebildet. Der
Ausgang des Operationsverstärkers 3a ist über einen
Widerstand 3d auf seinen invertierenden Eingang und Uber einen Widerstand 3e auf
seinen nicht invertierenden Eingang zurückgekoppelt. Außerdem ist dernic invertierende
Eingang über einen Widerstand 3! mit einer positiven Spannung Pl und der invertierende
Eingang über einen Kondensator 3b mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung
verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 3a ist ferner über
eine Entkopplungsdiode 3c mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 1 verbunden.
Dabei ist die Kathode der Diode 3c dem Ausgang des Operationsverstlrkers 1 zugewandt.
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Wenn man bei dieser Schaltung zunächst die Verbindung über die Entkopplungsdiode
3c außer Betracht läßt, so funktioniert sie wie ein herk8Xzlicher Multivibrator.
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Bei entladenem Kondensator 3b steht am Ausgang zunächst eine positive
Spannung an. Über den Widerstand 3d wird der Kondensator 3b aufgeladen. Sobald die
am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3a anstehende Kondensatorspannung
größer als die am nicht invertierenden Eingang anstehende Spannung wird, wird die
Ausgang spannung des Operationsverstärkers 3a negativ. Dabei entlädt sich der Kondensator
wieder, bis schließlich der nächste Umschaltpunkt erreicht ist. Die Anordnung schwingt
daher mit einer durch den Kondensator 3b und den Widerstand 3d vorgegebenen Frequenz.
Über die Diode 3c können Jedoch die Schwingungen gesperrt werden. Wenn nämlich die
Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 negativ ist, d.h. U<Umins so wird
die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3a auf einen negativen
Wert festgehalten. Daher steht am Ausgang des Operationsverstärkers 3a ein positives
Dauersignal an.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 3a ist über einen Widerstand
3g mit der Kathode der Leuchtdiode 4a eines Optokopplers 4 verbunden. An der Anode
der Leuchtdiode 4a
steht über einen Widerstand 3h eine positive
Spannung P2 an. Die Kathode der Leuchtdiode 4a ist ferner über eine Entkopplungsdiode
2a mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 2 als zweiter Grenzwertgeber verbunden.
Dabei ist die Kathode der Diode 2a dem Ausgang des Operationsverstãrkers 2 zugewandt.
Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2 steht die Zwischenkreisipannung
U und an dessen nicht invertierenden Eingang der maximal zulässige Wert Umex der
Zwischenkreisspannung U an. Wenn die Zwischenkreisspannung U ihren Maximalwert Umax
überschritten hat, so steht am Ausgang des Operationsverstärkers 2 eine negative
Spannung an.
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Es fließt daher unabhängig vom Schaltzustand des Operationsverstärkers
3a ein Strom von der positiven Spannung P2 über die L.uchtdiode 4a und die Diode
2a, der die Leuchtdiode 4a zum Leuchten bringt. Liegt dagegen die Zwischenkreisipannung
U zwischen ihrem Minimalwert Umin und UXx, SO führen die Schwingungen des Operationsverstärkere
3a zu einem periodischen Leuchten der Leuchtdiode 4a. Sobald die Zwischenkreisspannung
U unter ihren Minimaiwert Umin sinkt, werden, wie bereits erläutert, die Schwingungen
blockiert und am Ausgang des Operationsverstärkers 3a steht eine positive Spannung
an. Über die Leuchtdiode 4a fließt daher kein Strom. Der Modulator 3 erzeugt also
aus den beiden Ausgangssignalen der Grenzwertgeber 1 und 2 folgendes Signal: U<
Umin "0" Umin< U<Umax Impulsfolge max 1 Dieses Signal wird über den Optokoppler
4 potentialgetrennt auf den Teil C der Überwachungseinheit übertragen.
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Der Teil C liegt auf Erdpotential. Das von der Leuchtdiode 4a ausgesandte
Signal wird von einen Fototransistor 4b empfangen, der zwischen einer positiven
Spannung P3
und - über einen Widerstand 4c - an Massepotential
liegt.
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Der Emitter des lichtempfindlichen Transistors 4b ist mit einem Decoder
5 gekoppelt, der das über den Optokoppler 4 übertragene modulierte Signal wieder
in zwei getrennte Signale umformt. Der Demodulator 5 enthält zwei RC-Glieder 5a,
5b bzw. 5c, 5d, die Jeweils zwischen einer positiven Spannung P3 und Bezugspotential
liegen Der Emitter des Transistors 4b ist über eine Diode 5h und einen Widerstand
5i mit dem Verbindungspunkt von Widerstand 5c und Kondensator 5d sowie über einen
Inverter Se, eine Diode 5! und einen Widerstand 5g mit dem Verbindungspunkt von
Widerstand 5a und Kondensator 5b verbunden. Dabei ist Jeweils die Kathode Jeder
Diode 5f, 5h dem Transistor 4b zugewandt. Den Verbindungspunkten des Widerstands
5a mit dem Kondensator 5b und des Widerstands 5c mit dem Kondensator 5d ist Jeweils
ein Kosparator 5k bzw. 51 nachgeschaltet.
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Wenn der Optokoppler 4 ein nOn-Signal überträgt, liegt der Emitter
des Transistors 4b ebenfalls auf Null. Der Verbindungspunkt von Widerstand So und
Kondensator 5d wird daher ebenfalls auf Null-Potential gezogen, so daß das Ausgangssignal
des Komparators 51 ebenfalls Null ist.
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Dagegen wird das am Emitter des Transistors Sb anstehende wOw-Signal
durch den Inverter Se in ein "1"-Signal umgeformt. Der Kondensator Sb kann sich
daher über den Widerstand Sa aufladen, so daß am Ausgang des Komparators 5k ein
"1"-Signal ansteht. Mit diesem ?-Signal am Ausgang des Komparators 5k wird also
signalisiert, daß die Zwischenkreisspannung U unter dem Mindestwert Umin liegt.
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Wird dagegen über den Optokoppler 4 ein Dauier-"1"-Signal Ubertragen,
ao erhält der Emitter des Transistors 4b eine positive Spannung. Dadurch kann sich
der Kondensator 5d Uber den Widerstand 5c aufladen, so daß der Ausgang des Komparators
51 auf " schaltet. Mit diesen
"1"-Signal am Ausgang des Komparators
51 wird also signalisiert, daß die Zwischenkreisipannung U ihren zulässigen Wert
Uiax überschritten hat. Überträgt der Optokoppler dagegen ein gepulstes Signal,
so werden die Kondensatoren 5b und 5d periodisch über die Widerstände 5a bzw. 5c
aufgeladen und über die Widerstände 5g bzw.
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5i wieder entladen. Dabei sind die einzelnen Widerstände und die Ansprechwerte
der Komparatoren 5k und 51 so dimensioniert, daß die an den Kondensatoren 5b und
5d anstehende Spannung den Ansprechwert des Komparators 5k bzw. 51 nicht erreicht,
falls die Pulsfrequenz des übertragenen Signals genügend hoch ist, d.h. die Kondensatoren
Sb und 5d genügend oft entladen werden. Die Widerstände 5a, 5c, 5g, 5i und die Kondensatoren
5b und Sd müssen daher an die Impuls frequenz des übertragenen Signals, d.h. an
die Frequenz des Demodulators 3 angepaßt werden.
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Der Demodulator 5 liefert also am Ausgang des Konparators 5k ein "1"-Signal,
wenn die Spannung U kleiner als ihr Minimalwert Umin ist, am Ausgang des Komparators
51 ein "1 " Signal, wenn die Zwischenkreisspannung U ihren Maximalwert Umax überschreitet
und kein Signal, wenn störungsfreier Betrieb vorliegt, d.h. die Zwischenkreisspannung
U zwischen Umin und Umax liegt. Mit dem Demodulator 4 wurde also das einzelne, über
einen einzelnen Optokoppler 4 übertragene Signal in zwei getrennte, unterschiedliche
Informationen beinhaltende Signale umgeformt. Die entsprechenden Signale können
in einer Steuereinheit St des Stromrichters geeignete Maßnahmen auslösen, beispielsweise
den Stromrichter abschalten, oder durch Eingriff auf einen Regler die Zwischenkreisspannung
absenken.
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Bei der hier gewählten Übertragungsart ist es praktisch unmöglich,
daß ein Fehler im Übertragungsweg zum Ausfall einer Störmeldung führt. Vom Demodulator
5 wird, wie beschrieben, eine Impulafolge mit einer bestimmten Mindesttrequenz als
stbrungstreier Betrieb ausgewertet.
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Es ist Jedoch nahezu unmöglich, daß durch einen Fehler im Übertragungsweg
eine derartige Impulsfolge entsteht, ohne daß die Zwischenkreinspannung U tatsächlich
ii erlaubten Bereich zwischen Umin und max liegt. Fehler im Übertragungsweg werden
vielmehr zu einem Dauersignal führen, das - egal ob auf "0"- oder Pegel - stets
zu einer Störmeldung führt. Derartige Fehler führen also stets zu einer Störmeldung
mit entsprechenden Maßnahmen, sie liegen also in der sicheren Richtung.
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Bei der als Ausführungsbeispiel beschriebenen Schaltungsanordnung
wird die Zwischenkreisspannung Uberwacht, da der Zwischenkreis eine eingeprägte
Spannung aufweist.
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Bei einem Zwischenkreis mit eingeprägtem Strom wird man selbstverständlich
in äquivalenter Weise anstelle der Zwischenkreisspannung den Zwischenkreisstrom
überwachen.
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Die beiden Grenzwertgeber 1 und 2 könnten auch verschiedene Meßwerte,
beispielsweise Zwischenkreisstrom und Zwischenkreisspannung überwachen, allerdings
dann nur Jeweils bezüglich eines Grenzwerts. An den Ausgängen der Komparatoren 5k
und 51 würden dann die entsprechenden Meldungen anstehen.
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Eine Überwachungsschaltung mit mehr als zwei Grenzwertgebern ist möglich,
wenn der Modulator 3 beispielsweise in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der
Grenzwertgeber Signale unterschiedlicher Frequenzen abgibt. Das kann man z.B. durch
Beeinflußung der Zeitkonstante eines Multivibrators erreichen. Eine solche Beeinflußung
kann man beispielsweise durch Ankopplung der Grenzwertgeber an das frequenzbestiemende
RC-Glied des Multivibrators über Widerstände erreichen.