DE3710799A1 - Stoerungsdetektor fuer eine gleichstromkondensatorschaltung - Google Patents

Stoerungsdetektor fuer eine gleichstromkondensatorschaltung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Störungsdetektor zum Feststellen von Störungen in einer Gleichstromkondensatorschaltung, die in einer Wechselrichterschaltung enthalten ist, die einen Gleichstrom in einen Wechselstrom über Halbleiterbauelemente umwandelt.
Im allgemeinen sind ein interner Kurzschluß und ein Kapazitätsabfall aufgrund der zeitlichen Alterung die wahrscheinlichsten Störungen bei einem Gleichstromkondensator. Der interne Kurzschluß des Kondensators bewirkt eine Änderung der Gleichspannung der Wechselrichterschaltung, so daß Wechselrichterschaltungen mit Schmelzsicherungen versehen sind, um die zugehörigen Geräte und Schaltungen zu schützen.
In Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung ist ein Schaltbild einer Störungsdetektorschaltung zum Feststellen von Störungen bei einem Gleichstromkondensator eines Wechselrichters dargestellt, wie sie in "Electric Power and Railroad", Bd. 28, Nr. 6 (278), S. 29 bis 31 beschrieben ist. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt diese bekannte Wechselrichterschaltung 8 Gleichstromkondensatoren 1 und 2, die in Reihe geschaltet sind, Spannungsteilerwiderstände 3 und 4, die die jeweiligen Spannungen der Gleichstromkondensatoren 1 und 2 gleichmachen, Schmelzsicherungen 5, die durchschmelzen und den Schaltkreis unterbrechen, wenn ein Gleichstromkondensator 1 und/oder 2 kurzgeschlossen wird, Detektoren 6 für das Durchschmelzen der Sicherungen und Gleichstromleitungen 7 der Wechselrichterschaltung 8. Diese Wechselrichterschaltung 8 umfaßt eine Vielzahl von Schaltungskomponenten, von denen jede als Hauptbauteile die Gleichstromkondensatoren 1 und 2 und die Schmelzsicherung 5 umfaßt, die parallel zu den Gleichstromleitungen 7 geschaltet sind.
Im Folgenden wird die Arbeitsweise dieser bekannten Wechselrichterschaltung 8 beschrieben. Im normalen Zustand, in dem die Gleichstromkondensatoren 1 und 2 nicht kurzgeschlossen sind, arbeiten die Detektoren 6 für das Durchschmelzen der Sicherung nicht. Es sei nun angenommen, daß einer der Gleichstromkondensatoren 1 oder 2 einen Kurzschluß hat. Dann liegt die Spannung der Leitungen 7, nämlich eine Spannung, die doppelt so hoch wie die normale Spannung ist, am anderen Gleichstromkondensator. In einigen Fällen überschreitet diese abnorme Spannung die Nennspannung des Gleichstromkondensators, was dann wiederum dazu führen kann, daß dieser Gleichstromkondensator kurzgeschlossen wird und somit ein Überstrom durch die Gleichstromkondensatoren 1 und 2 und die Schmelzsicherung 5 fließt, so daß die Sicherung 5 durchschmilzt und den Schaltkreis unterbricht. Dann nimmt der Detektor 6 der Wechselrichterschaltung 8 das Durchschmelzen der Sicherung 5 wahr.
Da der herkömmliche Störungsdetektor zum Feststellen von Störungen in einer Gleichstromkondensatorschaltung in dieser Weise aufgebaut ist, vergeht eine Zeitspanne von einigen 10 Millisekunden bis einigen 100 Millisekunden ab dem Zeitpunkt des Kurzschlusses der Leitungen 7 der Wechselrichterschaltung 8, bevor der Detektor 6 verzögert den Kurzschluß der Gleichstromleitungen 7 wahrnimmt. Der herkömmliche Störungsdetektor ist daher nicht in der Lage, sofort eine derartige Störung wahrzunehmen.
Der obenbeschriebene herkömmliche Störungsdetektor ist darüberhinaus so ausgelegt, daß er nur den internen Kurzschluß eines Gleichstromkondensators wahrnimmt, so daß er nicht in der Lage ist, mit anderen Störungen, nämliche einer Änderung der Kapazität der Gleichstromkondensatorschaltung umzugehen, die der zeitlichen Alterung zuzuschreiben ist.
Durch die Erfindung soll daher ein Störungsdetektor zum Wahrnehmen von Störungen in Gleichstromkondensatoren geschaffen werden, der sofort einen nicht normalen Zustand einer Gleichstromkondensatorschaltung, beispielsweise einen internen Kurzschluß, wahrnehmen kann und mit einer internen Abweichung vom normalen Zustand der Gleichstromkondensatorschaltung umgehen kann.
Durch die Erfindung soll insbesondere ein Störungsdetektor zum Feststellen von Störungen in Gleichstromkondensatoren geschaffen werden, der andere Hauptabweichungen vom internen normalen Zustand als den Kurzschluß der Gleichstromkondensatoren einschließlich einer Änderung in der Kapazität der Gleichstromkondensatoren wahrnehmen kann.
Dazu umfaßt der erfindungsgemäße Störungsdetektor für eine Gleichstromkondensatorschaltung eine Vergleichseinrichtung, die das Potential am Verbindungspunkt von in Reihe geschalteten Kondensatoren mit dem Potential am Verbindungspunkt weiterer in Reihe geschalteter Kondensatoren der gleichen Gleichstromkondensatorschaltung vergleicht.
Im Folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 das Schaltbild eines Störungsdetektors zum Feststellen von Störungen in Gleichstromkondensatoren, die in einem Wechselrichter oder einer ähnlichen Schaltung enthalten sind,
Fig. 2 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Störungsdetektors zum Feststellen von Störungen in Gleichstromkondensatoren,
Fig. 3 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Störungsdetektors zum Feststellen von Störungen in einer Gleichstromkondensatorschaltung und
Fig. 4 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Störungsdetektors zum Feststellen von Störungen in einer Gleichstromkondensatorschaltung.
In Fig. 2 sind in Reihe geschaltete Gleichstromkondensatoren 11 a und 12 a, in Reihe geschaltete Gleichstromkondensatoren 11 b und 12 b, Spannungsteilerwiderstände 13 a und 14 a, die die Spannungen der Gleichstromkondensatoren 11 a und 12 a gleichmachen, Spannungsteilerwiderstände 13 b und 14 b, die die Spannungen der Gleichstromkondensatoren 11 b und 12 b gleichmachen, ein Komparator 15, der das Potential am Verbindungspunkt a der Gleichstromkondensatoren 11 a und 12 a und das Potential am Verbindungspunkt b der Gleichstromkondensatoren 11 b und 12 b vergleicht, ein Differentialverstärker 16, nämlich das Hauptbauteil des Komparators 15, Widerstände 17 a und 17 b, die mit den Eingängen des Differentialverstärkers 16 verbunden sind, ein Rückkopplungswiderstand 18 für den Differentialverstärker 16 und ein Fensterkomparator 19 dargestellt, der bestimmt, ob das Ausgangssignal des Differentialverstärkers größer als ein Bezugspotential ist oder nicht. Der Komparator 15 und der Fensterkomparator 19 bilden eine Vergleichseinheit 20.
Im Folgenden wird die Arbeitsweise des in dieser Weise ausgebildeten Störungsdetektors beschrieben. Der Potentialunterschied zwischen dem Verbindungspunkt a der in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren 11 a und 12 a und dem Verbindungspunkt b der in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren 11 b und 12 b beträgt einige Volt oder weniger, wenn die Gleichstromkondensatoren normal arbeiten. Es sei nun angenommen, daß der Gleichstromkondensator 11 a einen Kurzschluß hat. Dann ist der Potentialunterschied V a -V b , d. h. der Unterschied zwischen der Spannung V a des Verbindungspunktes a und der Spannung V b des Verbindungspunktes b annähernd gleich der Hälfte der Spannung V E , die an der Schaltung liegt, nämlich annähernd gleich V E /2. Dann erzeugt der Differentialverstärker 16 eine dem Potentialunterschied entsprechende Spannung und stellt der Fensterkomparator 19 die Störung des Gleichstromkondensators fest.
Der Potentialunterschied V a -V b nimmt auch dann zu, wenn die Kapazität eines der Gleichstromkondensatoren 11 a, 12 a, 11 b und 12 b sich bezeichnend aufgrund einer zeitlichen Alterung ändert. Auch dann erzeugt der Differentialverstärker 16 eine Spannung, über die die Störung des Gleichstromkondensators festgestellt werden kann.
Da der Störungsdetektor den Fensterkomparator 19 als Vergleichseinrichtung zum Feststellen einer Störung über einen Vergleich des Ausgangssignals des Differentialverstärkers 16 mit einem festen Bezugspotential verwendet, kann der Störungsdetektor sicher eine Störung in irgendeinem der Gleichstromkondensatoren 11 a, 12 a, 11 b und 12 b feststellen.
Im obigen wurde ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Störungsdetektors beschrieben, an dem viele Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können.
Obwohl im obigen der erfindungsgemäße Detektor bei seiner Anwendung bei einer Gleichstromkondensatorschaltung beschrieben wurde, die eine Parallelschaltung von zwei in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren 11 a und 12 a und zwei in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren 11 b und 12 b umfaßt, ist der erfindungsgemäße Detektor auch bei einer Gleichstromkondensatorschaltung anwendbar, die eine Parallelschaltung von mehreren Gruppen von drei in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren umfaßt.
Weiterhin kann statt des Differentialverstärkers 16 ein Isolierverstärker verwandt werden, um den Unterschied zwischen der Spannung V a am Verbindungspunkt a und der Spannung V b am Verbindungspunkt b wahrzunehmen.
Schließlich kann statt des Fensterkomparators 19 auch ein Pegelkomparator verwandt werden, um das Ausgangssignal des Komparators 15 mit dem Bezugspotential für die Fehlerfeststellung in den Gleichstromkondensatoren zu vergleichen.
Bei dem obigen in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel waren die in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren 11 b und 12 b parallel zu den jeweils in Reihe geschalteten Gruppen von Schaltungselementen 11 a und 12 a, 13 a und 14 a und 13 b und 14 b geschaltet. Die erfindungsgemäße Ausbildung ist darauf jedoch nicht beschränkt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 3 dargestellt ist, ist die Reihenschaltung der Gleichstromkondensatoren 11 b und 12 b durch eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen 23 b und 24 b ersetzt. Es ist auch möglich, den Spannungsunterschied zwischen einer Spannung V b am Verbindungspunkt b der Widerstände 23 b und 24 b und einer Spannung V a am Verbindungspunkt a der Gleichstromkondensatoren 21 a und 22 a wahrzunehmen. In Fig. 3 ist weiterhin ein Isolierverstärker 26 dargestellt. Im übrigen sind in Fig. 2 und 3 entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung verwenden einen Differentialverstärker 16 oder einen Isolierverstärker 26 jeweils. Die erfindungsgemäße Ausbildung ist jedoch auf keines dieser Ausführungsbeispiele beschränkt. Der Verbindungspunkt a der in Reihe geschalteten Schaltungsbauelemente und der Verbindungspunkt b der in Reihe geschalteten Schaltungsbauelemente können in der in Fig. 4 dargestellten Weise bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung über einen Komparator 30 miteinander verbunden sein, der einen Gleichstromtransformator 31 und einen Widerstand 32 umfaßt. Bei dieser Schaltung wird ein Potentialunterschied V a -V b zwischen den Verbindungspunkten a und b dann wahrgenommen, wenn eine Störung in der Gleichstromkondensatorschaltung auftritt. In den Fig. 2 und 4 sind gleiche oder entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Aus dem obigen ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Störungsdetektor zum Feststellen von Störungen in Gleichstromkondensatoren eine Vergleichseinheit umfaßt, die mit den Verbindungspunkten der in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren verbunden ist, um den Potentialunterschied zwischen den Verbindungspunkten mit einem Bezugswert zu vergleichen, wobei der Störungsdetektor in der Lage ist, sofort Störungen wie beispielsweise einen internen Kurzschluß und eine Änderung der Kapazität bei einem der in Reihe und parallel geschalteten Gleichstromkondensatoren festzustellen. Der erfindungsgemäße Störungsdetektor eignet sich daher in ausgezeichneter Weise für die schnelle Feststellung von Störungen in Gleichstromkondensatoren und insbesondere für die Feststellung der Beeinträchtigung der Arbeit der Gleichstromkondensatoren, die einer zeitlichen Alterung zuzuschreiben ist.

Claims (15)

1. Störungsdetektor zum Feststellen von Störungen in einer Gleichstromkondensatorschaltung mit einer Vielzahl von parallel geschalteten Kondensatorschaltkreisen, von denen jeder in Reihe geschaltete Gleichstromkondensatoren aufweist, um eine Spannungsschwankung zu unterdrücken, wobei die Gleichstromkondensatorschaltung in einer Gleichstromwechselrichterschaltung enthalten ist, die Halbleiterbauelemente zum Umwandeln eines Gleichstromes in einen Wechselstrom verwendet, gekennzeichnet durch eine Vergleichseinrichtung (20, 30), die mit den Verbindungspunkten (a, b) der in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren (11 a, 11 b, 12 a, 12 b) der parallel geschalteten Kondensatorschaltkreise verbunden ist und den Potentialunterschied zwischen den jeweiligen Verbindungspunkten (a, b) der jeweils in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren (11 a, 11 b, 12 a, 12 b) der parallel geschalteten Kondensatorschaltkreise vergleicht.
2. Störungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (20) den Potentialunterschied zwischen den jeweiligen Verbindungspunkten (a, b) der jeweils in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren (11 a, 11 b, 12 a, 12 b) der parallel geschalteten Kondensatorschaltkreise mit einem bestimmten Bezugspotential vergleicht.
3. Störungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (20) eine Komparatorschaltung (15) zum Vergleichen des Potentials der Verbindungspunkte (a, b) der in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren (11 a, 11 b, 12 a, 12 b) der parallel geschalteten Kondensatorschaltkreise der Gleichstromkondensatorschaltung und eine Vergleichs- und Detektorschaltung umfaßt, die das Ausgangssignal der Komparatorschaltung (15), nämlich den Potentialunterschied zwischen den Verbindungspunkten (a, b) der in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren (11 a, 11 b, 12 a, 12 b) mit einem bestimmten Bezugspotential vergleicht.
4. Störungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung (15) einen Differentialverstärker (16) umfaßt, an dem die Potentiale der Verbindungspunkte (a, b) der in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren (11 a, 11 b, 12 a, 12 b) der Kondensatorschaltkreise über Eingangswiderstände (17 a, 17 b) liegen und der ein Ausgangssignal liefert, das dem Potentialunterschied zwischen den Verbindungspunkten (a, b) der in Reihe geschalteten Gleichstromkondensatoren (11 a, 11 b, 12 a, 12 b) der Kondensatorschaltkreise entspricht.
5. Störungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- und Detektorschaltung ein Fensterverstärker (19) ist, der den Wert seines Ausgangssignals ändert, wenn das Eingangssignal, d. h. das Ausgangssignal der Komparatorschaltung (15) das bestimmte Bezugspotential überschreitet.
6. Störungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- und Detektorschaltung ein Fensterkomparator (19) ist.
7. Störungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- und Detektorschaltung ein Pegeldetektor ist, der positive und negative Pegel vergleicht und wahrnimmt.
8. Störungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (30) in einer Leitung vorgesehen ist, die die jeweiligen Verbindungspunkte (a, b) von in Reihe geschalteten Schaltungsbauelemente (11 a-14 a) einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Gruppen von Schaltungsbauelementen verbindet, und einen Gleichstromtransformator (31) aufweist, der den Potentialunterschied zwischen den Verbindungspunkten (a, b) wahrnimmt.
9. Störungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (30) in einer Leitung vorgesehen ist, die die jeweiligen Verbindungspunkte (a, b) von in Reihe geschalteten Schaltungsbauelementen (11 a-14 a) einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Gruppen von Schaltungsbauelementen verbindet, und einen Gleichstromtransformator (31), der den Potentialunterschied zwischen den Verbindungspunkten (a, b) wahrnimmt, und einen Fensterkomparator (19) umfaßt, der den durch den Gleichstromtransformator wahrgenommenen Potentialunterschied mit einem bestimmten Bezugspotential vergleicht.
10. Störungsdetektor zum Feststellen von Störungen in Gleichstromkondensatorschaltungen, gekennzeichnet durch eine Parallelschaltung, die eine Vielzahl von Reihenkondensatorschaltkreisen jeweils mit einer Vielzahl von Gleichstromkondensatoren (11 a-12 b) zum Unterdrücken einer Spannungsschwankung und eine Vielzahl von Reihenspannungsteilerwiderstandsschaltkreisen jeweils mit einer Vielzahl von Spannungsteilerwiderständen (13 a-14 b) zum Nivellieren des Potentialunterschiedes zwischen den einzelnen Gleichstromkondensatoren (11 a-12 b) umfaßt und die mit der Gleichstromseite eines Wechselrichters verbunden ist, der Halbleiterbauelemente verwendet, und eine Vergleichseinrichtung (20, 30), die mit den parallel geschalteten Schaltkreisen verbunden ist, um den Potentialunterschied zwischen zwei Leitungen zu vergleichen, die mit den jeweiligen Verbindungspunkten der Gleichstromkondensatoren (11 a-12 b) der Reihenkondensatorschalkreise und den jeweiligen Verbindungspunkten der Spannungsteilerwiderstände (13 a-14 b) der Reihenspannungsteilerschaltkreisen derselben beiden Gruppen von Reihenkondensatorschaltkreisen und Reihenspannungsteilerwiderstandskreisen jeweils verbunden sind.
11. Störungsdetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (20) eine Komparatorschaltung (15), die die jeweiligen Potentiale der beiden Leitungen vergleicht, die mit den jeweiligen Verbindungspunkten der Gleichstromkondensatoren (11 a-12 b) der Reihenkondensatorschaltkreise der beiden gleichen Gruppen verbunden sind, und eine Vergleichs- und Detektorschaltung umfaßt, die den Potentialunterschied zwischen den beiden Gruppen, nämlich das Ausgangssignal der Komparatorschaltung (15) und ein bestimmtes Potential vergleicht.
12. Störungsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung (15) einen Differentialverstärker (16) umfaßt, an dem die jeweiligen Potentiale der Leitungen liegen, die mit den jeweiligen Verbindungspunkten der beiden Gruppen verbunden sind, und der den Potentialunterschied über jedem Reihenschaltkreis liefert.
13. Störungsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung (15) einen Isolierverstärker (26) umfaßt, an dem die Potentiale der jeweiligen Verbindungspunkte der beiden Gruppen liegen.
14. Störungsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- und Detektorschaltung ein Fensterkomparator (19) ist.
15. Störungsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- und Detektorschaltung ein Fensterkomparator (19) ist, der den Pegel seines Ausgangssignals verändert, wenn der Pegel des Ausgangssignals der Komparatorschaltung (15), das daran anliegt, sich über einen erlaubten Änderungsbereich auf beiden Seiten eines bestimmten Bezugssignals hinaus ändert.
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