DE4232476A1 - Vorrichtung zur Drehstromnetzüberwachung auf Unterspannung und Phasenausfall - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Drehstrom­ netzüberwachung auf Unterspannung und Phasenausfall, wo­ bei jede Phase eigens überwacht und die Form der einzelnen Halbwellen erfaßt und ausgewertet wird.

Mit einer derartigen Vorrichtung können Schäden an elektri­ schen Anlagen vermieden werden. Dabei ist ein rechtzeitiges Erkennen erforderlich, um geeignete Maßnahmen zu treffen, beispielsweise einen hierdurch gefährdeten Verbraucher abzuschalten. Vorrichtungen dieser Art wurden bisher mit einem erheblichen Aufwand von Bauelementen realisiert, wobei jede dieser Vorrichtungen speziell für die Erforder­ nisse der Anwendungen hergestellt werden mußten. Eine für einen jeweiligen Benützer individuell hergestellte Vor­ richtung zur Drehstromnetzüberwachung war somit sehr auf­ wendig und führte zu hohen Kosten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Dreh­ stromnetzüberwachung der eingangs genannten Art derart aus­ zugestalten, daß mit wenigen Bauelementen eine kostengünsti­ ge Realisierung und ein universeller Einsatz möglich ist, wobei ein Phasenfehler bzw. das Auftreten einer Unter­ spannung unterhalb eines vorgebbaren Betrages sicher und schnell erkannt und weitere Maßnahmen eingeleitet werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer eingangs genannten Vorrichtung zur Überwachung eines Drehstromnetzes mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird für die Erfassung und Auswertung sämtlicher Phasen ein einziger IC-Baustein verwendet, dem die Netzinformationen über eine Einrichtung zur Leitungsspannungsreduzierung zugeführt werden. Dabei ist im IC-Baustein eingangsseitig eine Überspannungs- und Verpolungsschutzschaltung vorgesehen, an dessen Ausgang für alle Phasen sowohl für die positiven als auch für die negativen Halbwellen die Phasenlage und die Leitungsspannungen mit Hilfe eines im IC-Baustein be­ findlichen Komparators mit einer jeweils vorgegebenen Schwellenspannung verglichen wird. Dazu ist ein extern angeordnetes Einstellglied am IC-Baustein angeschlossen, mit dessen Hilfe die gewünschte Unterspannungsschwelle zwischen 60% und 95% einstellbar ist. Diese untere Schwelle kann beispielsweise 95% der Nennspannung betragen. Auch bei kleineren Überspannungen im Bereich von 5% bis 100% der Nennspannung ist nach gleichem Prinzip die Möglichkeit einer Erkennung gegeben.

Darüber hinaus ist im IC-Baustein eine Zeitverzögerungs­ einrichtung vorgesehen, die mittels eines weiteren Ein­ stellgliedes, welches extern angeordnet ist, beeinflußt werden kann, um die Ansprechempfindlichkeit der Über­ wachungsvorrichtung einzustellen.

Die Fehlermeldung für Unterspannung und Phasenausfall stehen entweder getrennt oder logisch verknüpft am Ausgang des IC-Bausteins an, und dienen so als Steuersignal für die einzuleitenden Maßnahmen. Beispielsweise kann mittels einer Relaisschaltung potentialfrei das Abschalten eines Verbrauchers ausgelöst werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß der IC-Baustein als ein universell einsetzbarer Baustein gefertigt werden kann, und daß dennoch die individuellen Kundenwünsche berücksichtigt werden können, weil entspre­ chende Einstellglieder und Netzanpassungseinrichtungen vorgesehen sind.

Zweckmäßigerweise kann für die Netzinformation auch bzw. den Netzabgriff die Einrichtung zur Leitungsspannungsredu­ zierung von einem Mehrphasen-Transformator, der beispiels­ weise im IC-Sockel integriert sein kann, oder von einer Spannungsteileranordnung gebildet sein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im IC-Baustein ein Überspannungsschutz angeordnet, der eine Zerstörung durch zu hohe Spannungen verhindert. Zu diesem Zweck sind beispielsweise rückwärts gepolte Zenerdioden vorgesehen. Für die Stromversorgung des IC- Bausteins ist im IC eine Konstantspannungsquelle integriert, die ein absolutes Vergleichen der Spannungen erlaubt. Zweckmäßigerweise ist der IC-Baustein ausgangsseitig auch kurzschlußgeschützt. Dafür ist ein Leistungsschalttran­ sistor, z. B. SIPMOS, im IC-Baustein vorgesehen, dem eine Gate-Source-Begrenzung vorgeschaltet ist.

Die Zeitverzögerungseinrichtung ist zweckmäßigerweise im IC-Baustein von einem Timer gebildet, der ein Sägezahn­ generator sein kann, dessen externes Einstellglied einen entsprechenden Kondensator und ein Potentiometer aufweist, über das die Referenzspannung für die Zeitbasis ent­ sprechend der gewünschten Ansprechempfindlichkeit ein­ stellbar ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Vorrichtung, d. h. der IC-Baustein, weitere Elektronikausgänge aufweisen, an denen getrennt für jede Phase die Signale für Über- und Unterspannung sowie Phasenausfall anstehen, wobei über ein weiteres Verzögerungsglied unterschiedliche Ansprech­ zeiten einstellbar sind. Dabei ist es auch möglich, das Auftreten von Unter-/Überspannung bzw. Phasenausfall mit dafür vorzusehenden Einrichtungen anzuzeigen bzw. zu protokollieren.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild für den prinzipiellen Aufbau des IC-Bausteins und

Fig. 2 eine mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung.

Die Netzinformation des Drehstromnetzes L1, L2, L3 wird über einen Dreiphasen-Transformator TR abgegriffen und in hier nicht näher dargestellter Weise auch die Stromversorgung für den IC-Baustein, was mit der Zuführung der Betriebs­ spannung UBB angedeutet ist, genutzt. Die zu prüfende Netzspannung für den IC Baustein kann zweckmäßigerweise zwischen 20 und 30 Volt betragen, beispielsweise 24 AC. Die Meßgrößen für die Unterspannungen USP und Phasenausfall PHA werden mittels einer Drehstrombrücke aus den positiven und negativen Halbwellen PHW und NHW jeder Phase durch Filter F gewonnen und durch den Vergleich mittels Komparatoren KO und einer definierten Schwelle, Pegel für Unterspannungs­ schwelle UTP, der mit dem Einstellglied EGU einstellbar ist, ausgewertet. Durch logische Verknüpfung und Weiter­ leitung der Signale für Unterspannung USP und Phasenausfall PHA über Verzögerungsglieder VG1, dessen Verzögerungszeit über ein Einstellglied EGV1 entsprechend der gewünschten Ansprechempfindlichkeit eingestellt wird, wird ein Steuersignal STS erzeugt, das vom Ausgang OUT des IC-Bausteins IC auf ein Relais REL führt. Dabei kann mittels eines logischen Verknüpfungsgliedes LVG, das im IC-Baustein angeordnet ist, das Signal für die Unterspan­ nung und den Phasenausfall getrennt oder unverknüpft an­ stehen, je nach dem, wie das logische Verknüpfungsglied ausgestaltet ist. In Bild 1 sind des weiteren noch eine Reihe von Elektronikausgängen EA1 bis EA6 angedeutet, an denen getrennt die Signale für Unterspannung USP-S und Phasenausfall PHA-S je Phase ebenfalls zeitverzögert herausgeführt sind. Für die Einstellung der Verzögerungs­ glieder VG2 sind weitere externe Einstellglieder EGV2 vorgesehen. Die einstellbare Verzögerungszeit kann bei­ spielsweise von einer Millisekunde bis zehn Sekunden zur Herabsetzung der Empfindlichkeit nach erkanntem Fehler betragen.

In Fig. 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der er­ findungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Der IC-Baustein IC ist mit einer Betriebsspannung UBB versorgt und weist eine Signalauswertung SAW und einen Timer T auf. Die vom Dreh­ stromnetz L1, L2, L3 abgegriffenen Spannungen werden über einen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R1 bis R6, dem IC-Baustein über die Eingänge IN1 bis IN3 und MP zugeführt. Im IC-Baustein ist ein elektrostatischer Entladungsschutz ESD vorgesehen, über den die Eingangs­ signale zur Signalauswertung SAW gelangen. Die dafür vor­ gesehenen Zenerdioden, in der Figur nicht eigens darge­ stellt, sind in Rückwärtsrichtung gepolt, so daß eine Pegelverschiebung PV notwendig ist, die mit dem bereit­ gestellten Potential am IC-Eingang MP erreicht wird. Zur Einstellung der der zu detektierenden Unterspannungs­ schwelle, die im Bereich von 0,6 bis 0,95 der Nennspannung liegen soll, ist hier eine Pegelumsetzung PU vorgesehen, an dessen Eingang der einzustellende Unterschwellenpegel UTP gelangt. Das hierfür erforderliche Einstellglied EGU ist in diesem Ausführungsbeispiel von der Reihenschaltung eines Potentiometers Rp1 und einem Festwiderstand Rf gebildet. Für das Einstellen der Verzögerungszeit ist im IC-Baustein IC ein Timer T vorgesehen, der zur Erzeugung einer Zeit­ basis einen Sägezahngenerator aufweist. Die maximale Periodendauer dieses Sägezahngenerators wird durch den externen Kondensator CT bestimmt, der kann bei einer Sekunde Verzögerung beispielsweise 200 nF betragen. Über den Spannungsabgriff des externen Potentiometers Rp2 wird die Verzögerungszeit eingestellt. Das Potentiometer Rp2 und der Kondensator CT bilden mit der entsprechenden Anschal­ tung am IC-Baustein das Einstellglied EGV1.

In der Signalauswertung SAW werden die Eingangssignale ausgewertet. Dabei sind pro Phase zwei Komparatoren erforderlich, die die Meßsignale mit der eingestellten Schwelle vergleichen. Die Signalauswertung weist zur Auswertung der Komparatorsignale beispielsweise zwei NOR- und ein NAND-Gatter auf. Die Ausgänge der Komparatoren werden für positive und negative Schwellen getrennt mit einem Dreifach-NOR-Gatter verarbeitet. Durch eine an­ schließende Verknüpfung mit einem NAND-Gatter werden die sechs Komparatorsignale, die in diesem Fall bei einem Dreiphasen-System anstehen, in einer hier nicht darge­ stellten Weise verknüpft.

Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist noch wesentlich, daß der Steuersignalausgang AUT kurzschlußfest ist. Dazu wird der Leistungsausgang AUT des Leistungsschalttransistors LST des IC-Bausteins IC kontinuierlich überwacht. Bei diesem Ausführungsbeispiel arbeitet der Leistungsschalt- Transistor als Source-Folger, so daß zur Ausnützung seines niedrigen ON-Widerstands ein Gate-Potential erforderlich ist, das über der Versorgungsspannung liegt. Diese wird über eine Ladungspumpe LP der Gate-Source-Begrenzung GSB zugeführt. Des weiteren wird der Leistungsschalttransistor zur schnellen Abkommutierung infolge induktiver Lasten bei einer Ausgangsspannung von beispielsweise -16 Volt einge­ schaltet. Der IC-Baustein IC weist noch einen Resetanschluß RES auf, an dem durch einen Ein-Taster der Leistungsschalt- Transistor LST rausgeschaltet werden kann.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Drehstromnetzüberwachung auf Unter­ spannung (USP) und Phasenausfall (PHA), wobei jede Phase eigens überwacht und die Form der einzelnen Halb­ wellen (positiv, negativ) erfaßt und ausgewertet wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) für die Erfassung und Auswertung sämtlicher Phasen (L1, L2, L3) ist ein einziger IC-Baustein (IC) vorgesehen;
• b) die Netzinformation ist über eine Einrichtung zur Leitungsspannungsreduzierung (LUR) an die Eingänge (IN1, IN2, IN3, N) des IC-Bausteins (IC) geführt;
• c) der IC-Baustein (IC) weist eingangsseitig einen Über­ spannungs- und Verpolungsschutz (ÜS) auf;
• d) an den im MIC-Baustein (IC) befindlichen Komparatoren (KO) ist mittels eines extern angeordneten Einstellgliedes (EGU) der Pegel für die Unterspannungsschwelle (UTP) einstellbar;
• e) über eine in IC-Baustein (IC) befindliche Zeitver­ zögerungseinrichtung (VG1) ist mittels eines weiteren externen Einstellgliedes (EGV1) die Ansprechempfindlichkeit der Überwachungsvorrichtung einstellbar;
• f) die Signale für Unterspannung (USP) und Phasenausfall (PHA) stehen entweder getrennt oder logisch verknüpft (LVG) am Ausgang (OUT) bzw. an den Ausgängen (EA1 bis EA6) des IC-Bausteins (IC) an.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Leitungsspannungsreduzierung (LUR) von einem Mehrphasen-Transformator (TR) oder einzelnen Trans­ formatoren gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ richtung zur Leitungsspannungsreduzierung (LUR) von einer Spannungsteileranordnung (Widerstände R1 bis R6) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Über­ spannungs- und Verpolungsschutz (ÜS) einen elektro­ statischen Entladungsschutz (ESD) mit rückwärts gepolten Zenerdioden und eine Pegelverschiebung (PV) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Signal­ ausgang (OUT) des IC-Bausteins (IC) kurzschlußgeschützt ausgelegt ist, wobei der hierfür vorgesehene Leistungs­ schalttransistor (LST) des IC-Bausteins (IC) eine Gate- Source-Begrenzung (GSB) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerungseinrichtung (VG) von einen im IC-Baustein (IC) befindlichen Timer (T) gebildet ist, dessen externes Einstellglied (EGV1) einen Kondensator (CT) und ein Potentiometer (Rp2) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß das Auftreten von Unterspannungen (USP) und Phasen­ ausfall (PHA) mit dafür vorgesehenen Einrichtungen ange­ zeigt bzw. protokolliert wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Steuersignal (STS) über ein Schaltmittel (RES) der Verbraucher abschaltbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im IC- Baustein (IC) weitere, extern getrennt einstellbare Ver­ zögerungseinrichtungen (VG2, . . . ) vorgesehen sind, wobei die über diese Verzögerungseinrichtung geführten Signale als Unterspannungssignale (USP-S) und Phasenausfallsignale (PHA-S) an weiteren Ausgängen (EA1, 2, 3 . . . ) des IC-Bau­ steins (IC) anstehen.