DE4328630C2 - Verfahren zur Detektion des Nulldurchganges der Grundwelle periodischer, Frequenzschwankungen unterworfener Wechselspannungen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion des Nulldurchganges der Grundwelle periodischer Frequenzschwankungen unterworfener Wechselspannungen, bei dem das Übertragungsverhalten von Filterkreisen im Resonanzbereich ausgenutzt wird, und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.

Es ist allgemein bekannt, elektrische Signale über Tief- oder Hochpässe, d. h. Bandpaßschaltungen, zu filtern bzw. zu übertragen.

Eine solche Bandpaßschaltung hat durch Auswahl ihrer RC-Glieder jeweils eine definierbare und festlegbare Resonanzfrequenz, die das beste Übertragungsverhalten zwischen Ein- und Ausgangsspannung bei dieser Frequenz bewirkt. Dabei tritt allerdings auch eine Phasenverschiebung zwischen Ein- und Ausgangsspannung oder -signal bei sonst identischem Kurvenverlauf auf. Dies geht z. B. aus "Taschenbuch Elektrotechnik" von E. Phillipow, Bd. 5, Carl-Hanser-Verlag München, Wien, 1981, S. 931-937, hervor, wo auf S. 932 eine Phasenanschnittsteuerung dargestellt ist, die für Nulldurchgangsdetektion ein aktives Filter benutzt, dessen Übertragungsverhalten im Resonanzbereich ausgenutzt wird. Jede Frequenzänderung oder -abweichung eines zu filternden Signals von einer festen Filter-Resonanzfrequenz hat neben einer Dämpfung des Signals eine unerwünschte Änderung der Phasenlage des Ausgangssignals (bezogen auf das Eingangssignal) zur Folge. Eine genaue Nulldurchgangsdetektion ist dadurch nur bei einer bestimmten bzw. bekannten Frequenz des Eingangssignals möglich.

Will man für unterschiedliche Eingangsfrequenzen den Nulldurchgang exakt bestimmen, müßte man unter diesen Voraussetzungen auf jeweils unterschiedliche Bandpässe umschalten.

Die bekannten Verfahren dieser Art sind nicht nur umständlich, sondern auch ungenau und für bestimmte Anwendungsgebiete (z. B. Nulldurchgangsdetektion bei sinusförmigen, mit Störungen behafteten Eingangsspannungen bei einem Umrichter zum Zwecke der Synchronisation auf diese Eingangsspannung) denkbar ungeeignet. Darüber hinaus mußte bei einer bisher eingesetzten aufwendigen und unkomfortablen Methode in der Umrichtersteuerung eine Wechselspannung von einigen hundert Volt verarbeitet werden, um möglichst steile Nulldurchgänge zu erreichen.

Aus der US 4 695 792 ist es bekannt - um Amplituden- und Phasenmessungen trotz Frequenzschwankungen eines periodischen Eingangssignals durchführen zu können - solch ein Wechselspannungssignal einem Switched-Capacitor-Filter mit veränderbarer Resonanzfrequenz zuzuführen. Dabei wird die Resonanzfrequenz mittels einer Steuerfrequenz verändert und eingestellt, die von einer Pll-Schaltung aus der gefilterten Eingangsspannung erzeugt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es - hiervon ausgehend - ein einfaches Verfahren zu erstellen, mit dem nicht nur Frequenzabweichungen automatisch erfaßt und über die Phasenlage zu Null korrigiert werden, sondern daraus eine exakte Nulldurchgangsdetektion periodischer sinus-, rechteck- oder dreieckförmiger Größen selbst bei variablen Frequenzen innerhalb bestimmter Bereiche abgeleitet wird. Darüber hinaus soll in der Steuerung nur mit Wechselspannungen zwischen maximal ±15 V gearbeitet werden.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Anordnungsansprüchen entnehmbar.

Anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.

Die Figur zeigt ein Blockschaltbild für eine Anordnung zur Nulldurchgangserfassung und Frequenzerkennung.

1 bezeichnet zunächst eine symbolisiert dargestellte Potentialtrennstufe, die eine Eingangs-Netzwechselspannung U_E von z. B. 1000 V und einer Netzfrequenz f_N von z. B. 50 Hz auf eine auszuwertende Wechselspannung U_Ex von z. B. ±15 V unter galvanischer Trennung heruntertransformiert. Die Wechselspannung U_EX ist dabei über eine nicht näher dargestellte Bürde abgreifbar und stellt ein genaues Abbild der Eingangs-Netzwechselspannung U_E dar. Die auszuwertende Wechselspannung U_EX wird über ein Filter 2 (Antialiasing-Filter) einem aktiven SC-Bandpaß 3 (Switched-Capacitor-Bandpaß) zugeführt, dessen Güte Q über einen externen Steuereingang b einstellbar und dessen Resonanzfrequenz f₀ mittels einer Clock- Frequenz f_CLK über einen Steuereingang a veränderbar ist. Die Resonanzfrequenz f₀ entspricht hierbei immer 1/100 der zugeführten Clockfrequenz f_CLK Die Clock- Frequenz f_CLK wird einer PLL-Schaltung 4 (Phase-Locked-Loop-Schaltung) entnommen, die die Clock-Frequenz f_CLK und damit die Resonanzfrequenz f₀ des aktiven SC-Bandpasses 3 automatisch der Netzfrequenz f_N der auszuwertenden Spannung U_EX nachführt.

Das Ausgangssignal des aktiven SC-Bandpasses 3 wird über ein Glättungsfilter 5 einem 1. Schmitt-Trigger 6 mit invertiertem Ausgang zugeführt, der letztlich das für die Synchronisation auf das Netz benötigte exakte Nulldurchgangssignal NDG (z. B. für einen halbgesteuerten Brückengleichrichter vor einem Gleichspannungszwischenkreis eines Umrichters) liefert. Das Rechtecksignal NDG liegt mit seinen steilen Flanken während der positiven Halbwelle der auszuwertenden Wechselspannung U_EX auf "High" und während der negativen Halbwelle auf "Low" und vermittelt den exakten Nulldurchgang.

Das Glättungsfilter 5 egalisiert die kleinen Stufen des durch die Digitalisierung feingestuften Ausgangssignals von SC-Bandpaß 3 und gibt ein aus e- Funktionsstücken zusammengesetztes Signal heraus, wodurch ein "Flattern" des Nulldurchgangssignals von Schmitt-Trigger 6 vermieden wird.

Die PLL-Schaltung 4 dient im vorliegenden Fall als Multiplikationsglied, indem aus der Netzfrequenz f_N mit einem einstellbaren Multiplikationsfaktor die Clock- Frequenz f_CLK erzeugt wird. Um die Zeitverzögerungen Δt in den Filtern 2 und 5 - die Phasenverschiebungen bewirken - zu berücksichtigen, d. h. um die Phasenverschiebung zwischen den Signalen U_EX und NDG zu korrigieren, ist der Multiplikationsfaktor veränderbar. Er beträgt hier 102.

Das der PLL-Schaltung 4 zur Erzeugung der Clock-Signale zugeführte Rechtecksignal mit der Frequenz f_N wird in einer Filter/Triggerstufe 7 aus der auszuwertenden Wechselspannung U_EX erzeugt. Die PLL-Schaltung 4 besitzt nur einen bestimmten Fangbereich, indem eine überwachte Frequenz schwanken darf und nachgeführt wird. Liegt der Fangbereich, z. B. bei 8% und die bekannte Frequenzschwankungsbreite bei der überwachten Spannung U_EX bei nur 3%, dann kann man praktisch sicher sein, alle vorhandenen Frequenzschwankungen zu beherrschen. Ein möglichst enger Fangbereich ist anzustreben, da hierbei die PLL- Schaltung 4 besser und schneller arbeiten kann. Mit 8 ist eine als Block dargestellte, nicht näher definierte Frequenz-Auswahlschaltung bezeichnet, die zwischen zwei zugeführten Eingangsfrequenzen, z. B. < 33 Hz oder < 33 Hz unterscheiden kann und mit einem entsprechenden Signal FREQ (entweder High oder Low) die PLL- Schaltung 4 von hier z. B. f₁ = 16²/₃ Hz auf f₂ = 50 Hz oder umgekehrt umschalten kann. Damit kann der zu steuernde Umrichter an zwei Netzen mit unterschiedlichen Frequenzen und auch unterschiedlichen Fangbereichen betrieben werden (f₁ ±Δf₁ und f₂ ±Δf₂, wobei f₁<f_gr<f₂ und Δf₁«f₁; Δf₂«f₂ und paßt sich automatisch an. Innerhalb dieser Fangbereiche (z. B. f₁ = 16²/₃ Hz ±10% und f₂ = 50 Hz ±8%) muß die Frequenz der auszuwertenden Spannung U_EX liegen.

Die Frequenz-Auswahlschaltung 8 liegt eingangsseitig an einem Rechtecksignal eines einstellbaren 2. Schmitt-Triggers 9, der über ein RC-Filter 10 an der auszuwertenden Wechselspannung U_EX liegt. Bei Über- oder Unterschreitung der Grenzfrequenz f_gr durch die Netzfrequenz f_N schaltet die Frequenz-Auswahlschaltung 8 um.

Zu erwähnen ist noch, daß mit dem Signal FREQ der Frequenz-Auswahlschaltung 8 auch die Grenzfrequenz des Glättungsfilters 5, d. h., daß Δt umgeschaltet und beeinflußt wird.

Durch die Erfindung kann nicht nur bei variabler Frequenz einer auszuwertenden Wechselspannung U_EX eine Änderung der Phasenverschiebung zwischen dem Eingangssignal (auszuwertende Spannung U_EX) und dem Ausgangssignal (Rechtecksignal NDG) bzw. den Nulldurchgängen beider Signale vermieden werden. Auch die Frequenzbereiche (Fangbereiche) f₁ und f₂ der zu filternden Spannung U_EX sind ebenso einstellbar wie die Umschaltfrequenz f_gr der Frequenz- Auswahlschaltung 8 oder die Güte Q beim SC-Bandpaß 3.

Claims (5)

1. Verfahren zur Detektion des Nulldurchganges der Grundwelle periodischer, Frequenzschwankungen unterworfener Wechselspannungen, bei dem das Übertragungsverhalten von Filterkreisen im Resonanzbereich ausgenutzt wird, wobei ein aktiver SC-Bandpaß (3) mit veränderbarer Resonanzfrequenz (f₀) Verwendung findet, dessen Resonanzfrequenz (f₀) den Frequenzschwankungen oder -änderungen der auszuwertenden Wechselspannung (U_EX) mittels einer als Multiplikationsstufe wirksamen PLL-Schaltung (4) nachgeführt wird,
bei dem die PLL-Schaltung (4) einerseits eine dem Produkt aus Netzfrequenz (f_N) und einem einstellbaren Multiplikationsfaktor entsprechende Steuer-Clockfrequenz (f_CLK) an den Steuereingang des SC- Bandpasses (3) abgibt, der über einen Glättungsfilter (5) einen nachgeschalteten ersten Schmitt-Trigger (6) mit auswertbarem Nulldurchgangs-Ausgangssignal (NDG) steuert und
andererseits auf zwei verschiedene Netzfrequenzen (f_N) mit definierten unterschiedlichen Fangbereichen umschaltbar ist, wobei ein Frequenz-Auswahlschalter (8) Verwendung findet, der beiderseits einer einstellbaren Grenzfrequenz (f_gr) ein auswertbares High- oder Low-Signal an die PLL-Schaltung (4) abgibt.

2. Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion des Nulldurchganges der Grundwelle periodischer, Frequenzschwankungen unterworfener Wechselspannungen der über das Glättungsfilter (5) mit dem ersten Schmitt-Trigger (6) verbundene, aktive SC-Bandpaß (3) über seinen Steuereingang (a) vom Ausgang der PLL- Schaltung (4) angesteuert wird, die einerseits mit ihrem einen Steuereingang (a) an einer Filter/Triggerstufe (7) liegt, die von der auszuwertenden Wechselspannung (U_EX) beaufschlagt wird und andererseits einen weiteren Steuereingang (b) aufweist, der mit dem Ausgang des Frequenzauswahlschalters (8) verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glättungsfilter (5) frequenzabhängig umschaltbar ist und zusätzlich mit einem Steuereingang am Ausgang des Frequenz- Auswahlschalters (8) liegt.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang des Frequenz-Auswahlschalters (8) mit dem Ausgang eines zweiten Schmitt-Triggers (9) verbunden ist, der über ein RC- Filter (10) an der auszuwertenden Wechselspannung (U_EX) liegt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auszuwertende Wechselspannung (U_EX) einer Potentialtrennstufe (1) entnehmbar ist, die neben einer galvanischen Trennung von der Eingangs-Wechselspannung (U_E) eine abbildungsgenaue Abwärtstransformierung vornimmt.