DE69108124T2 - Vorrichtung zur Überwachung eines Mehrphasen-Gleichrichters. - Google Patents

Vorrichtung zur Überwachung eines Mehrphasen-Gleichrichters.

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Description

  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Überwachungseinrichtung für Mehrphasen-Gleichrichter.
  • Eine derartige Vorrichtung findet insbesondere Anwendung für Gleichrichter-Transformatoren mit großer Leistung.
  • Ein solcher Gleichrichter-Transformator weist beispielsweise eine dreiphasige Primärseite auf, wobei jede der drei Wicklungen dieser Primärseite eine Spannung mit einer Frequenz von 400 Hz erhält. Die Sekundärseite des Transformators weist 6 Wicklungen auf, von denen drei in Dreiecksschaltung und drei in Sternschaltung angeordnet sind. Für jede der sechs Sekundärwicklungen ist eine Gleichrichtung fuhr beide Stromrichtungen vorgesehen, wobei demgemäß zwölf Dioden eingesetzt werden. Die Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters, die zur Ladung von Batterien und/oder zur Versorgung von Ausrüstungsteilen bestimmt ist, weist eine Restwelligkeit geringer Amplitude auf, deren Frequenz in dem beschriebenen Beispiel gleich dem zwölffachen der Frequenz des an die Primärseite angeschlossenen Netzes ist. Wenn die Frequenz des Netzes 400 Hz beträgt, ist die Frequenz der Welligkeit daher 4.800 Hz.
  • In einem Gleichrichter-Transformator ist es wichtig, Ausfälle und insbesondere solche Ausfälle zu vermeiden, die die Zerstörung des Gleichrichter-Transformators zur Folge haben. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn der Gleichrichter an Bord eines Luftfahrzeugs verwendet wird, wo jeglicher Ausfall schwerwiegende Folgen haben kann und wo die Kriterien, die sich auf die Überwachung beziehen, besonders streng sind.
  • Aus der GB-A-2029138 ist bereits eine Überwachungsvorrichtung für Mehrphasen-Gleichrichter mit Mitteln zur Erfassung der Unterbrechung wenigstens einer der Gleichrichterdioden, mit denen der Gleichrichter ausgestattet ist, um einen Alarm im Falle der Erfassung auszulösen, bekannt.
  • Eine solche Überwachungsvorrichtung ist wirkungsvoll, da in einen Gleichrichter zahlreiche Ausfälle die Unterbrechung einer der Gleichrichterdioden als Ursache haben. Ohne eine Überwachungsvorrichtung bleibt aber ein solcher Ausfall verborgen, da der Gleichrichter, von außen betrachtet, anscheinend nach wie vor ohne Fehler arbeitet. In der Tat besteht die einzige Folge des Ausfalls, den die Unterbrechung einer Diode darstellt, in der Verminderung des Stroms, den der Gleichrichter maximal abzugeben in der Lage ist, wobei eine solche Verminderung nicht entdeckt wird, wenn der tatsächlich abgegebene Strom geringer ist als dieser Maximalwert.
  • Indessen müssen die verbleibenden Dioden den vom jeweiligen Einsatz verlangten Strom liefern, wodurch deren Überlastung proportional in dem Maße ansteigt, in dem andere Dioden durch Unterbrechung ausfallen. Diese Überlastung kann zerstörerisch werden, wenn der vom Einsatzzweck verlangte Strom die Abgabekapazität der verbleibenden Dioden überschreitet.
  • Die vorstehend beschriebene Überwachungseinrichtung vermeidet Probleme dieser Art, da der Anwender durch den Alarm gewarnt wird, sobald eine Diode unterbrochen ist, wodurch ermöglicht wird, vorbeugende Maßnahmen zu treffen, beispielsweise indem ein Eingriff vorgesehen wird, um die ausgefallene Diode bei der nächsten Ruheperiode des Gleichrichters auszuwechseln oder auch um den im Betrieb befindlichen Gleichrichter unmittelbar durch einen Ersatzgleichrichter auszutauschen, falls die Sicherheitsbedingungen besonders streng sind.
  • Die Vorrichtung nach dem Stand der Technik weist allerdings zwei schwerwiegende Nachteile auf.
  • Zunächst ist sie sehr komplex und daher kostspielig und wenig zuverlässig.
  • Es wird dabei die Ausgangsspannung der überwachten Gleichrichterbrücke mit der Ausgangsspannung einer Vergleichsbrücke verglichen, die ihrerseits der Überwachten Gleichrichterbrücke ähnlich ist und daher den gleichen Unsicherheiten wie die letztgenannte unterworfen ist. Im Falle der Feststellung eines Ausfalls ist man folglich nicht in der Lage zu wissen, ob der Ausfall vom überwachten System oder vom Überwachungssystem stammt.
  • Im übrigen gibt es in der bekannten Vorrichtung keine Möglichkeit, den Vergleich in Abhängigkeit der Belastung der überwachten Gleichrichterbrücke anzupassen.
  • Die vorliegende Erfindung zielt darauf, diese Nachteile zu vermeiden.
  • Hierzu ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung der vorgenannten Bauart, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Mittel zur Erfassung die zeitweilige Überschreitung einer unteren Schwelle durch die Ausgangsspannung des Gleichrichters erfassen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere leicht, einfach, zuverlässig und bringt vergleichsweise geringe Kosten mit sich, indem die Unterbrechung irgendeiner der Dioden der Gleichrichterbrücke mit Hilfe einer einzigen Überwachungsschaltung für die Veränderungen der Ausgangsspannung dieses Gleichrichters erfaßt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung beruht tatsächlich auf der Tatsache, daß sich der Verlauf der Wechselspannungskomponente bzw. der Restwelligkeit am Ausgang des Gleichrichters verändert, wenn eine oder mehrere Dioden unterbrochen sind.
  • Insbesondere weist die Welligkeit der Ausgangsspannung, sobald dies der Fall ist, absteigende Spitzenwerte auf, die sich mit der Periode der Primärspannung wiederholen.
  • Vorzugsweise sind Steuermittel für den Wert der unteren Schwelle ansprechend auf die Stromstärke am Ausgang des Gleichrichters vorhanden, so daß der Wert der unteren Schwelle abnimmt, wenn die Stromstärke zunimmt.
  • In diesem Fall ist der Betrieb sicher und ohne Fehlalarm, da die Amplitude der negativen Spitzen der Ausgangsspannung mit dem Ausgangsstrom zunimmt. Der Wert der unteren Schwelle wird auf diese Weise automatisch geregelt, um eine sichere Erfassung zu erhalten, wie groß auch die Belastung ist.
  • Weiterhin ist vorzugsweise ein monostabiler Schaltkreis vorgesehen, der ansprechend auf das zeitweilige Überschreiten ausgelöst wird und dessen Zeitkonstante größer ist als die Periode der durch den Gleichrichter gleichzurichtenden Spannung.
  • Auf diese Weise werden eventuelle parasitäre Impulse, die sich nicht mit der Frequenz der Primärspannung wiederholen, nicht berücksichtigt.
  • Weiterhin sind vorzugsweise Integrationsmittel für den Wert des Ausgangssignals des monostabilen Schaltkreises vorgesehen, sowie Mittel zum Vergleich des Ausgangssignals der Integrationsmittel mit einer oberen Schwelle, die den Alarm im Falle des Überschreitens der oberen Schwelle durch das Ausgangssignal der Integrationsmittel auslösen.
  • Auf diese Weise wird der Schutz vor Fehlalarmen weiter verbessert.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der vorliegenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung besser verständlich, wobei auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird, in denen:
  • - Fig. 1 ein Schema eines Gleichrichter-Transformators zeigt, der mit der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung ausgestattet ist,
  • - Fig. 2a, 2b und 2c den Verlauf der Ausgangsspannung des Gleichrichter-Transformators nach Fig. 1 zeigen, und zwar für den Fall, daß die Anzahl der unterbrochenen Dioden gleich null, eins oder zwei ist,
  • - Fig. 3 ein Blockschaltbild der Überwachungsvorrichtung nach Fig. 1 zeigt,
  • - Fig. 4a bis 4c die zeitlichen Verläufe der Signale zeigen, die die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 4 erläutern, und
  • - Fig. 5a bis 5d die zeitlichen Verläufe der Signale nach Fig. 4 und anderer analoger Signale zeigen, wobei die Zeitdauer größer ist als in den Darstellungen nach Fig. 4.
  • Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein Gleichrichter-Transformator mit drei Wicklungen 11, 12 und 13 versehen, die eine dreiphasige Spannung erhalten, hierbei mit 400 Hz, die hinsichtlich ihrer Transformierung in eine Gleichspannung VC gleichzurichten ist, welche dazu bestimmt ist, die Ausrüstungsteile zu versorgen und beispielsweise die Batterien eines Luftfahrzeugs zu laden.
  • Hierzu sind sechs Sekundärwicklungen 21, 21', 22, 22', 23 und 23' vorgesehen, die mit den Primärwicklungen 11, 12 und 13 gekoppelt sind.
  • Die drei Sekundärwicklungen 21, 22 und 23 sind in bekannter Weise in Dreiecksschaltung angeordnet, wobei jeder der je zwei dieser Wicklungen gemeinsamen Punkte mit den Bezugszeichen 26, 27 und 28 bezeichnet ist.
  • Die drei Sekundärwicklungen 21', 22' und 23' sind in bekannter Weise in Sternschaltung angeordnet, wobei jedes freie Ende dieser Wicklungen mit den Bezugszeichen 26', 27' und 28' bezeichnet ist.
  • Eine Gleichrichterbrücke weist hierbei 12 Dioden 31, 31', 32, 32', 33, 33', 34, 34', 35, 35', 36 und 36' auf. Die Anoden der Dioden 31, 32, 33, 34, 35 und 36 sind alle an einen gemeinsamen Punkt 37 angeschlossen. Die Kathoden der Dioden 31, 32, 33, 34, 35 und 36, die jeweils an die Anoden der Dioden 31', 32', 33', 34', 35' und 36' angeschlossen sind, sind ebenfalls an die Punkte 26, 27, 28, 26', 27' und 28' angeschlossen.
  • Die Kathoden der Dioden 31', 32' und 33' sind mit einem Ende der Induktanzspule 38 verbunden. Die Kathoden der Dioden 34', 35' und 36' sind mit dem anderen Ende der Spule 38 verbunden.
  • Die gleichgerichtete Spannung VC ist zwischen dem Punkt 37, der hierbei mit Masse verbunden ist, und dem mittleren Punkt 39 der Spule 38 verfügbar. Der Punkt 39 ist an die Anwendungsschaltungen der gleichgerichteten Spannung VC unter Zwischenschaltung eines Widerstands 47 mit sehr kleinem Wert angeschlossen.
  • Ein elektronischer Schaltkreis 4 ist mit einem ersten Eingang versehen, an den die Gleichspannung VC angelegt wird, mit einem zweiten Eingang, an dem die Spannung an den Enden des Widerstands 47 anliegt, sowie mit einem Ausgang, der ein Signal A zur Ansteuerung des Alarns abgibt, und der aktiv wird, sobald der Schaltkreis 4 durch Analyse der Wellenform der gleichgerichteten Spannung VC die Unterbrechung wenigstens einer Diode erfaßt hat.
  • In Fig. 2 ist der Verlauf der gleichgerichteten Spannung VC dargestellt, wenn die zwölf Dioden 31 bis 36 und 31' bis 36' alle richtig arbeiten. Aus Fig. 2a geht hervor, daß die Restwelligkeit, die die Spannung VC aufweist, die Periode T/12 aufweist, wobei T die Periode der gleichzurichtenden Spannung ist, die hierbei 1/400 s beträgt.
  • Jedes Maximum der Restwelligkeit entspricht der Durchschaltung jeweils einer Diode.
  • In Fig. 2b ist der Verlauf der gleichgerichteten Spannung VC dargestellt, wenn irgendeine, und zwar nur eine einzige, der Dioden 31 bis 36 und 31' bis 36' unterbrochen ist. In diesem Fall ist das Maximum der Fig. 2a, welches dem Stromdurchgang durch diese Diode entspricht, durch eine nach unten gerichtete Spitze ersetzt. Diese Spitze wiederholt sich mit der Periode T.
  • In Fig. 2c ist der Fall dargestellt, daß zwei Dioden unterbrochen sind. In diesem Fall gibt es zwei absteigende Spitzen innerhalb jeder Periode T. Wenn mehrere Dioden unterbrochen wären, gäbe es mehrere absteigende Spitzen innerhalb jeder Periode T. Es sei bemerkt, daß wenn man die absteigenden Spitzen als negative Werte bezeichnet, wenn man seinen Standpunkt auf die Restwelligkeit verlegt, die auf den Gleichanteil der Spannung VC zentriert ist, diese hinsichtlich ihres absoluten Werts dennoch kleiner oder gleich dem Wert dieser Gleichkomponente bleiben, was bewirkt, daß die Spannung VC niemals ihr Vorzeichen ändert.
  • Der elektronische Schaltkreis 4 ist dafür eingerichtet, wie nachfolgend erläutert werden wird, um die zeitweilige Überschreitung einer unteren Schwelle SB durch die gleichgerichtete Spannung VC zu erfassen, die so gewählt ist, daß sie unterhalb des Minimalwerts der Spannung VC im Fall der Fig. 2a ist, während sie größer ist als die Werte, die die Spannung VC während der negativen Spitzen der Fig. 2b und 2c annimmt.
  • Hierzu und unter Bezugnahme auf Fig. 3 weist der Schaltkreis 4 zunächst einen Amplitudenkomparator 42 auf, dessen erster Eingang das Signal des ersten Eingangs des Kreises 4 aufnimmt, d.h. die Spannung VC. Der Amplitudenkomparator 42 weist einen zweiten Eingang auf, der eine Spannung SB aufnimmt, die die untere Schwelle repräsentiert, von der die Rede war, sowie einen Ausgang, der ein Signal C abgibt.
  • Ein differentieller Operationsverstärker 41 verstärkt das Signal auf dem zweiten Eingang des Schaltkreises 4, welches die Spannung an den Enden des Widerstands 47 ist, die den von den Anwendungsschaltungen verbrauchten Strom widerspiegelt. Der Ausgang des Verstärkers 41 liegt am ersten Eingang eines Summierers 42, dessen zweiter Eingang eine feste Spannung VF erhält und dessen Ausgang das Signal SB abgibt.
  • Ein monostabiler Schaltkreis 43 erhält auf seinem Auslöseeingang das Signal C und gibt am Ausgang ein Signal M ab.
  • Ein Integrator 44 integriert das Signal M, um das Signal I abzugeben, das in einem Amplitudenkomparator 45, dessen Ausgang das Signal A abgibt, mit einer Spannung SH verglichen wird, welche eine obere Schwelle darstellt.
  • Die Arbeitsweise der Schaltung 4, die vorstehend beschrieben wurde, ist wie folgt, wobei insbesondere auf Fig. 4 und 5 bezug genommen wird.
  • In Fig. 4a ist einerseits der Verlauf der gleichgerichteten Spannung VC und andererseits der der Spannung SB der unteren Schwelle dargestellt. Die zeitweilige Überschreitung der unteren Schwelle SB durch die Spannung VC, die für die Unterbrechung wenigstens einer Diode charakteristisch ist, wird durch den Komparator 42 erfaßt. Das Signal C, wie dies die Fig. 4b und 5a zeigen, stellt sich daher als eine Impulsfolge dar, die sich mit der Periode T wiederholt, welche hierbei gleich 400 Hz ist, in den Falle, daß eine einzige Diode unterbrochen ist.
  • Die Impulse des Signals C lösen den monostabilen Schaltkreis 43 aus, dessen Zeitkonstante größer als die Periode T ist, was bewirkt, daß der monostabile Schaltkreis 43, wenn die absteigenden Spitzen der Spannung VC permanent vorhanden sind, seinen Ausgang M auf hohem Niveau hält, wie Fig. 4c und 5b zeigen. Der Integrator 44, der eine Zeitkonstante von mehreren Sekunden hat, verzögert die Auslösung des Alarms, bis die Spannung I die obere Schwelle SH überschreitet, wie Fig. 5c und 5d zeigen, die jeweils den Verlauf der Spannung I und den der Spannung A zeigen.
  • Um einen ordnungsgemäßen Betrieb für alle möglichen Werte des Ausgangsstroms zu gewährleisten, steuern der Verstärker 41 und der Summierer 46 den Wert der unteren Schwelle SB ansprechend auf den Wert des Ausgangsstroms, so daß der Wert der unteren Schwelle abnimmt, wenn die Stromstärke zunimmt, wobei die Spannung SB die algebraische Summe der konstanten bzw. feststehenden Spannung VF und der Ausgangsspannung des Verstärkers 42 ist, die den zur Anwendung abgegebenen Strom widerspiegelt. Der Wert der Amplitude der absteigenden Spitzen vergrößert sich nämlich mit dem Ausgangsstrom.
  • Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend gegebene Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform beschränkt.
  • Es ist daher möglich, in Reihe mit jeder der Dioden 31 bis 36 und 31' bis 36' einen Transformator anzuordnen, dessen Sekundärseite ein Abbild des Stroms liefert, der durch diese Diode geht. Am Ausgang eines jeden dieser zwölf Transformatoren ordnet man eine Schaltung zur Überwachung des Stromverlaufs an, wobei eine unterbrochene Diode dadurch erfaßt wird, daß der Strom, der durch diese hindurchgeht, konstant gleich null ist, während eine Diode in ordnungsgemäßem Zustand von einem Wechselstrom durchflossen wird. Die Ausgänge der zwölf Überwachungsschaltkreise sind mit einem Logikschaltkreis verbunden, der dazu dient, die Auslösung eines Fehlalarms zu verhindern, wenn der Ausgangsstrom gleich null ist. da dann der Strom in jeder der Dioden gleich null ist, selbst wenn diese Diode in ordnungsgemäßem Zustand ist. Der Logikschaltkreis hebt die Mehrdeutigkeit auf, indem er den Alarm nicht auslöst, wenn die zwölf Ströme gleich null sind oder wenn der Ausgangsstrom selbst gleich null ist.
  • Eine solche Ausführungsform, die zwölf Transformatoren, zwölf Überwachungsschaltkreise sowie einen Logikschaltkreis zur Aufhebung der Mehrdeutigkeit einsetzt, hat allerdings einen größeren Platzbedarf, ist schwerer und kostet vergleichsweise mehr und ist weniger zuverlässig als die bevorzugte Ausführungsform, die vorstehend beschrieben worden ist.
  • Die Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung sind natürlich nicht auf Luftfahrzeuge oder auf dreiphasige Gleichrichter-Transformatoren mit einer sekundärseitigen Stern- bzw. Dreiecksschaltung begrenzt, die beispielhaft beschrieben worden ist. Die Erfindung ist von besonderem Nutzen in Fällen, in denen eine größere Anzahl von Dioden vorliegt. d.h. für jeden Mehrphasen-Gleichrichter.

Claims (4)

1. Überwachungseinrichtung für Mehrphasengleichrichter mit Mitteln zur Erfassung (4) der Unterbrechung wenigstens einer der Gleichrichterdioden (31-36, 31'-36'), mit denen der Gleichrichter ausgestattet ist, um einen Alarm (A) in Falle der Erfassung auszulösen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung (4) mit den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters verbunden sind und die zeitweilige Überschreitung einer unteren Schwelle (SB) durch die Ausgangsspannung (VC) des Gleichrichters erfassen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Steuermittel (47, 41, 46) für den Wert der unteren Schwelle (SB) vorhanden sind, ansprechend auf die Stromstärke am Ausgang des Gleichrichters, so daß der Wert der unteren Schwelle (SB) abnimmt, wenn die Stromstärke zunimmt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein monostabiler Schaltkreis (43) vorgesehen ist, der ansprechend auf das zeitweilige Überschreiten ausgelöst wird, und dessen Zeitkonstante größer ist als die Periode (T) der durch den Gleichrichter gleichzurichtenden Spannung.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Integrationsmittel (44) für den Wert des Ausgangssignals (M) des monostabilen Schaltkreises (43) vorgesehen sind, sowie Mittel (45) zum Vergleich des Ausgangssignals (1) der Integrationsmittel (44) mit einer oberen Schwelle (SH), die den Alarm (A) im Falle des Überschreitens der oberen Schwelle (SH) durch das Ausgangssignal (I) der Integrationsmittel (44) auslösen.
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