WO2008116674A2 - Schaltungsanordnung zur erkennung von netznulldurchgängen - Google Patents

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WO2008116674A2
WO2008116674A2 PCT/EP2008/050687 EP2008050687W WO2008116674A2 WO 2008116674 A2 WO2008116674 A2 WO 2008116674A2 EP 2008050687 W EP2008050687 W EP 2008050687W WO 2008116674 A2 WO2008116674 A2 WO 2008116674A2
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Jalal Hallak
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Siemens Ag Österreich
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
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    • H02M1/083—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the ignition at the zero crossing of the voltage or the current

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for detecting zero-line crossings of a mains voltage of an alternating voltage network, wherein a measuring current caused by the mains voltage is fed to a zero-crossing detector for forming a zero-crossing signal.
  • Circuit arrangements for detecting line zero crossings of a mains voltage of an AC voltage network are used wherever a signal synchronous with the AC voltage is required.
  • a field of application is the in-phase control of power units of an inverter or inverter as a function of the mains zero crossings of the mains voltage.
  • an inverter or inverter for example, the provision of electrical energy in the form of an alternating current, which is suitable for feeding into an alternating voltage network.
  • alternating current which is suitable for feeding into an alternating voltage network.
  • alternative power sources may be solar panels, fuel cells, wind power generators or other power sources such as batteries.
  • inverter circuits with different applications is known.
  • Different basic types of electronic converters are used, such as step-up converters, step-down dividers or high-step dividers for generating a half-wave current combined with full or half bridges for inverting every second Half-wave with the result of a single- or multi-phase alternating current.
  • An essential criterion for a grid-synchronous infeed is the exact recognition of the zero-crossing points for in-phase control of the power sections.
  • the mains zero crossings in the mains voltage define for the inverter control the times for switching from a positive to a negative half cycle and vice versa.
  • the in-phase control of the power sections of an inverter is also essential for device safety.
  • a faulty switching from a positive to a negative half-wave or vice versa leads without corresponding safeguards to a network short circuit in the power section of the inverter, which can result in damage or destruction of the power components.
  • a known circuit for detecting zero crossings consists of a voltage divider and a comparator or operational amplifier (see Fig. 1 and 2).
  • a comparator or operational amplifier is at the output of the comparator or operational amplifier to a square wave signal, for example, whose low value indicates a negative half-wave and its high value indicates a positive half-wave of the mains voltage.
  • the signal value changes with each zero crossing of the mains voltage.
  • the resistors of the voltage divider are high impedance to keep the power loss low. Due to the high-impedance inputs of the comparator or operational amplifier, such circuits are susceptible to error detections of the line zero crossings. Triggers for such errors can be electromagnetic interference or interference in the network. It may happen that at the input of the comparator or operational amplifier, a current value is applied, the sign of which does not correspond to the current desired phase position of the mains voltage, whereby a false network zero crossing is registered.
  • the invention has for its object to provide a circuit arrangement of the type mentioned above, which allows trouble-free detection of the network zero crossings.
  • this object is achieved by a circuit arrangement for detecting line zero crossings of a mains voltage of an alternating voltage network, wherein a measuring current caused by the mains voltage is fed to a zero-crossing detector to form a
  • Net zero crossing signal is supplied and wherein between the conductor and neutral of the alternating voltage network, a current sink is arranged, by means of which the profile of the current value of the measuring voltage caused by the mains voltage is fixed.
  • the use of the current sink ensures that the magnitude of the measured current value, even at low mains voltage values in the zero-crossing range, is large enough to maintain the in-phase sign of the measuring current in the event of disturbances affecting the measuring current. If, for example, an electromagnetic disturbance at the input of the zero-crossing detector causes a lowering of the measured current value during a positive half-wave, it still remains positive and there is no faulty detection of a zero crossing.
  • the arrangement according to the invention therefore provides a sufficiently high measuring current in the critical region near the line zero crossings of the mains voltage so as to be able to reliably detect the zero crossings uninfluenced by acting disturbances.
  • a corresponding corresponding current On the other hand, but also by a corresponding
  • the current sink is designed as a variable current sink to the
  • the course of the current value effected by the variable current sink is indirectly proportional to the course of the mains voltage.
  • the signal for controlling the current sink and thus determining the course of the measured current value can then be derived directly from the course of the mains voltage.
  • the current sink is arranged in series with a resistor, and a zero-crossing detector designed as a comparator or operational amplifier is arranged parallel to the resistor.
  • a zero-crossing detector designed as a comparator or operational amplifier is arranged parallel to the resistor.
  • This arrangement can be realized with simple components and provides at the output of the zero crossing detector a square wave signal whose high value indicates a positive half wave of the mains voltage and whose low value indicates a negative half wave of the mains voltage. It is advantageous if the output of the comparator or the operational amplifier is connected to an element for galvanic isolation, for example an optocoupler.
  • the current sink is in another circuit arrangement.
  • a galvanic isolation element e.g. an optocoupler arranged.
  • an inverted rectangular signal is applied to the output of the optocoupler. Accordingly, the low value indicates a positive half-wave and the high value indicates a negative half-wave of the mains voltage.
  • This arrangement provides with a few components a galvanically isolated net zero crossing signal.
  • the current sink itself is designed as a unidirectional or as a bidirectional current sink, depending on which zero-crossing signal is desired.
  • the measuring current remains unequal to zero as long as the mains voltage is greater than zero or, for the embodiment with an optocoupler arranged in series with the current sink, the mains voltage is greater than the forward voltage of the optocoupler diode.
  • the invention relates to an inverter, the power unit depending on the network zero crossings of a mains voltage of
  • AC voltage network is controlled.
  • an inverter for feeding electrical energy is provided in an AC voltage network, in which the zero crossings of the mains voltage are detected by means of a circuit arrangement according to the invention.
  • inverters for connecting alternative power sources to an AC network it is important to achieve high efficiency in order to ensure the profitability of alternative power generation. Therefore, in power parts such inverters particularly low-loss components are used. Such components are very sensitive to faulty phase switching and resulting network short circuits. It is therefore important that the network zero crossings are reliably detected.
  • FIG. 3 embodiment of a circuit arrangement according to the invention with comparator
  • FIG. 4 embodiment of a circuit arrangement according to the invention with optocoupler
  • FIG. 7 Control of a voltage-controlled or current-controlled bidirectional current sink.
  • Fig. 9 waveforms when using a bidirectional current sink
  • FIG. 1 shows a simple circuit arrangement for the detection of net zero crossings according to the prior art.
  • two resistors Rl and R2 form a voltage divider between conductor L and neutral N of an AC voltage network.
  • Starting from the conductor L is the Mains voltage U NE ⁇ z degraded via the first resistor Rl and the second resistor R2, wherein a measuring current i flows through the resistors Rl, R2.
  • Parallel to the second resistor R2, a comparator or operational amplifier is connected as a zero-crossing detector, at the output of the zero-crossing signal is applied as a square wave signal.
  • the high value corresponds to a positive half wave of the mains voltage U NETZ and the low value of a negative half wave of the mains voltage U NE ⁇ z •
  • the inputs of the comparator or operational amplifier can be protected by protective diodes.
  • the two resistors R1, R2 are typically of high resistance (e.g., 200k ⁇ to 300k ⁇ for the first resistor R1 and 2k ⁇ to 5k ⁇ for the second resistor R2). With a 230V alternating voltage network, this results in a maximum total power loss of 0.26W (without consideration of the protective diodes).
  • FIG. 2 again shows a circuit according to the prior art with a voltage divider and a comparator or operational amplifier, wherein the output of the comparator or operational amplifier is provided with an optocoupler OPTO for galvanic isolation. Since the
  • Optocoupler OPTO causes an inversion of the signal, the inputs of the comparator or operational amplifier are reversed, so that as the zero crossing signal at the output of the optocoupler OPTO the same signal as at the output of the comparator or operational amplifier in Figure 1 is applied.
  • the circuits according to the prior art shown in FIGS. 1 and 2 are very sensitive to disturbances when the mains voltage U NE ⁇ z approaches a zero crossing and thus the measuring current i in the voltage divider becomes very small. It then suffice, for example, low electromagnetic interference that radiate on the high-impedance input connections of the comparator or operational amplifier in order to bring about a faulty evaluation of the comparator or operational amplifier. Likewise, minor disturbances in the network can even lead to an error in the zero-crossing detection, since due to the low measurement current i already low power disturbances can lead to a change of sign at the input of the comparator or operational amplifier.
  • FIG. 3 An inventive circuit arrangement, shown in Figure 3, does not have these disadvantages.
  • This circuit differs from that shown in Figure 1 in that instead of the first resistor Rl a current sink 1, i. an electronic load with controlled current or voltage is provided.
  • the current sink 1 is set in the simplest case so that at a mains voltage U NE ⁇ z not equal to zero, a constant measuring current i R flows.
  • the current sink 1 can be designed as a unidirectional or as a bidirectional current sink.
  • a constant measuring current i R flows only with a positive (or only with a negative) half-wave of the mains voltage U NE ⁇ z.
  • the beginning or the end of a zero-value phase of the measuring current i R indicates, in the case of a unidirectional current sink 1, the instant of a zero crossing of the mains voltage U NE ⁇ z.
  • a current sink 1 is connected in series with a diode D and an optocoupler OPTO as a zero crossing detector between the conductor L and the neutral conductor N of an AC voltage network.
  • an inverted zero crossing signal is present at the output of the opto-coupler OPTO which is galvanically isolated from the input
  • Rectangle shape The high value indicates a negative half wave and the low value indicates a positive half wave of the mains voltage U NETZ .
  • a series circuit comprising a current transformer Ia, Ib and an optocoupler OPTO1, 0PT02 is used to detect the negative half-wave and to detect the positive half-waves of the network voltage U NE ⁇ z.
  • a positive measuring current i FP flows through a first optocoupler OPTO1 and a first current sink Ia.
  • a negative measuring current i FN flows through a second current sink Ib and a second optocoupler 0PT02.
  • the output signals of the two optocouplers OPTO1, 0PT02 are supplied to a logic circuit 4, in which the two signals are processed, for example, to form an averaged zero-crossing signal.
  • the advantage of a circuit arrangement according to the invention lies in the high amplification of the measured current i R or i F in the region of the line zero crossings of the mains voltage U NETZ • Due to the high measuring current i R or i F in the current sink up to the immediate vicinity of a line zero crossing and the abrupt one Switching off the measuring current i R or i F when changing the polarity of the mains voltage U NE ⁇ z a much clearer zero crossing signal can be obtained than is possible with a voltage divider according to the prior art.
  • the network zero crossing detection becomes increasingly safer with respect to network disturbances as the measuring current i R or i F increases. However, it should be noted that with increasing current through the current sink 1 and the power loss in the current sink 1 is greater.
  • the measurement current i R or i F be set variably in such a way that it is high in the region of the zero line crossings and low in the region of the peak values of the network voltage U NE ⁇ z.
  • a corresponding example of a unidirectional current sink is shown in FIGS. 6 and 7.
  • FIG. 6 shows, in a simplified manner, the signal processing in the individual elements of a device according to the invention
  • the voltage or current controlled current sink 11 is in series with a zero crossing detector 31 connected between the conductor L and the neutral conductor N of an alternating voltage network.
  • the mains voltage U NETZ is fed to a control unit 21 of the current sink.
  • the measuring current i is preset by the current sink 11 as a product of the current sink voltage U s with a constant factor K.
  • the time t is plotted on the abscissa.
  • the first diagram shows the profile of the mains voltage U NET z over the time t, wherein a unidirectional current source with forward direction is assumed at positive half-waves of the mains voltage U NET z.
  • the second diagram shows a curve a for the measuring current i over the time t, whereby this curve a is based on a linear function of the measuring current i over the mains voltage U NET z.
  • the third diagram shows a curve b with a linear function of the measuring current i over the mains voltage U NE ⁇ z and a lower limiting value i M m of the measuring current i.
  • a course b allows a steeper drop of the over the preceding course a
  • the power loss for example, in a 230V AC mains 0.39W, if the maximum value i Ma ⁇ the measured voltage 6mA and minamal i m in the measured voltage 3mA are specified and the minimum value i M in at a mains voltage value of 100V is reached.
  • the power dissipation is in the range of the example given above for a prior art circuit, whereas the measurement current i near the mains zero crossings reaches 1200 times the value (6mA / 5 ⁇ A) of the prior art sense current.
  • FIGS. 8 and 9 The signal processing and the waveform for a bidirectional current sink are shown in FIGS. 8 and 9.
  • the voltage or current controlled current sink 12 is connected in series with a zero crossing detector 32 between conductor L and neutral N of an alternating voltage network.
  • the mains voltage U NE ⁇ z is supplied to a control device 22 of the current sink 12.
  • a current sink voltage U s is formed as a function of the reciprocal of the mains voltage U NET z, wherein here, unlike a unidirectional current sink for both polarities of the mains voltage U NET Z is given a function.
  • FIG. 8 shows linear functions with limitation of the current sink voltage U s for both the negative and the positive mains voltage values.
  • the current sink voltage U s is the current sink 12 is supplied, which is predetermined by multiplication of the same by a factor K, the course of the measuring current i through the current sink 12.
  • FIG. 9 again shows three different examples of a measuring current profile a, b, c over the time t, indirectly proportional to the mains voltage U NE ⁇ z.
  • one of the respective function f (1 / UNETZ) corresponding course a, b, c for both the positive and for the negative half-wave of the mains voltage U NE ⁇ z indicated.
  • the first curve a corresponds to a linear function of the measuring current i over the mains voltage U NE ⁇ z with a predetermined maximum value i Ma ⁇ and a minimum value i M m.
  • the second curve b is also based on a linear function, but for the positive half-wave of the mains voltage U NE ⁇ z a positive value with minimum amount i M in and for the negative half-wave of the mains voltage U NET z a negative value with
  • the third exemplary curve c of the measured current i over the time t is based on a nonlinear function of the measuring current i from the mains voltage U NET z.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erkennung von Netznulldurchgängen einer Netzspannung (UNETZ) eines Wechselspannungsnetzes, wobei ein durch die Netzspannung (UNETZ) hervorgerufener Messstrom (i, iR, iF, iFP, iFN) einem Nulldurchgangsdetektor (31, 32) zur Bildung eines Netznulldurchgangsignals zugeführt ist und wobei zwischen Leiter (L) und Nullleiter (N) des Wechselspannungsnetzes eine Stromsenke (1, Ia, Ib, 11, 12) angeordnet ist, mittels welcher der Verlauf des Stromwertes des durch die Netzspannung hervorgerufenen Messstromes (i, iR, iF, iFP, iFN) festgelegt ist. Damit ist es möglich, auch bei Störungen Netznulldurchgänge sicher zu erkennen und die Verlustleistung gering zu halten.

Description

Schaltungsanordnung zur Erkennung von Netznulldurchgängen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erkennung von Netznulldurchgängen einer Netzspannung eines Wechselspannungsnetzes, wobei ein durch die Netzspannung hervorgerufener Messstrom einem Nulldurchgangsdetektor zur Bildung eines Netznulldurchgangsignals zugeführt ist.
Schaltungsanordnungen zur Erkennung von Netznulldurchgängen einer Netzspannung eines Wechselspannungsnetzes werden überall dort eingesetzt, wo ein zur Wechselspannung synchrones Signal benötigt wird.
Ein Einsatzgebiet ist die phasenrichtige Ansteuerung von Leistungsteilen eines Umrichters oder Wechselrichters in Abhängigkeit von den Netznulldurchgängen der Netzspannung.
Dabei dient ein Umrichter bzw. Wechselrichter beispielsweise der Bereitstellung elektrischer Energie in Form eines Wechselstromes, welcher zur Einspeisung in ein Wechselspannungsnetz geeigneten ist. Ein Anwendungsgebiet hierfür ist die Anbindung alternativer Stromquellen an ein zumeist öffentliches Wechselspannungsnetz. Derartige Stromquellen können Solarpaneele, Brennstoffzellen, Windkraftgeneratoren oder sonstige Stromquellen wie Akkumulatoren sein.
Nach dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Wechselrichterschaltungen mit unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten bekannt. Verwendet werden dabei verschiedene Grundtypen elektronsicher Wandler wie z.B. Hochsetzsteller, Tiefsetzsteiler oder Hochtiefsetzsteiler zur Erzeugung eines halbwellenförmigen Stromes, kombiniert mit Voll- oder Halbbrücken zur Invertierung jeder zweiten Halbwelle mit dem Resultat eines ein- oder mehrphasigen Wechselstroms .
Insbesondere in Photovoltaikanlagen sind verschiedene Auflagen der Netzbetreiber und der Behörden zu erfüllen, beispielsweise die Einspeisung eines sinusförmigen Stromes. Die Sinusform wird dabei in der Regel aus der Netzspannung abgeleitet .
Ein wesentliches Kriterium für eine netzsynchrone Einspeisung ist die genaue Erkennung der Netznulldurchgänge zur phasenrichtigen Ansteuerung der Leistungsteile. Die Netznulldurchgänge in der Netzspannung definieren für die Wechselrichtersteuerung die Zeitpunkte zur Umschaltung von einer positiven zur negativen Halbwelle und vice versa.
Die phasenrichtige Ansteuerung der Leistungsteile eines Wechselrichters ist aber auch für die Gerätesicherheit wesentlich. Ein fehlerhaftes Umschalten von einer positiven zur negativen Halbwelle bzw. umgekehrt führt ohne entsprechende Absicherungsmaßnahmen zu einem Netzkurzschluss im Leistungsteil des Wechselrichters, welcher die Beschädigung bzw. Zerstörung der Leistungskomponenten zur Folge haben kann.
Eine bekannte Schaltungsanordnung zur Erkennung von Nulldurchgängen besteht aus einem Spannungsteiler und einem Komparator oder Operationsverstärker (vgl. Fig. 1 und 2). Dabei liegt am Ausgang des Komparators bzw. Operationsverstärkers ein Rechtecksignal an, wobei beispielsweise dessen Low-Wert eine negative Halbwelle und dessen High-Wert eine positive Halbwelle der Netzspannung anzeigt. Der Signalwert ändert sich also mit jedem Nulldurchgang der Netzspannung. Die Widerstände des Spannungsteilers sind dabei hochohmig um die Verlustleistung gering zu halten. Derartige Schaltungen sind aufgrund der hochohmigen Eingänge des Komparators bzw. Operationsverstärkers anfällig für Fehlerfassungen der Netznulldurchgänge. Auslöser für solche Fehlerfassungen können elektromagnetische Störungen oder Störungen im Netz sein. Dabei kann es vorkommen, dass am Eingang des Komparators bzw. Operationsverstärkers ein Stromwert anliegt, dessen Vorzeichen nicht der momentanen Sollphasenlage der Netzspannung entspricht, wodurch ein falscher Netznulldurchgang registriert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, welche eine störungssichere Erfassung der Netznulldurchgänge ermöglicht .
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Erkennung von Netznulldurchgängen einer Netzspannung eines Wechselspannungsnetzes, wobei ein durch die Netzspannung hervorgerufener Messstrom einem Nulldurchgangsdetektor zur Bildung eines
Netznulldurchgangsignals zugeführt ist und wobei zwischen Leiter und Nulleiter des Wechselspannungsnetzes eine Stromsenke angeordnet ist, mittels welcher der Verlauf des Stromwertes des durch die Netzspannung hervorgerufenen Messstromes festgelegt ist.
Der Einsatz der Stromsenke stellt sicher, dass der Betrag des Messstromwertes auch bei niedrigen Netzspannungswerten im Bereich der Nulldurchgänge groß genug ist, um bei auf den Messstrom einwirkenden Störungen das phasenrichtige Vorzeichen des Messstromes beizubehalten. Bewirkt beispielsweise während einer positiven Netzhalbwelle eine elektromagnetische Störung am Eingang des Nulldurchgangsdetektors eine Absenkung des Messstromwertes, bleibt dieser trotzdem positiv und es kommt nicht zu einer fehlerhaften Erkennung eines Nulldurchganges. Die erfindungsgemäße Anordnung stellt also im kritischen Bereich nahe den Netznulldurchgängen der Netzspannung einen ausreichend hohen Messstrom bereit um die Nulldurchgänge unbeeinflusst von einwirkenden Störungen sicher zu erkennen. Andererseits wird aber auch durch eine entsprechende
Begrenzung des Messstromes im Bereich der Scheitelpunkte der Netzspannung die Verlustleistung niedrig gehalten.
In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist die Stromsenke als variable Stromsenke ausgebildet, um die
Verlustleistung durch einen variablen Verlauf des Messstromes zu optimieren.
Dabei ist es zum Beispiel vorteilhaft, wenn der durch die variable Stromsenke bewirkte Verlauf des Stromwertes indirekt proportional zum Verlauf der Netzspannung ist. Das Signal zur Steuerung der Stromsenke und damit zur Festlegung des Verlaufes des Messstromwertes kann dann direkt vom Verlauf der Netzspannung abgeleitet werden.
Um im Bereich der Netznulldurchgänge einen besonders ausgeprägten Anstieg des Messstromes bereitzustellen ist es günstig, einen entsprechend hohen Proportionalfaktor einzustellen und dabei den Verlauf des Messstromwertes für hohe Netzspannungswerte mit einem Mindestwert zu begrenzen.
In einer vorteilhaften Schaltungsanordnung ist die Stromsenke in Reihe mit einem Widerstand angeordnet und parallel zu dem Widerstand ist ein als Komparator oder Operationsverstärker ausgebildeter Nulldurchgangsdetektor angeordnet. Diese Anordnung ist mit einfachen Bauteilen realisierbar und liefert am Ausgang des Nulldurchgangsdetektors ein Rechtecksignal, dessen High-Wert eine positive Halbwelle der Netzspannung und dessen Low-Wert eine negative Halbwelle der Netzspannung anzeigt. Dabei ist es günstig, wenn der Ausgang des Komparators bzw. des Operationsverstärkers mit einem Element zur galvanischen Trennung, z.B. einem Optokoppler verbunden ist.
In einer anderen Schaltungsanordnung ist die Stromsenke in
Reihe mit einem Element zur galvanischen Trennung, z.B. einem Optokoppler angeordnet. Bei dieser Anordnung liegt am Ausgang des Optokopplers ein invertiertes Rechtecksignal an. Der Low- Wert zeigt demnach eine positive Halbwelle und der High-Wert eine negative Halbwelle der Netzspannung an. Diese Anordnung liefert mit wenigen Bauteilen ein galvanisch getrenntes Netznulldurchgangssignal .
Die Stromsenke selbst ist als unidirektionale oder als bidirektionale Stromsenke ausgebildet, je nach dem, welches Nulldurchgangssignal erwünscht ist. In einer Schaltung mit unidirektionaler Stromsenke bleibt der Messstrom solange ungleich Null, solange die Netzspannung größer als Null ist bzw. für die Ausführungsform mit in Reihe zur Stromsenke angeordnetem Optokoppler die Netzspannung größer als die Durchlassspannung der Optokopplerdiode ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Wechselrichter, dessen Leistungsteil in Abhängigkeit von den Netznulldurchgängen einer Netzspannung eines
Wechselspannungsnetzes angesteuert ist. Dabei ist ein Wechselrichter zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Wechselspannungsnetz vorgesehen, bei welchem die Nulldurchgänge der Netzspannung mittels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erfasst sind.
Vor allem bei Wechselrichtern zur Anschaltung von alternativen Stromquellen an ein Wechselstromnetz ist es wichtig, einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, um die Wirtschaftlichkeit alternativer Stromerzeugung sicherzustellen. Deshalb werden in Leistungsteilen derartigen Wechselrichter besonders verlustarme Bauteile eingesetzt. Solche Bauteile sind sehr sensibel gegenüber fehlerhaften Phasenumschaltungen und daraus resultierenden Netzkurzschlüssen. Es ist deshalb wichtig, dass die Netznulldurchgänge sicher erkannt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 Schaltungsanordnung mit Spannungsteiler und Komparator (Stand der Technik)
Fig. 2 Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 erweitert um einen Optokoppler (Stand der Technik)
Fig. 3 Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Komparator
Fig. 4 Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Optokoppler
Fig. 5 Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung mit zwei Stromsenken und zwei Optokopplern
Fig. 6 Ansteuerung einer spannungs- oder stromgesteuerten unidirektionalen Stromsenke
Fig. 7 Signalverläufe bei Verwendung einer unidirektionalen Stromsenke Fig. 8 Ansteuerung einer spannungs- oder stromgesteuerten bidirektionalen Stromsenke
Fig. 9 Signalverläufe bei Verwendung einer bidirektionalen Stromsenke
Figur 1 zeigt eine einfache Schaltungsanordnung zur Erkennung von Netznulldurchgängen nach dem Stand der Technik. Dabei bilden zwei Widerstände Rl und R2 einen Spannungsteiler zwischen Leiter L und Nullleiter N eines Wechselspannungsnetzes. Ausgehend vom Leiter L wird die Netzspannung UNEτz über den ersten Widerstand Rl und den zweiten Widerstand R2 abgebaut, wobei ein Messstrom i durch die Widerstände Rl, R2 fließt. Parallel zum zweiten Widerstand R2 ist ein Komparator oder Operationsverstärker als Nulldurchgangsdetektor geschaltet, an dessen Ausgang das Nulldurchgangssignal als Rechtecksignal anliegt. Der High- Wert entspricht einer positiven Halbwelle der Netzspannung UNETZ und der Low-Wert einer negativen Halbwelle der Netzspannung UNEτz • Die Eingänge des Komparators bzw. Operationsverstärkers können mit Schutzdioden geschützt sein.
Um die sich ergebende Verlustleistung gering zu halten, sind die beiden Widerstände Rl, R2 in der Regel hochohmig ausgebildet (z.B. 200kΩ bis 300kΩ für den ersten Widerstand Rl und 2kΩ bis 5kΩ für den zweiten Widerstand R2) . Bei einem 230V Wechselspannungsnetz ergibt sich daraus eine maximale Gesamtverlustleistung von 0,26W (ohne Berücksichtigung der Schutzdioden) .
Für den Messstrom i ergibt sich damit im Scheitelwert der
Netzspannung UNEτz ein Wert von 1,6ImA (ohne Berücksichtigung der Schutzdioden) und im Nulldurchgangsbereich bei einer Netzspannung UNEτz von IV ein Wert von 5μA (ohne Berücksichtung der Schutzdioden) .
In Figur 2 ist wiederum eine Schaltung nach dem Stand der Technik mit einem Spannungsteiler und einem Komparator bzw. Operationsverstärker dargestellt, wobei der Ausgang des Komparators bzw. Operationsverstärkers mit einem Optokoppler OPTO zur galvanischen Trennung vorgesehen ist. Da der
Optokoppler OPTO eine Invertierung des Signals bewirkt, sind die Eingänge des Komparators bzw. Operationsverstärkers vertauscht, sodass als Nulldurchgangssignal am Ausgang des Optokopplers OPTO das gleiche Signal wie am Ausgang des Komparators bzw. Operationsverstärkers in Figur 1 anliegt. Die in Figur 1 und 2 dargestellten Schaltungen nach dem Stand der Technik sind sehr empfindlich gegenüber Störungen, wenn sich die Netzspannung UNEτz einem Nulldurchgang nähert und damit der Messstrom i im Spannungsteiler sehr klein wird. Es genügen dann z.B. geringe elektromagnetische Störungen, die auf die hochohmigen Eingangsverbindungen des Komparators bzw. Operationsverstärkers einstrahlen um eine fehlerhafte Auswertung des Komparators bzw. Operationsverstärkers herbeizuführen. Ebenso können geringfügige Störungen im Netz selbst zu einem Fehler bei der Nulldurchgangserkennung führen, da aufgrund des geringen Messstromes i bereits Störungen geringer Leistung zu einem Vorzeichenwechsel am Eingang des Komparators bzw. Operationsverstärkers führen können .
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, dargestellt in Figur 3, weist diese Nachteile nicht auf. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten dadurch, dass anstelle des ersten Widerstands Rl eine Stromsenke 1, d.h. eine elektronische Last mit gesteuertem Strom oder Spannung, vorgesehen ist.
Die Stromsenke 1 ist im einfachsten Fall so eingestellt, dass bei einer Netzspannung UNEτz ungleich Null ein konstanter Messstrom iR fließt. Die Stromsenke 1 kann dabei als unidirektionale oder als bidirektionale Stromsenke ausgebildet sein. Im ersten Fall fließt nur bei einer positiven (oder nur bei einer negativen) Halbwelle der Netzspannung UNEτz ein konstanter Messstrom iR. Der Beginn bzw. das Ende einer Nullwertphase des Messstromes iR gibt bei einer unidirektionalen Stromsenke 1 den Zeitpunkt eines Nulldurchgangs der Netzspannung UNEτz an. Bei einer bidirektionalen Stromsenke 1 dreht sich die Flussrichtung des Messstromes iR mit jedem Nulldurchgang der Netzspannung UNETz um. Somit zeigt der Vorzeichenwechsel des Messstromes iR den Zeitpunkt eines Nulldurchgangs der Netzspannung UNETz an. Eine andere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in Figur 4 dargestellt. Dabei ist eine Stromsenke 1 in Reihe mit einer Diode D und einem Optokoppler OPTO als Nulldurchgangsdetektor zwischen den Leiter L und den Nullleiter N eines Wechselspannungsnetzes geschaltet. Durch diese
Reihenschaltung fließt im einfachsten Fall wieder ein konstanter Messstrom iF, wenn die Netzspannung UNEτz größer ist als die Summe der Durchlassspannung der Diode D und der Durchlassspannung der Diode des Optokopplers OPTO. Der Anfang bzw. das Ende einer Nullwertphase des Messstromes iF zeigt dabei einen Nulldurchgang der Netzspannung UNEτz an. Die sich aus den Durchlassspannungen der Dioden ergebenden Ungenauigkeiten können von einer nachgeschalteten analogen oder digitalen Kompensationseinheit ausgeglichen werden, da die bekannten Durchlassspannungen der Dioden in der Regel nur minimalen Änderungen (z.B. bei Temperaturschwankungen) unterliegen .
Am galvanisch vom Eingang getrennten Ausgang des Optokopplers OPTO liegt demnach ein invertiertes Nulldurchgangssignal in
Rechtecksform an. Der High-Wert zeigt eine negative Halbwelle und der Low-Wert eine positive Halbwelle der Netzspannung UNETZ an. Um die Detektiersicherheit der Netznulldurchgänge zu steigern, wird zur Erfassung der negativen Halbwelle und zur Erfassung der positiven Halbwellen der Netzspannung UNEτz je eine Reihenschaltung aus einem Stromwandler Ia, Ib und einem Optokoppler OPTOl, 0PT02 eingesetzt. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in Figur 5 dargestellt. Während einer positiven Halbwelle der Netzspannung UNEτz fließt ein positiver Messstrom iFP durch einen ersten Optokoppler OPTOl und eine erste Stromsenke Ia. Während einer negativen Halbwelle der Netzspannung UNEτz fließt ein negativer Messstrom iFN durch eine zweite Stromsenke Ib und einen zweiten Optokoppler 0PT02. Die Ausgangssignale der beiden Optokoppler OPTOl, 0PT02 sind einer Logikschaltung 4 zugeführt, in der die beiden Signale z.B. zu einem gemittelten Nulldurchgangssignal verarbeitet werden. Somit liegt der Vorteil einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in der hohen Verstärkung des Messstroms iR bzw. iF im Bereich der Netznulldurchgänge des Netzspannung UNETZ • Durch den hohen Messstrom iR bzw. iF in der Stromsenke bis in unmittelbare Nähe eines Netznulldurchgangs und dem schlagartigen Wegschalten des Messstromes iR bzw. iF bei Polaritätswechsel der Netzspannung UNEτz kann ein wesentlich eindeutigeres Nulldurchgangssignal gewonnen werden als es mit einem Spannungsteiler nach dem Stand der Technik möglich ist.
Vor allem für Wechselrichter ist es wichtig, auch bei stark gestörten Netzen mit Oberwellen in der Netzspannung UNEτz die tatsächliche Polarität (d.h. die Polarität der Grundschwingung) der Netzspannung UNEτz sicher zu erkennen. Abhängig vom Leistungsteil eines Wechselrichters kann bereits eine Fehlerkennung eines Netzdurchganges bei einer tatsächlichen Netzspannung UNEτz von wenigen Volt einen Bauteile schädigenden Kurzschlussstrom infolge falsch geschalteter Leistungstransistoren herbeiführen.
Die Netznulldurchgangserkennung wird dabei mit steigendem Messstrom iR bzw. iF zunehmend sicherer gegenüber Netzstörungen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass mit steigendem Strom durch die Stromsenke 1 auch die Verlustleistung in der Stromsenke 1 größer wird.
In einer vorteilhaften Ausprägung ist deshalb vorgesehen, den Messstrom iR bzw. iF in der Weise variabel vorzugeben, dass er im Bereich der Netznulldurchgänge hoch ist und im Bereich der Scheitelwerte der Netzspannung UNEτz gering ist. Ein entsprechendes Beispiel für eine unidirektionale Stromsenke ist in den Figuren 6 und 7 angegeben.
Figur 6 zeigt in vereinfachter Weise die Signalverarbeitung in den einzelnen Elementen einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung. Die spannungs- oder stromgesteuerte Stromsenke 11 ist in Reihe mit einem Nulldurchgangsdetektor 31 zwischen den Leiter L und den Nullleiter N eines Wechselspannungsnetzes geschaltet. Zudem ist die Netzspannung UNETZ einer Steuerungseinheit 21 der Stromsenke zugeführt. In der Steuerungseinheit 21 wird der Stromsenke eine Stromsenkenspannung Us als Funktion Us=f (1 /UNETZ) der Netzspannung UNEτz vorgegeben. Diese Funktion bestimmt beispielsweise für die Netzspannung UNEτz gleich Null einen Höchstwert für die Stromsenkenspannung Us . Im weiteren Verlauf fällt die Stromsenkenspannung Us linear mit steigender Netzspannung UNEτz ab, wobei eine untere Begrenzung vorgesehen ist.
In der Stromsenke 11 wird der Messstrom i durch die Stromsenke 11 als Produkt der Stromsenkenspannung Us mit einem konstanten Faktor K vorgegeben. Somit ist auch der
Messstrom das Resultat einer Funktion des Reziprokwertes der Netzspannung UNETz (i=f (1/UNETZ) ) •
Die Signalverläufe mit verschiedenen Funktionen für den Messstrom i=f (1 /UNETZ) sind in der Figur 7 dargestellt. In den Diagrammen ist auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen. Das erste Diagramm zeigt den Verlauf der Netzspannung UNETz über der Zeit t, wobei eine unidirektionale Stromquelle mit Durchlassrichtung bei positiven Halbwellen der Netzspannung UNETz angenommen ist.
So lange die Netzspannung UNETz negativ ist, bleibt der Wert des Messstromes i gleich Null. Im zweiten Diagramm ist ein Verlauf a für den Messstrom i über der Zeit t dargestellt, wobei diesem Verlauf a eine lineare Funktion des Messstromes i über der Netzspannung UNETz zugrunde liegt. Mit dem Nulldurchgang der Netzspannung UNETz spring der Messstrom i auf einen vorgegeben Maximalwert iMaχ und verläuft dann indirekt proportional zum Verlauf der Netzspannung UNETz • Zum Zeitpunkt des Erreichens des Netzspannungsscheitelpunktes erreicht der Messstrom i einen Minimalwert iMm • Im dritten Diagramm ist ein Verlauf b mit linearer Funktion des Messstromes i über der Netzspannung UNEτz und einem unteren Begrenzungswert iMm des Messstromes i dargestellt. Ein derartiger Verlauf b erlaubt gegenüber dem vorangestellten Verlauf a einen steileren Abfall des
Messstromes i bei steigender Netzspannung UNEτz und damit eine Verringerung der Verlustleistung. Die Verlustleistung beträgt zum Beispiel bei einem 230V Wechselspannungsnetz 0,39W, wenn als Maximalwert iMaχ der Messspannung 6mA und als Minamalwert iMin der Messspannung 3mA vorgegeben sind und der Minimalwert iMin bei einem Netzspannungswert von 100V erreicht wird. Damit ist die Verlustleistung im Bereich des oben angegeben Beispiels für eine Schaltung nach dem Stand der Technik, wohingegen der Messstrom i nahe der Netznulldurchgänge den 1200-fachen Wert (6mA/5μA) des Messstromes nach dem Stand der Technik erreicht.
In einem weiteren Diagramm ist ein Verlauf c des Messstromes i über der Zeit t mit nichtlinearer Funktion des Messstromes i von der Netzspannung UNEτz dargestellt.
Die Signalverarbeitung und der Signalverlauf für eine bidirektionale Stromsenke sind in den Figuren 8 und 9 dargestellt .
In Figur 8 ist die spannungs- oder stromgesteuerte Stromsenke 12 in Reihe mit einem Nulldurchgangsdetektor 32 zwischen Leiter L und Nullleiter N eines Wechselspannungsnetzes geschaltet. Die Netzspannung UNEτz ist einer Steuereinrichtung 22 der Stromsenke 12 zugeführt. In der Steuereinrichtung 22 wird eine Stromsenkenspannung Us als Funktion des Reziprokwertes der Netzspannung UNETz gebildet, wobei hier anders als bei einer unidirektionalen Stromsenke für beide Polaritäten der Netzspannung UNETz eine Funktion angegeben ist. In Figur 8 sind sowohl für die negativen als auch für die positiven Netzspannungswerte lineare Funktionen mit Begrenzung der Stromsenkenspannung Us dargestellt. Die Stromsenkenspannung Us ist der Stromsenke 12 zugeführt, wobei durch Multiplikation derselben mit einem Faktor K der Verlauf des Messstromes i durch die Stromsenke 12 vorgegeben ist.
In Figur 9 sind wieder drei unterschiedliche Beispiele für einen Messstromverlauf a, b, c über der Zeit t, indirekt proportional zur Netzspannung UNEτz dargestellt. Dabei ist ein der jeweiligen Funktion f (1/UNETZ) entsprechende Verlauf a, b, c sowohl für die positive als auch für die negative Halbwelle der Netzspannung UNEτz angegeben.
Der erste Verlauf a entspricht einer linearen Funktion des Messstromes i über der Netzspannung UNEτz mit einem vorgegeben Maximalwert iMaχ und einem Minimalwert iMm • Dem zweiten Verlauf b liegt ebenfalls einer linearen Funktion zugrunde, wobei jedoch für die positive Halbwelle der Netzspannung UNEτz ein positiver Wert mit Minimalbetrag iMin und für die negative Halbwelle der Netzspannung UNETz ein negativer Wert mit
Minimalbetrag vorgegeben ist. Dem dritten beispielhaften Verlauf c des Messstromes i über der Zeit t liegt eine nichtlineare Funktion des Messstromes i von der Netzspannung UNETz zugrunde .
Sowohl für unidirektionale als auch für bidirektionale Stromsenken können beliebige andere Funktion gewählt werden. Dabei ist lediglich die Vorgabe eines hohen Messstromes im Bereich geringer Netzspannung UNETz bei gleichzeitig geringer Verlustleistung durch die Stromsenke zu berücksichtigen.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Erkennung von Netznulldurchgängen einer Netzspannung (UNETZ) eines Wechselspannungsnetzes, wobei ein durch die Netzspannung (UNETZ) hervorgerufener Messstrom
(i, iR, iF, iFP, iFN) einem Nulldurchgangsdetektor (31, 32) zur Bildung eines Netznulldurchgangsignals zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Leiter (L) und Nullleiter (N) des Wechselspannungsnetzes eine Stromsenke (1, Ia, Ib, 11, 12) angeordnet ist, mittels welcher der Verlauf des Stromwertes des durch die Netzspannung (UNETZ) hervorgerufenen Messstromes (i, iR, iF, iFP, iFN) festgelegt ist .
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsenke (1, Ia, Ib, 11, 12) als variable Stromsenke ausgebildet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die variable Stromsenke (1, Ia, Ib, 11, 12) bewirkte Verlauf des Stromwertes des Messstromes (i, iR, iF, iFP, iFN) indirekt proportional zum Verlauf der Netzspannung (UNETZ) ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die variable Stromsenke (1, Ia, Ib, 11, 12) bewirkte Verlauf des Stromwertes mit einem Mindestwert (iMm) begrenzt ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsenke (1, 11, 12) in Reihe mit einem Widerstand (R) angeordnet ist und dass parallel zu dem Widerstand (R) ein als Komparator oder Operationsverstärker ausgebildeter Nulldurchgangsdetektor angeordnet ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Komparators bzw. des Operationsverstärkers mit einem Element zur galvanischen Trennung (OPTO) verbunden ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsenke (1, Ia, Ib, 11, 12) in Reihe mit einem Element zur galvanischen Trennung (OPTO, OPTOl, 0PT02) angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur galvanischen Trennung als Optokoppler (OPTO, OPTOl, 0PT02) ausgebildet ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsenke (1, Ia, Ib, 11, 12) als unidirektionale oder als bidirektionale Stromsenke ausgebildet ist.
10. Wechselrichter zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Wechselspannungsnetz, dadurch gekennzeichnet, dass die Netznulldurchgänge der Netzspannung (UNEτz) mittels einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 erfasst sind.
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