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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines Versorgungsnetzes. Solche Vorrichtungen werden auch als PE-Monitor bezeichnet.
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Die
DE 10 2011 101 530 A1 zeigt ein Verfahren, bei dem eine Schleifenimpedanz eines Stromkreises bestimmt und in Abhängigkeit von der bestimmten Schleifenimpedanz die Ladevorrichtung von dem Energieversorgungssystem entkoppelt wird. Es ist eine Vorrichtung zum Überwachen eines Versorgungsnetzes mit aktiven Leitern und einem Schutzleiter offenbart, welche Vorrichtung einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss einen Stromsteller und eine Signalerfassungsanordnung aufweist, welcher erste Anschluss mit einem ersten aktiven Leiter des Versorgungsnetzes verbindbar ist, welcher dritte Anschluss mit dem Schutzleiter des Versorgungsnetzes verbindbar ist, und welcher Stromsteller dazu ausgebildet ist, bei Anschluss des Versorgungsnetzes einen Stromfluss in einer ersten Stromschleife zu ermöglichen, welche erste Stromschleife den Stromsteller, den dritten Anschluss, das Versorgungsnetz, den ersten Anschluss und wieder den Stromsteller umfasst. Die Signalerfassungsanordnung ist dazu ausgebildet ist, ein erstes Signal an einem vorgegebenen ersten Punkt der ersten Stromschleife zu erfassen und der Auswertevorrichtung ein Signalerfassungsanordnungssignal zuzuführen. Die Auswertevorrichtung ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit vom Signalerfassungsanordnungssignal ein Auswertesignal zu erzeugen.
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Die
EP 0 881 500 A1 zeigt eine Schleifenstrommessung für ein Versorgungsnetz mit Neutralleiter.
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Die
EP 2 869 075 A1 betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Lecks zwischen den Leistungsanschlüssen und Erde, bei dem die Impedanz zwischen den Leistungsanschlüssen und Erde bestimmt wird.
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Die
US 2014/0340092 A1 zeigt einen Überwachungsapparat, bei welchem der Schleifenwiderstand des Batterielade- und Entladesystems gemessen wird.
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Die
US 2016/0327615 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine tragbare Fahrzeug-Ladeanordnung, die zum Testen von Ladestationen dient.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Vorrichtung zum Überwachen eines Versorgungsnetzes bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1, durch den Gegenstand des Anspruchs 14, durch den Gegenstand des Anspruchs 18, durch den Gegenstand des Anspruchs 20, durch den Gegenstand des Anspruchs 22 und durch den Gegenstand des Anspruchs 24.
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Eine Vorrichtung zum Überwachen eines Versorgungsnetzes mit aktiven Leitern und einem Schutzleiter weist einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss, einen Stromsteller und eine Signalerfassungsanordnung auf, welcher erste Anschluss mit einem ersten aktiven Leiter des Versorgungsnetzes verbindbar ist, welcher dritte Anschluss mit dem Schutzleiter des Versorgungsnetzes verbindbar ist, und welcher Stromsteller dazu ausgebildet ist, bei Anschluss des Versorgungsnetzes einen Stromfluss in einer ersten Stromschleife zu ermöglichen, welche erste Stromschleife den Stromsteller, den dritten Anschluss, das Versorgungsnetz, den ersten Anschluss und wieder den Stromsteller umfasst, welche Vorrichtung dazu ausgebildet ist, über den Stromsteller ein Wechselstromsignal in der ersten Stromschleife zu erzeugen, welche Signalerfassungsanordnung dazu ausgebildet ist, ein erstes Signal an einem vorgegebenen ersten Punkt der ersten Stromschleife zu erfassen und der Auswertevorrichtung ein Signalerfassungsanordnungssignal zuzuführen, welches erste Signal eine erste Information über die Impedanz der ersten Stromschleife aufweist, welches Signalerfassungsanordnungssignal abhängig ist vom ersten Signal, und welche Auswertevorrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit vom Signalerfassungsanordnungssignal ein Auswertesignal zu erzeugen, welches abhängig ist von der Impedanz der ersten Stromschleife. Die Verwendung eines Wechselstromsignals ermöglicht eine gute Auswertung, und die Gefahr eines Auslösens eines Fehlerstrom-Schutzschalters ist geringer als bei einem Gleichstromsignal.
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Nach Anspruch 1 weist die erste Stromschleife mindestens einen Kondensator auf, dessen erster Anschluss in Richtung zum ersten Anschluss verschaltet ist und dessen zweiter Anschluss in Richtung zum Stromsteller verschaltet ist, wobei die erste Stromschleife mindestens einen Widerstand auf, welcher parallel zum Kondensator verschaltet ist. Der Widerstand erlaubt die Erzeugung eines für den Stromsteller geeigneten Potenzials.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Signalerfassungsanordnung dazu ausgebildet, als erstes Signal ein die Spannung am ersten Anschluss charakterisierendes Signal zu erfassen. Die Spannung am ersten Anschluss enthält eine Information über die Impedanz des Versorgungsnetzes und ist daher gut zur Auswertung geeignet. Das die Spannung am ersten Anschluss charakterisierende Signal kann beispielsweise auch dann erfasst werden, wenn am ersten Anschluss ein Widerstand vorgesehen ist und erst hinter dem Widerstand gemessen wird.
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Nach Anspruch 24 ist der zweite Anschluss mit einem zweiten aktiven Leiter des Versorgungsnetzes verbindbar, und der Stromsteller ist dazu ausgebildet, bei Anschluss des Versorgungsnetzes einen Stromfluss in einer zweiten Stromschleife zu ermöglichen, welche zweite Stromschleife den Stromsteller, den dritten Anschluss, das Versorgungsnetz, den zweiten Anschluss und wieder den Stromsteller umfasst. Die Messung in der zweiten Stromschleife erhöht die Genauigkeit der Messung, da auch bei ungleichen Impedanzen in der ersten Stromschleife und zweiten Stromschleife die Auswirkung des Wechselstromsignals gut erfasst werden kann. Bei Versorgungsnetzen mit nur zwei aktiven Leitern wie beispielsweise dem Versorgungsnetz vom Typ US split phase werden beide aktiven Leiter mit je einer Stromschleife gemessen, und man erhält ein gutes Ergebnis für die Impedanzen.
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Nach Anspruch 24 ist die Signalerfassungsanordnung dazu ausgebildet, ein zweites Signal an einem vorgegebenen zweiten Punkt der zweiten Stromschleife zu erfassen, welches zweite Signal eine zweite Information über die Impedanz der zweiten Stromschleife aufweist, und das Signalerfassungsanordnungssignal ist abhängig vom ersten Signal und vom zweiten Signal. Hierdurch kann die Auswertevorrichtung sowohl das erste Signal als auch das zweite Signal auswerten.
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Nach Anspruch 24 weist die Signalerfassungsanordnung einen Addierer auf, welcher dazu ausgebildet ist, das Signalerfassungsanordnungssignal als Summensignal des ersten Signals und des zweiten Signals zu bilden. Das Summensignal enthält die Auswirkung des Wechselstromsignals auf beide Stromschleifen. Zudem mitteln sich die Phasen HOT1 und HOT2 mit der Netzfrequenz, die eine Phasenverschiebung von 180° zueinander haben, durch den Addierer zumindest teilweise zu einer niedrigeren Spannung oder im Idealfall zu einer Netzspannung von 0 V.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Stromschleife mindestens einen Kondensator auf, dessen erster Anschluss in Richtung zum zweiten Anschluss verschaltet ist und dessen zweiter Anschluss in Richtung zum Stromsteller verschaltet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Addierer einen Spannungsteiler auf. Der Spannungsteiler ermöglicht eine einfache Addition. Es sind aber beispielsweise auch Addierer mit Operationsverstärkern möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Signalerfassungsanordnung dazu ausgebildet, der Auswertevorrichtung als Signalerfassungsanordnungssignal ein erstes Signalerfassungsanordnungssignal und ein zweites Signalerfassungsanordnungssignal zuzuführen, welches erste Signalerfassungsanordnungssignal abhängig ist vom ersten Signal und welches zweite Signalerfassungsanordnungssignal abhängig ist vom zweiten Signal. Durch das getrennte Zuführen des ersten Signalerfassungsanordnungssignals und des zweiten Signalerfassungsanordnungssignals kann die Auswertevorrichtung die Stromschleifen einzeln auswerten und erhält somit die volle Information der Messung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Strommessvorrichtung zur Erfassung eines den durch den Stromsteller erzeugten Strom charakterisierenden Messsignals auf, und die Auswertevorrichtung ist dazu ausgebildet, das Auswertesignal in Abhängigkeit vom Messsignal zu erzeugen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswertevorrichtung dazu ausgebildet, als Auswertesignal ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn das Messsignal einem zu niedrigen Wechselstromsignal entspricht. Die Messung des tatsächlich erzeugten Stroms ist vorteilhaft, da das Signalerfassungsanordnungssignal abhängig ist davon. Wenn der Messstrom zu niedrig ist, kann dies ein Zeichen für eine zu hohe Impedanz in der jeweiligen Stromschleife sein, und dies ergibt eine Information für das Auswertesignal.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Wechselstromsignal eine Messfrequenz auf, welche im Bereich 75 Hz bis 625 Hz liegt, bevorzugt im Bereich 100 Hz bis 590 Hz. Die Messfrequenz beeinflusst die durch Kapazitäten und/oder Induktivitäten erzeugte Impedanz. Der genannte Bereich hat sich als vorteilhaft für die Messung und Auswertung erwiesen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Wechselstromsignal eine Messfrequenz auf, welche ungleich einem ungeraden Vielfachen der Netzfrequenz ist. Untersuchungen haben ergeben, dass bei den ungeraden Vielfachen der Netzfrequenz Oberwellen auftreten, die zu einer Störung der Messung führen können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Frequenzmessvorrichtung auf, welche Frequenzmessvorrichtung dazu ausgebildet ist, einen die Netzfrequenz charakterisierenden Frequenzmesswert zu ermitteln, und welche Vorrichtung dazu ausgebildet ist, die Messfrequenz in Abhängigkeit vom Frequenzmesswert zu bestimmen. Durch die Information des Frequenzmesswerts kann eine gut für die Messung geeignete Messfrequenz gewählt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stromsteller als Stromregler ausgebildet. Die Verwendung eines Stromreglers erlaubt die Reaktion auf sich ändernde Impedanzen in den Messschleifen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswertevorrichtung dazu ausgebildet, das Signalerfassungsanordnungssignal durch ein Bandpass-Filter zu filtern, um eine Dämpfung im Bereich der Netzfrequenz zu bewirken. Das Bandpass-Filter ermöglicht eine geringe Dämpfung im Bereich um die Messfrequenz herum, dem so genannten Band, aber gleichzeitig eine starke Dämpfung oberhalb und unterhalb davon. Die Netzfrequenz kann hierdurch gut gedämpft werden, und dies erleichtert die Auswertung im Frequenzbereich der Messfrequenz.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bandpass-Filter als aktives Filter ausgebildet. Die Verwendung aktiver Filter ermöglicht einen engen Bandbereich und eine große Dämpfung außerhalb des Bandbereichs. Dies ist vorteilhaft, da die Netzfrequenz und die Messfrequenz relativ nah beieinanderliegen.
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Nach Anspruch 14 weist die Vorrichtung eine Phasenregelschleife auf, welche Phasenregelschleife dazu ausgebildet ist, ein Phasenregelschleifensignal derart durch einen geschlossenen Regelkreis zu erzeugen, dass die Phasenabweichung zwischen dem Phasenregelschleifensignal und einer Phase der Versorgungsspannung konstant ist. Die Erzeugung des Phasenregelschleifensignals ergibt eine gute Referenz für das Verhalten der Phase.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Auswertevorrichtung ein die Netzfrequenz charakterisierender Wert und ein die Messfrequenz charakterisierender Wert zugeführt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, das Wechselstromsignal in Abhängigkeit vom Phasenregelschleifensignal zu beeinflussen. Das Wechselstromsignal kann hierdurch mit dem Phasenregelschleifensignal synchronisiert werden, und die Qualität der Auswertung wird verbessert, insbesondere im Zusammenhang mit einer ggf. durchgeführten Fouriertransformation.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, das Wechselstromsignal mit einem vorgegebenen Frequenzfaktor mit dem Phasenregelschleifensignal zu synchronisieren. Durch diese Maßnahme werden die Frequenzen der Phase und des Wechselstromsignals in ein festes Verhältnis gesetzt, und es entsteht keine Phasenverschiebung zusätzlich zur Phasenverschiebung durch die unterschiedlichen Frequenzen.
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Nach Anspruch 18 weist die Auswertevorrichtung einen Summierer auf, welcher dazu ausgebildet ist, das Signalanordnungssignal mit einem Phasensignal zu summieren, welches Phasensignal eine Frequenz aufweist, welche der Netzfrequenz der Stromversorgung entspricht, um beim Signalanordnungssignal eine Verringerung des Frequenzanteils der Netzfrequenz zu bewirken. Die Amplitude der Spannung im Bereich der Netzfrequenz ist deutlich größer als die durch das Wechselstromsignal erzeugte Spannungsamplitude. Eine Verringerung der Amplitude der Netzfrequenz erleichtert daher die Auswertung.
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Nach Anspruch 20 die Auswertevorrichtung dazu ausgebildet, eine Fouriertransformation des Signalanordnungssignals durchzuführen, um den Frequenzanteil der Messfrequenz zu ermitteln. Durch die Fouriertransformation kann der interessante Frequenzanteil gut ermittelt werden.
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Nach Anspruch 22 ist die Vorrichtung an ein Versorgungsnetz ohne Neutralleiter anschließbar. Die Vorrichtung setzt also nicht das Vorhandensein eines Neutralleiters voraus, sie hat insbesondere im relevanten Schaltungsteil keine Bestandteile, die den Anschluss eines Neutralleiters erfordern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Anschluss und der zweite Anschluss mit einer Phase als aktivem Leiter verbunden. Dies ermöglicht beispielsweise in vorteilhafter Weise den Betrieb der Vorrichtung an einem Versorgungsnetz vom Typ US split phase.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Anschluss mit einem Neutralleiter als aktivem Leiter verbunden, und der zweite Anschluss ist mit einer Phase als aktivem Leiter verbunden. Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst die Stromschleife den ersten Anschluss, um eine Messung am Neutralleiter zu ermöglichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswertevorrichtung dazu ausgebildet, bei einer Erhöhung der Impedanz über einen vorgegebenen Grenzwert innerhalb einer Reaktionszeit von weniger als 40,0 ms eine entsprechende Information im Auswertesignal zu erzeugen. Wenn sehr kurz gewartet wird, beispielsweise 0,5 ms, kann es zu einem Fehlalarm kommen, bei dem eine zu hohe Impedanz der Stromschleife angezeigt wird, obwohl dies nicht der Fall ist. Wenn dagegen zu lange das Messsignal beobachtet wird, kann es bei einer tatsächlichen Impedanzerhöhung zu einer Gefahr auf Grund schlechter Schutzleiterverbindung kommen. Die 40 ms haben sich als guter Wert erwiesen. Weiter bevorzugt beträgt die Reaktionszeit mehr als 1,0 ms.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt
- 1 eine Vorrichtung zum Überwachen eines Versorgungsnetzes mit einem Stromsteller und einer Signalerfassungsanordnung,
- 2 das Frequenzspektrum eines Signalerfassungsanordnungssignals,
- 3 das Frequenzspektrum des Signalerfassungsanordnungssignals von 2 nach Anwendung eines Tiefpass-Filters,
- 4 ein Tiefpass-Filter,
- 5 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung von 1,
- 6 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung von 1,
- 7 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung von 1,
- 8 ein Bild eines Oszilloskops bei einer ersten Messung,
- 9 ein Bild eines Oszilloskops bei einer zweiten Messung,
- 10 eine Ausführungsform eines Netzteils und eines Stromstellers,
- 11 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung von 1, und
- 12 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Überwachen eines Versorgungsnetzes mit einem Stromsteller und einer Signalerfassungsanordnung,
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Im Folgenden sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
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1 zeigt eine Vorrichtung 20 zum Überwachen eines Versorgungsnetzes 10.
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Die Vorrichtung 20 hat einen Anschluss 21 (bzw. 21') mit einer Leitung 51, einen Anschluss 24 (bzw. 24') mit einer Leitung 54 sowie einen Schutzleiteranschluss 25 (bzw. 25') mit einer Leitung 55. Der Schutzleiteranschluss 25 ist mit einem Schutzleitersymbol 99 verbunden, das auch an anderer Stelle der Schaltung als Symbol für eine leitende Verbindung mit dem Schutzleiteranschluss 25 verwendet wird.
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Die Vorrichtung 20 ist beispielhaft an ein Versorgungsnetz 10 vom Typ US split phase angeschlossen, wie es insbesondere in den USA verwendet wird. Ein solches Versorgungsnetz wird auch als Einphasen-Dreileiternetz bezeichnet. Das Versorgungsnetz 10 hat einen Punkt 13, welcher über eine erste Wechselspannungsquelle 11 mit dem Anschluss 21 (HOT1) verbunden und über eine Wechselspannungsquelle 12 mit dem Anschluss 24 (HOT2) verbunden ist. Der Punkt 13 ist über einen Erdungsanschluss 199 geerdet und mit dem Schutzleiteranschluss 25 (PE) verbunden. Die Wechselspannungsquellen 11, 12 sind beispielsweise die Sekundärseite eines Transformators, und der Punkt 13 ist eine Mittelanzapfung auf der Sekundärseite. Die Leiter 51, 54 werden als aktive Leiter bezeichnet, da über diese im Regelfall der Strom fließt. Im vorliegenden Fall sind die aktiven Leiter 51, 54 mit HOT1 bzw. HOT2 des US split phase-Versorgungsnetzes verbunden. Bei einem europäischen Netz könnten beispielsweise die Leiter 51, 54 mit den Anschlüssen L1 bzw. N verbunden sein.
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Ein Verbraucher 15 ist beispielhaft über Leitungen an den Anschlüssen 21, 24 und 25 sowie an zusätzlichen Anschlüssen 22, 23 angeschlossen und kann Leistung aus dem Versorgungsnetz 10 entnehmen bzw. aus dem Versorgungsnetz gespeist werden. Über die Leitungen 22, 23 kann beispielsweise ein Anschluss der Phasen L2, L3 bei einem europäischen Drehstrom-Versorgungsnetz mit den aktiven Anschlüssen L1, L2, L3, N erfolgen.
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Die Vorrichtung 20 hat einen Widerstand 60 und einen Widerstand 62. Die Leitung 51 ist über den Widerstand 60 mit einem Punkt 61 verbunden, und der Punkt 61 ist über den Widerstand 62 mit der Leitung 54 verbunden. Den Widerständen 60 und 62 ist jeweils ein Kondensator 63 bzw. 64 parallel geschaltet. Der Punkt 61 ist über einen Stromsteller 44 mit einem Punkt 42 verbunden, und der Punkt 42 ist über einen Widerstand 40 mit dem Anschluss 25 verbunden. Anders ausgedrückt weist die erste Stromschleife 81 den Kondensator 63 auf, dessen erster Anschluss in Richtung zum ersten Anschluss 21 verschaltet ist und dessen zweiter Anschluss in Richtung zum Stromsteller 44 verschaltet ist. Der Widerstand 60 ist parallel zum Kondensator 63 verschaltet. In gleicher Weise weist die zweite Stromschleife 84 den Kondensator 64 auf, dessen erster Anschluss in Richtung zum zweiten Anschluss 24 verschaltet ist und dessen zweiter Anschluss in Richtung zum Stromsteller 44 verschaltet ist. Der Widerstand 62 ist parallel zum Kondensator 64 verschaltet. Die Widerstände 60, 62 bewirken einen Spannungsteiler.
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Ein Netzteil 46 ist mit der Leitung 51 und der Leitung 54 verbunden, und die Ausgangsspannungen des Netzteils 46 werden über Leitungen 65, 66 dem Stromsteller 44 zugeführt. An der Leitung 65 beträgt die Spannung des Netzteils 46 bspw. + 15 V, und an der Leitung 66 bspw. - 15 V.
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Eine Analysevorrichtung 28 hat einen Differenzbildner 32 und eine Auswertevorrichtung 30.
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Eine Signalerfassungsanordnung 31 ist beispielhaft dazu ausgebildet, ein erstes Signal SIG1 an der Leitung 51 zu erfassen, ein zweites Signal SIG2 an der Leitung 54 zu erfassen und der Auswertevorrichtung 30 ein Signalerfassungsanordnungssignal SIG3 zuzuführen. Die Signalerfassungsanordnung 31 hat beispielhaft einen Addierer 67, 68, welcher dazu ausgebildet, das Signalerfassungsanordnungssignal SIG3 als Summensignal des ersten Signals SIG1 und des zweiten Signals SIG2 zu bilden. Im Ausführungsbeispiel hat der Addierer 67, 68 einen Widerstand 67, über welchen die Leitung 51 mit einem Punkt 69 verbunden ist, und einen Widerstand 68, über welchen die Leitung 54 mit dem Punkt 69 verbunden ist. Die Widerstände 67, 68 wirken als Spannungsteiler und erzeugen am Punkt 69 im Falle des Anschlusses eines Versorgungsnetzes vom Type US split phase ein niedriges Potenzial. Dies kann auch als virtueller Neutralleiter bezeichnet werden. Das niedrige Potenzial kann auch auf andere Art erzeugt werden, beispielsweise durch einen Spannungsregler.
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Die Auswertevorrichtung 30 ist mit dem Punkt 69 verbunden und erhält über diesen Punkt 69 das Signalerfassungsanordnungssignal SIG3.
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Der Differenzbildner 32 ist über eine Leitung 71 mit der Leitung 51 verbunden und über eine Leitung 72 mit der Leitung 54 verbunden. Das Ausgabesignal des Differenzbildners 32 charakterisiert die Differenz U21 - U24 der Spannung U21 am Anschluss 21 und der Spannung U24 am Anschluss 24 und wird der Auswertevorrichtung 30 über eine Leitung 33 zugeführt. Es kann beispielsweise als Differenzbildner 32 ein Vergleicher verwendet werden, oder ein Subtrahierer. Der Differenzbildner 32 kann auch als Messschaltung ausgebildet werden, welche die Netzspannung für die Auswertevorrichtung 30 sowohl vom Pegel als auch von den Störungen her aufbereitet.
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Die Auswertevorrichtung 30 hat eine Frequenzmessvorrichtung 348, welche dazu ausgebildet ist, einen die Netzfrequenz f_N charakterisierenden Frequenzmesswert f_N_M zu ermitteln. Bevorzugt wird die Messfrequenz f_M in Abhängigkeit vom Frequenzmesswert f_N_M bestimmt.
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Die Auswertevorrichtung 30 ist über eine Leitung 73 mit dem Stromsteller 44 verbunden, und über die Leitung 73 kann dem Stromsteller 44 ein Signal I_S als Sollwert für den durch den Stromsteller 44 erzeugten Strom zugeführt werden. Der Punkt 42 ist über eine Leitung 74 mit der Auswertevorrichtung 30 verbunden. Am Punkt 42 liegt wegen des Widerstands 40 eine Spannung vor, welche abhängig ist von der durch den Stromsteller 44 erzeugten Stromstärke. Die Spannung fällt am Punkt 42 gegenüber dem Schutzleiter PE an. Der Widerstand 40 wirkt somit als Strommessvorrichtung und erfasst ein den durch den Stromsteller 44 erzeugten Strom I_I charakterisierendes Messsignal I_I_M, welches über die Leitung 74 an die Auswertevorrichtung 30 übertragen wird.
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Der Stromsteller 44 ist bevorzugt als Stromregler ausgebildet.
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Es folgen beispielhafte Werte für einige der Bauteile der Schaltungsanordnung:
| Widerstände 60, 62, 67, 68 | 44 kOhm |
| Kondensatoren 63, 64 | 1 µF |
| Widerstand 40 | 510 Ohm |
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Funktionsweise
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Der vom Stromsteller 44 erzeugte Strom kann in einer ersten Stromschleife 81 über den Widerstand 40, den Anschluss 25, die Wechselstromquelle 11, den Anschluss 21 und den Widerstand 60 bzw. den Kondensator 63 zum Stromsteller 44 fließen.
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Da die Impedanz des Kondensators 63 für den Messstrom I_I, der ein Wechselstrom ist, niedriger ist als der Widerstand 60, fließt der Messstrom I_I hauptsächlich über den Kondensator 63. Der Widerstandsteiler mit den Widerständen 60, 62 erzeugt bei einem Stromnetz vom Typ US split phase bei symmetrischen Amplituden und Widerständen einen virtuellen Neutralleiter bzw. zumindest einen Punkt mit niedriger Spannung. Hierdurch kann der Strom durch den Stromsteller 44 leicht eingeprägt werden.
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Eine weitere Stromschleife 84 ist möglich, bei der der vom Stromsteller 44 erzeugte Strom über den Widerstand 40, den Anschluss 25, die Wechselstromquelle 12, den Anschluss 24, den Widerstand 62 bzw. den Kondensator 64 zurück zum Stromsteller 44 fließen kann.
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Schematisch ist ein Widerstand 14 im Versorgungsnetz 10 zwischen dem Anschluss 25 und dem Punkt 13 eingezeichnet. Während die Anschlüsse 21 und 24 über die Wechselspannungsquellen 11, 12 üblicherweise niederohmig verbunden sind, ist dies beim Schutzleiter PE nicht immer der Fall. Dies kann auf einer defekten Leitung beruhen. Zudem existieren Versorgungsnetze 10, bei denen der Schutzleiter PE überhaupt nicht vorhanden ist oder hochohmig verbunden ist. Da der Schutzleiter PE am Anschluss 25 üblicherweise für die Erdung metallischer Gehäuse des Verbrauchers 15 verwendet wird, kann die durch die Erdung hervorgerufene Schutzwirkung bzw. Schutzklasse nicht erfüllt werden, wenn keine niederohmige Verbindung des Anschlusses 25 mit dem Schutzleiter PE vorhanden ist. Aus diesem Grund soll durch die Vorrichtung 20 überprüft werden, ob auf der Seite des Versorgungsnetzes 10 der Widerstand 14 niederohmig oder hochohmig ist. Diese Überwachung kann dadurch erfolgen, dass der Strom, der in den Stromschleifen 81 bzw. 84 fließt, abhängig ist vom Widerstand 14 und von den übrigen Widerständen 60, 40 bzw. 62, 40. Da der Widerstand 14 auf der Seite des Versorgungsnetzes 10 ist, kann dieser nicht direkt gemessen werden. Der Spannungsabfall am Widerstand 60 bzw. 62 und der Spannungsabfall am Widerstand 14 sind jedoch abhängig vom Widerstand 40, und die Spannung bzw. der Strom an der Leitung 51 und auch an der Leitung 54 enthalten eine Information über den Einfluss des Widerstands 14 in Abhängigkeit von dem vom Stromsteller 44 erzeugten Strom.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Leitungen 51 und 54 mit den Signalen SIG1 bzw. SIG2 über den Spannungsteiler aus den Widerständen 67 und 68 miteinander verbunden, und das Signal SIG3 am Punkt 69 wird der Auswertevorrichtung 30 zugeführt.
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Ein erstes Problem bei der Überwachung des Versorgungsnetzes 10 ist, dass bspw. der Verbraucher 15 ein EMV-Filter mit Y-Kapazitäten aufweist, welche eine kapazitive Verbindung zwischen dem Anschluss 25 und dem Anschluss 21 bzw. zwischen dem Anschluss 25 und dem Anschluss 24 bewirken. Dies hat zur Folge, dass bei den Stromschleifen 81 und 84 ein Wechselstrom auch in einem Parallelpfad über die Y-Kapazitäten fließen kann. Ein durch den Stromsteller 44 erzeugter konstanter Gleichstrom würde nicht über die Y-Kapazitäten fließen, da diese nur bei Wechselströmen oder sich ändernden Gleichströmen leiten. Bei Gleichströmen besteht jedoch das Problem, dass diese zu einem Fehlerstrom führen können, der zu einem Auslösen eines ggf. vorhandenen Fehlerstrom-Schutzschalters führen würde. Die vom Stromsteller 44 erzeugten Ströme dürfen daher nur relativ gering sein.
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Dies führt zum nächsten Problem, da an den aktiven Leitern 51 und 54 hohe Spannungen von mehreren hundert Volt anliegen können, der durch den Stromsteller 44 erzeugte Strom dagegen im Milliampere-Bereich liegen muss und daher nur zu einer Beeinflussung der Spannung an den Leitungen 51 bzw. 54 im mV-Bereich führt. Dies ergibt ein sehr schlechtes Signal-RauschVerhältnis, und die Auswertung ist schwierig.
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Versuche haben ergeben, dass die Erzeugung eines Gleichstromsignals durch den Stromsteller 44 zur Messung des Widerstands der Stromschleifen 81, 84 messtechnisch schwierig auszuwerten ist. Fehlerstrom-Schutzschalter haben einen Auslösegrenzwert von bspw. 20 mA Fehlstrom. Da fast jeder Verbraucher 15 bspw. durch die Y-Kapazitäten Fehlerströme erzeugt, könnte ein durch den Stromsteller 44 erzeugter Strom allenfalls wenige Milliampere betragen.
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Es wurden daher Versuche mit einem durch den Stromsteller 40 erzeugten Wechselstrom durchgeführt. Die Frequenz des Versorgungsnetzes beträgt üblicherweise 50 Hz oder 60 Hz. Für eine möglichst geringe Beeinflussung der Messung durch die Netzfrequenz ist es vorteilhaft, wenn die Messfrequenz deutlich kleiner oder deutlich größer als die Netzfrequenz ist. Bei einer sehr niedrigen Messfrequenz f_M erhöht sich die Gefahr, dass ein Fehlerstrom-Schutzschalter durch den Wechselstrom ausgelöst wird. Fehlerstrom-Schutzschalter lösen bspw. aus, wenn der Fehlerstrom über zwei Perioden der Netzfrequenz über einem vorgegebenen Maximalwert liegt. Bei Frequenzen, die höher sind als die Netzfrequenz, mittelt sich der durch den Messstrom I_I verursachte Fehlerstrom über die einzelnen Perioden weitgehend aus, und ein Auslösen des Fehlerstrom-Schutzschalters wird vermieden. Ein weiterer Effekt ergibt sich durch die Y-Kondensatoren, die bspw. im Verbraucher 15 vorgesehen sind. Die Impedanz ist proportional zum Kehrwert der Frequenz des Wechselstroms. Mit steigender Frequenz sinkt somit die Impedanz. Da die Stromschleifen 81 bzw. 84 über das Versorgungsnetz 10 verlaufen sollen und nicht über die Y-Kondensatoren, ist es vorteilhaft, wenn die Y-Kondensatoren eine möglichst hohe Impedanz haben. Denn dann fließt der Strom I_I hauptsächlich über das Versorgungsnetz 10. Im Ergebnis ist eine möglichst niedrige Frequenz vorteilhaft.
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Die Betrachtung ergibt, dass jeder Frequenzbereich einen Vorteil und einen Nachteil hat. Als vorteilhafter Frequenzbereich für die Messung hat sich der Bereich zwischen 75 Hz und 625 Hz herausgestellt, weiter bevorzugt der Bereich 100 Hz bis 590 Hz. Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist, dass die Messfrequenz nicht einem ungeraden Vielfachen der Netzfrequenz entsprechen sollte, da bei diesen Frequenzen Oberschwingungen der Netzfrequenz auftreten können. Als besonders vorteilhaft haben sich Messfrequenzen im Bereich 175 ± 23 Hz, 225 Hz ± 23 Hz, 275 ± 23 Hz, 325 Hz ± 23 Hz und 375 ± 23 Hz erwiesen.
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Der Widerstand 14 auf der Seite des Versorgungsnetzes 10 beträgt beispielsweise 2-3 Ohm, und als Schwelle für einen zu hohen Widerstand 14 kann bevorzugt ein Widerstand von 200 Ohm oder 250 Ohm angenommen werden.
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Die Signalerfassungsanordnung 31 kann das erste Signal SIG1 bzw. das zweite Signal SIG2 an unterschiedlichen Punkten der ersten Stromschleife 81 bzw. zweiten Stromschleife 84 erfassen. Bevorzugt liegen die Punkte im Bereich der Vorrichtung 20 zwischen der vom Anschluss 25 abgewandten Seite des Stromstellers 44 und dem Anschluss 21 für das Signal SIG1 und im Bereich der Vorrichtung 20 zwischen der vom Anschluss 25 abgewandten Seite des Stromstellers 44 und dem Anschluss 24 für das Signal SIG2. Die Signale SIG1 und SIG2 charakterisieren somit die Spannung am ersten Anschluss 21.
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Das Signalerfassungsanordnungssignal SIG3 ist durch das Zusammenführen der Signals SIG1 und SIG2 am Punkt 69 sowohl abhängig vom Signal SIG1 als auch vom Signal SIG2 und enthält die Information über die Impedanz der jeweiligen Stromschleife 81 und 84.
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Es können auch beide Signale SIG1 und SIG2 als getrennte Signale der Auswertevorrichtung 30 zugeführt werden und separat ausgewertet werden. Dies ermöglicht eine Bestimmung einer möglichen Asymmetrie des Widerstands 14 in Richtung des Anschlusses 21 bzw. 24. Die einzelnen Auswerteeinheiten der Auswertevorrichtung 30 müssen aber in einem solchen Fall zumindest teilweise doppelt vorgesehen werden, um die Auswertung der getrennten Signale durchzuführen.
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Die Auswertevorrichtung 30 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit vom Signalerfassungsanordnungssignal SIG3 ein Auswertesignal OUT zu erzeugen, welches abhängig ist von der Impedanz der ersten Stromschleife 81 und/oder zweiten Stromschleife 84. Das Auswertesignal OUT kann entweder intern in der Auswertevorrichtung 30 verwendet werden oder aber an andere Geräte weitergegeben werden. In einem Fahrzeug kann das Auswertesignal OUT beispielsweise über einen CAN-Bus zur Verfügung gestellt werden, in Abhängigkeit vom Auswertesignal OUT kann die Verbindung zur Stromversorgung 10 unterbrochen werden, und/oder eine Fehleranzeige kann in Abhängigkeit vom Auswertesignal OUT erfolgen.
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Das Auswertesignal OUT kann beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Informationen umfassen:
- - Qualitative Angabe, ob die Impedanz im zulässigen Bereich ist oder nicht
- - Quantitative Angabe der Impedanz des Widerstands 14
- - Quantitative Angabe der Gesamtimpedanz einer der Stromschleifen 81, 84 oder beider Stromschleifen 81, 84
- - Information auf Grund des Messsignals I_I_M, ob das Messsignal gemäß der Vorgabe erzeugt ist
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Bei der Auswertung des Signalerfassungsanordnungssignals SIG3 ist es vorteilhaft, die Auswirkung des Kondensators 63 bzw. 64 und ggf. zusätzlich einer Wicklung in der Stromversorgung 10, beispielsweise einer Sekundärwicklung der Wechselspannungsquellen 11, 12 bei einem US split phase Versorgungsnetz 10 zu berücksichtigen. Diese können zu einer Phasenverschiebung des Signalerfassungsanordnungssignals SIG3 gegenüber dem Messstrom I_I führen. Bevorzugt erfolgt eine Kalibrierung der Vorrichtung 20.
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Bevorzugt werden sowohl der Widerstand (Realteil) als auch der kapazitive Anteil (allgemein: Imaginärteil) ermittelt.
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2 zeigt beispielhaft den Dynamikumfang des Signalerfassungsanordnungssignals SIG3 am Punkt 69. Dargestellt ist der Pegel des Signalerfassungsanordnungssignals SIG3 am Punkt 69, aufgetragen über die Frequenz. Die Darstellung des Pegels über die Frequenz erhält man beispielsweise durch Fouriertransformation des Signalerfassungsanordnungssignals SIG3, und eine solche Fouriertransformation wird bevorzugt in der Auswertevorrichtung 30 durchgeführt, beispielsweise durch eine FFT (Fast Fourier Transformation). Der Stromsteller 44 hat eine Messfrequenz f_M von 300 Hz verwendet, und die Gesamtkapazität der Y-Kondensatoren wurde mit Cy = 2 µF relativ groß angenommen. Zudem wurde eine Asymmetrie der Spannungen zwischen den Anschlüssen HOT1 und HOT2 von 20 Vp angenommen. Bei der Netzfrequenz f_N beträgt der Pegel ca. 16 dB, und bei der Messfrequenz f_M beträgt der Pegel -20 dB. Der Pegelabstand des Signalerfassungsanordnungssignals SIG3 zur Netzasymmetrie beträgt somit -36 dB. Ein guter Analog/Digital-Wandler hat bspw. eine Auflösung von 12 Bit. Dies ergibt 4096 mögliche unterschiedliche Werte. Eine Messung des Signals am Punkt 69 und eine Aussteuerung des Analog/Digital-Wandlers auf die maximal auftretende Asymmetrie der Netzspannung führt dazu, dass der zusätzlich durch den Strom I_I hervorgerufene Effekt mit dem Analog/Digital-Wandler nicht bzw. nur sehr schlecht auflösbar ist. Auch Analog/Digital-Wandler mit einer höheren Auflösung von 24 Bit haben ggf. Auflösungsschwierigkeiten bei einem solchen Signal-Rausch-Verhältnis. Zudem sind solch hochauflösende Analog/Digital-Wandler vergleichsweise teuer.
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3 zeigt den Dynamikumfang eines gefilterten Signals SIG3" nach der Anwendung eines Bandpass-Filters (vgl. 4) auf das Signalerfassungsanordnungssignals SIG3 am Punkt 69. Das Bandpass-Filter ist dazu ausgebildet, den Frequenzbereich des Signalerfassungsanordnungssignals SIG3 in einem Frequenzbereich (Band) um 300 Hz herum durchzulassen, aber im Frequenzbereich oberhalb und unterhalb der Messfrequenz f_M das Signalerfassungsanordnungssignal SIG3 zu dämpfen. Das Bandpass-Filter wurde als analoges Bandpass-Filter ausgebildet, und es hat eine Pegelabsenkung von -18 dB im Bereich der Netzfrequenz f_N. Die Frequenzskala ist gegenüber der Skala von 2 verschoben, die Netzfrequenz ist jedoch wie in 2 beispielhaft bei 50 Hz, und die Messfrequenz bei 300 Hz. Der Pegel des Signals SIG3 im Bereich der Netzfrequenz f_N ist von ca. 16 dB auf ca. -3 dB gesunken, und die Messfrequenz f_M liegt bei ca. -21 dB. Bei einem Pegelabstand zwischen dem Signal und der Phase von -21 dB (bzw. -18 dB) ist eine direkte Messung unter Verwendung eines üblichen Analog/DigitalWandlers möglich.
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4 zeigt ein Bandpass-Filter 300, welches in der Auswertevorrichtung 30 verwendbar ist. Das Signal SIG3 wird über einen Widerstand 301 einem Punkt 303 zugeführt. Der Punkt 303 ist über einen Widerstand 302 mit GND 99 verbunden und über einen Widerstand 304 mit dem Plus-Eingang eines Operationsverstärkers 305 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 305 ist mit dem Minus-Eingang des Operationsverstärkers 305 verbunden und über einen Widerstand 306 mit einem Punkt 307 verbunden. Der Punkt 307 ist über einen Kondensator 308 mit einem Punkt 312 verbunden und über einen Kondensator 309 mit einem Punkt 310 verbunden. Der Punkt 312 ist über einen Widerstand 326 mit dem Punkt 310 verbunden, und der Punkt 310 ist mit dem Minus-Eingang eines Operationsverstärkers 311 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 311 ist mit dem Punkt 312 verbunden. Der Punkt 312 ist über einen Widerstand 313 mit einem Punkt 315 verbunden, und der Punkt 315 ist über einen Widerstand 314 mit GND 99 verbunden und mit dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers 311 verbunden. Der Punkt 312 ist über einen Widerstand 327 mit einem Punkt 316 verbunden. Der Punkt 316 ist über einen Kondensator 317 mit einem Punkt 319 verbunden und über einen Kondensator 318 mit einem Punkt 320 verbunden. Die Punkte 319 und 320 sind über einen Widerstand 328 miteinander verbunden. Der Punkt 320 ist mit dem Minus-Eingang eines Operationsverstärkers 321 verbunden, und der Punkt 319 ist mit einem Punkt 322 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 321 ist mit dem Punkt 322 verbunden, und der Punkt 322 ist über einen Widerstand 323 mit einem Punkt 324 verbunden. Der Punkt 324 ist mit dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers 321 verbunden und über einen Widerstand 325 mit GND 99 verbunden. Am Punkt 322 ist als Ergebnis der Bandpass-Filterung ein Signal SIG3' erzeugt, welches einen Pegel entsprechend dem Diagramm von 3 aufweist.
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Das Bandpass-Filter 300 hat bspw. eine Mittenfrequenz von 320 Hz, und die Pegelabsenkung bei einer Netzfrequenz f_N von 60 Hz beträgt bspw. -18 dB. In Abhängigkeit vom Versorgungsnetz können natürlich auch andere Werte gewählt werden.
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Das Bandpass-Filter 300 ist bevorzugt als aktives Filter ausgebildet. Das Bandpass-Filter 300 hat bevorzugt die zweite Ordnung oder eine höhere Ordnung, und bevorzugt hat es einen Verstärker. Ein Filter höherer Ordnung kann beispielsweise durch Zusammenschaltung mehrerer Filter niedrigerer Ordnung (1. und 2. Ordnung) erzeugt werden.
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5 zeigt ein Blockschaltbild für die Auswertung durch die Vorrichtung 20 von 1.
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Der Stromsteller 44 erhält von der Auswertevorrichtung 30 den Stromsollwert I_S, welcher die Höhe des durch den Stromsteller 44 erzeugten Stroms I_I bestimmt. Der Stromsollwert I_S wird bspw. als Spannung über die Leitung 73 (vgl. 1) vorgegeben. Durch den Stromsteller 44 wird der Ist-Strom I_I erzeugt, und über die Leitung 74 von 1 wird das den Ist-Strom I_I charakterisierende Messsignal I_I_M einem Analog/Digital-Wandler 340 zugeführt, beispielsweise als den Ist-Strom charakterisierende Spannung. Eine Messstrecke 45 entspricht den Stromschleifen 81, 84 von 1, und als Ergebnis wird das Signal SIG3 erfasst und dem Analog/Digital-Wandler 340 zugeführt. Der Analog/Digital-Wandler 340 wandelt das Signal SIG3 und das Signal I_I_M in digitale Signale um. Die digitalen Signale werden vom Analog/Digital-Wandler 340 an die Auswertevorrichtung 30 übergeben, welche bspw. durch einen Mikrocontroller ausgebildet ist. Die Auswertevorrichtung 30 bestimmt bevorzugt auch den Stromsollwert I_S für den Stromsteller 44.
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6 zeigt ein weiteres Blockschaltbild mit einem Ausführungsbeispiel für die Messung und Auswertung der Vorrichtung 20. Die Auswertung des Signals SIG3 erfolgt nicht direkt, sondern es wird zusätzlich ein die Netzspannung charakterisierendes Signal erfasst und der Auswertevorrichtung 30 zugeführt, bspw. das Differenzsignal U21 - U24. Die Auswertevorrichtung 30 enthält eine Phasenregelschleife 344, die im Englischen als phase-locked loop (PLL) bezeichnet wird, und die Phasenregelschleife 344 erzeugt ein weiteres Signal 346. Das Signal SIG3 und das Signal 346 werden einem Summierer 342 zugeführt, und das Ergebnis SIG3' wird der Auswertevorrichtung 30 zugeführt. Der Summierer 342 realisiert bspw. über ein Widerstandsnetzwerk eine PegelAnpassung hoher Eingangsspannungen. Anders ausgedrückt wird der Netzfrequenzanteil durch den Summierer 342 aktiv abgezogen. Hierdurch wird die absolute Größe des Signals SIG3 verringert, und dies ermöglicht eine bessere Auflösung durch den Analog/Digital-Wandler und damit eine bessere Auswertung.
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Bevorzugt wird der Auswertevorrichtung 30 ein die Netzfrequenz charakterisierender Wert und ein die Messfrequenz charakterisierender Wert zugeführt.
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Die in der Beschreibung genannten Signale SIG3, SIG3' und SIG3" können alle als Signalerfassungsanordnungssignale bezeichnet werden, wie dies bei Filtern üblich ist, da sie weiterhin die relevante Information enthalten. Wenn mehrere Filter auf das Signalerfassungsanordnungssignal SIG3 angewandt werden, ist die Reihenfolge in einigen Fällen nicht relevant, in anderen Fällen kann sie relevant sein.
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Die Phasenregelschleife 44 ist dazu ausgebildet, ein Phasenregelschleifensignal PLL_SIG derart durch einen geschlossenen Regelkreis zu erzeugen, dass die Phasenabweichung zwischen dem Phasenregelschleifensignal PLL_SIG und einer Phase HOT1, HOT2 bzw. L1 der Versorgungsspannung 10 konstant ist.
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Bevorzugt ist die Auswertevorrichtung 30 dazu ausgebildet, das Wechselstromsignal I_I in Abhängigkeit vom Phasenregelschleifensignal PLL_SIG zu beeinflussen. Hierzu wird beispielsweise das Phasenregelschleifensignal PLL_SIG einer Sollwert-Erzeugungsvorrichtung 352 zugeführt, und die Sollwert-Erzeugungsvorrichtung 352 erzeugt den Sollwert I_S in Abhängigkeit vom Phasenregelschleifensignal PLL_SIG. Damit ist auch das Wechselstromsignal I_I synchronisiert mit dem Phasenregelschleifensignal PLL_SIG. Obwohl das Wechselstromsignal I_I und die Netzspannung mit der Netzfrequenz f_N unterschiedliche Frequenzen haben, kann durch die Verwendung des Phasenregelschleifensignals PLL_SIG ein festes Verhältnis eingestellt werden, und hierdurch wird die Fouriertransformation verbessert.
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Bevorzugt ist die Vorrichtung 20 dazu ausgebildet, das Wechselstromsignal I_I mit einem vorgegebenen Frequenzfaktor mit dem Phasenregelschleifensignal PLL_SIG zu synchronisieren, beispielsweise mit einem Frequenzfaktor von 6,5, 5,5 oder 6.
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Bevorzugt weist die Auswertevorrichtung den Summierer 342 auf, welcher dazu ausgebildet ist, das Signalanordnungssignal SIG3 mit dem Phasensignal 346 zu summieren. Das Phasensignal 346 weist eine Frequenz auf, welche bevorzugt der Netzfrequenz f_N der Stromversorgung 10 entspricht, um beim Signalanordnungssignal SIG3 eine Verringerung des Frequenzanteils der Netzfrequenz f_N zu bewirken. Zur Erzeugung des Phasensignals 346 hat die Auswertevorrichtung bevorzugt eine Phasensignalerzeugungsvorrichtung 350, und die Phasensignalerzeugungsvorrichtung 350 erzeugt das Phasensignal 346 bevorzugt auf Grundlage des Phasenregelschleifensignals PLL_SIG.
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7 zeigt ein Blockschaltbild mit einer weiteren Ausführungsform für die Messung und Auswertung der Vorrichtung 20. Die Auswertevorrichtung 30 hat wie in 6 die Phasenregelschleife 344 und den Summierer 342. Wie im Ausführungsbeispiel von 5 werden das Signal SIG3 und das den Ist-Strom I_I charakterisierendes Signal I_I_M dem Analog/Digital-Wandler 340 zugeführt, und die digitalen Signale werden der Auswertevorrichtung 30 zugeführt. Zusätzlich wird das Signal SIG3 dem Bandpass-Filter 300 zugeführt, und das durch das Bandpass-Filter 300 erzeugte Signal SIG3" wird der Auswertevorrichtung 30 zugeführt.
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Die Auswertung entsprechend 5 führt zu einem guten Ergebnis, die Auswertung entsprechend 6 mit der zusätzlichen Phasenregelschleife 344 führt zu einer Verbesserung der Vorrichtung 20, und die Ausführungsform der 7 mit dem Bandpass-Filter 300 und ggf. auch der Phasenregelschleife führt zu einer zusätzlichen Verbesserung der Auswertung.
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8 zeigt das Bild eines Oszilloskops mit Signalen einer tatsächlichen Messung an der Vorrichtung 20. Im oberen Bereich ist die Größe des Ist-Stroms I_I in Form eines sinusförmigen Signals zu sehen. Im unteren Bereich ist das Signal SIG 3 zu sehen, welches bspw. mit der Vorrichtung 20 von 7 nach Anwendung des Bandpass-Filters 300 erzeugt wird. Der Widerstand 14 des Versorgungsnetzes 10, der durch einen - nicht dargestellten - Versorgungsnetzsimulator einstellbar ist, beträgt bis zum Zeitpunkt t1 38 Ohm, und zum Zeitpunkt t1 springt der Widerstand 14 auf unendlich (offen), was einer Unterbrechung des Schutzleiters PE entspricht. Da die vom Stromsteller 44 zu verwendende Spannung bei der Erhöhung des Widerstands 14 ansteigt, steigt auch das Signal SIG3 bzw. dessen Amplitude an. Ein Grenzwert SIG3_MAX ist eingezeichnet, und bei mehrfacher Überschreitung dieses Grenzwerts ändert ein Zustandssignal STATE zum Zeitpunkt t2 seinen Zustand von LOW zu HIGH. Es wird somit zum Zeitpunkt t2 festgestellt, dass der Widerstand 14 der Spannungsversorgung 10 zu groß geworden ist und eine Erdung durch den Schutzleiter PE nicht mehr gewährleistet ist. Die Zeitdauer t2 - t1 beträgt im Ausführungsbeispiel 16 ms. Dass trotz des Widerstands 14 von unendlich ein Messstrom fließen kann, liegt an den Y-Kapazitäten, die im System vorhanden sind, beispielsweise im Verbraucher. Wenn dagegen keine oder nur sehr geringe Y-Kapazitäten vorhanden wären, könnte der Stromsteller 44 keinen Messstrom erzeugen, und in diesem Fall kann durch Auswertung des Signals I_I_M festgestellt werden, dass der Schutzleiteranschluss PE sehr schlecht oder nicht vorhanden ist. Bevorzugt wird somit das Auswertesignal OUT in Abhängigkeit vom Messsignal I_I_M erzeugt. Es kann beispielsweise als Auswertesignal OUT ein Fehlersignal ausgeben werden, wenn das Messsignal I_I_M einem zu niedrigen Wechselstromsignal I_I entspricht. Ob das Messsignal I_I_M zu niedrig ist, kann beispielsweise durch Vergleich der Amplitude des Messsignals I_I_M mit einem Grenzwert ermittelt werden, oder es kann eine Bestimmung der Fläche der positiven und negativen Halbwellen des Messsignals durch Integration oder Summation erfolgen und die Fläche mit einem Grenzwert verglichen werden. Der Grenzwert kann beispielsweise in Abhängigkeit vom Sollwert-Signal I_S bestimmt werden, oder er kann bei fester Amplitude des Sollwert-Signals I_S fest vorgegeben werden.
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Bei der vorliegenden Auswertung wurde von symmetrischen Y-Kapazitäten ausgegangen, und hierdurch mittelt sich die Netzspannung am Punkt 69 von 1 aus, wenn die Amplituden der Phasen an den Anschlüssen 21 und 24 gleich groß sind und die Phasen zudem eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen.
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Die Entscheidung, wann der Schutzleiter PE zu hochohmig ist, kann durch Vergleich des Signals SIG3 mit dem Grenzwert SIG3_MAX erfolgen. Zur Erhöhung der Sicherheit und zur Verringerung der Gefahr falscher Entscheidungen kann beispielsweise gefordert werden, dass eine bestimmte Anzahl von Überschreitungen stattgefunden hat, bevor, sich das Zustandssignal STATE ändert. Dies kann beispielsweise durch einen Mikrocontroller der Auswertevorrichtung 30 rechnerisch erfolgen, oder es kann ein Kondensator mit vorgeschaltetem Komparator zur Summierung der Überschreitungen vorgesehen werden.
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Es sind auch Mehrfachstrategien möglich, bei denen sowohl eine Überschreitung eines höheren Grenzwerts über eine kürzere Anzahl von Perioden als auch eine Überschreitung eines niedrigeren Grenzwerts über eine längere Anzahl von Perioden zu einer Änderung des Zustandssignals STATE führt. Hierdurch reagiert die Auswertevorrichtung 30 bei einem hohen Widerstand 14 schnell, und bei einem erhöhten Widerstand 14 im Grenzbereich wird länger gewartet, bis das Zustandssignal STATE geändert wird. Das Zustandssignal STATE kann als Auswertesignal OUT verwendet werden.
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9 zeigt ein weiteres Bild eines Oszilloskops für eine Messung, bei der die Y-Kapazitäten asymmetrisch angenommen wurden, nämlich 1.360 nF zwischen den Anschlüssen 21 und 25 von 1, und 1.680 nF zwischen den Anschlüssen 24 und 25 von 1. Zum Zeitpunkt t1 erhöht sich der Widerstand 14 des Versorgungsnetzes 10 von 137 Ohm auf 400 Ohm.
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Der vom Stromsteller 44 (vgl. 1) erzeugte Strom I_I ist im oberen Bereich dargestellt.
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Die asymmetrischen Y-Kapazitäten führen dazu, dass das Signal SIG 2 von einer Schwebungsfrequenz überlagert ist. Die Schwebungsfrequenz beträgt 25 Hz und damit die Hälfte der Netzfrequenz f_N = 50 Hz. Bei einer Netzfrequenz f_N = 60 Hz beträgt die Schwebungsfrequenz entsprechend 30 Hz.
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Für eine sichere Auswertung ist es vorteilhaft, die Auswertung über mindestens 2 Netzperioden durchzuführen. Hierdurch verlängert sich allerdings die Reaktionszeit. Die Erkennungszeit zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 hat im Ausführungsbeispiel 46 ms betragen.
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Im unteren Bereich ist die Spannung U_PE am Widerstand 14 aufgetragen, die mit dem Versorgungsnetzsimulator messbar ist, bei einem gewöhnlichen Versorgungsnetz 10 allerdings nicht. Durch die Erhöhung des Widerstands 14 fällt bei gleichem Messstrom am Widerstand 14 eine höhere Spannung ab, und die Erhöhung des Widerstands 14 zum Zeitpunkt t1 ist gut erkennbar.
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10 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel für das Netzteil 46 und den Stromsteller 44 von 1. Die Leitung 51 ist über eine Leitung 501 mit einem Punkt 508 verbunden. Der Punkt 508 ist über eine Diode 507 mit der Leitung 65 und über eine Diode 509 mit der Leitung 66 verbunden. Die Leitung 54 ist über eine Leitung 502 mit einem Punkt 511 verbunden. Der Punkt 511 ist über eine Diode 510 mit der Leitung 65 und über eine Diode 512 mit der Leitung 66 verbunden. Die Kathoden der Dioden 507, 510 zeigen in Richtung zur Leitung 65, und die Anoden der Dioden 509, 512 zeigen in Richtung zur Leitung 66. Dies ergibt einen Brückengleichrichter. Die Leitung 61, die auch in 1 vorhanden ist, ist über eine Zenerdiode 505 mit der Leitung 65 und über eine Zenerdiode 506 mit der Leitung 66 verbunden. Die Zenerdioden 505, 506 bewirken eine Spannungsbegrenzung an den Leitungen 65, 66 relativ zum Potenzial an der Leitung 61. Die Leitung 61 ist über einen Kondensator 503 mit der Leitung 65 und über einen Kondensator 504 mit der Leitung 66 verbunden, und die Kondensatoren 503, 504 bewirken eine Glättung der Spannungen an den Leitungen 65, 66. Die Leitung 61 ist über einen Widerstand 520 mit dem Minus-Eingang eines Operationsverstärkers 522 verbunden. Der Operationsverstärker 522 ist am Plus-Eingang mit der Leitung 73 verbunden, über die das Sollwertsignal I_S zugeführt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers 522 ist über eine Leitung 524 mit dem Minus-Eingang des Operationsverstärkers 522 verbunden, und hierdurch wird die Stromregelschleife gebildet.
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Die Leitung 65 dient zur positiven Stromversorgung des Operationsverstärkers 522, und die Leitung 66 zur negativen Stromversorgung.
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11 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Signale SIG1 und SIG2 nicht durch die Signalerfassungsanordnung 31 summiert und als gemeinsames Signalerfassungsanordnungssignal SIG3 der Auswertevorrichtung zugeführt werden, sondern es werden ein erstes Signalerfassungsanordnungssignal SIG3.1 und ein zweites Signalerfassungsanordnungssignal SIG3.2 als getrennte Signale zugeführt. Das erste Signalerfassungsanordnungssignal SIG3.1 ist abhängig vom ersten Signal SIG1 und das zweite Signalerfassungsanordnungssignal SIG3.2 ist abhängig vom zweiten Signal SIG2.
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12 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 20 zum Überwachen eines Versorgungsnetzes 10. Das Versorgungsnetz 10 hat im Ausführungsbeispiel mindestens eine Phase L1, die am Anschluss 21 angeschlossen ist, ggf. Phasen L2, L3, sowie einen Neutralleiter N, der am Anschluss 24 angeschlossen ist. Der Neutralleiter N hat im Regelfall eine niedrige Spannung bzw. die Spannung 0 V.
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Der Stromsteller 44 ist über den Widerstand 62 mit der Leitung 54 verbunden, und es kann bei Anschluss des Versorgungsnetzes 10 eine Stromschleife vom Stromsteller 44 über den Widerstand 40, den Anschluss 25, das Versorgungsnetz 10, den Anschluss 24 und den Widerstand 62 zurück zum Stromsteller 44 fließen.
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Die Auswertung der Phase über den Differenzbildner 32 funktioniert wie in 1 beschrieben.
Der Neutralleiter N bzw. die Leitung 54 ist über den Widerstand 68 mit einem Punkt 469 verbunden. Der Punkt 469 ist über einen Widerstand 410 mit einem Punkt 411 verbunden. Der Punkt 411 ist über einen Widerstand 412 mit dem Schutzleiter 99 verbunden und über einen Widerstand 414 mit dem Punkt 69 verbunden. Der Punkt 69 ist mit der Auswertevorrichtung 30 verbunden.
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Die Widerstände 68 und 410 einerseits und der Widerstand 412 andererseits bewirken eine Pegelanpassung für die Auswertevorrichtung 30, und der Widerstand 414 bewirkt eine Strombegrenzung.
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Die Signalerfassungsanordnung 31 ist dazu ausgebildet, das erstes Signal SIG1 an der Leitung 54 zu erfassen und der Auswertevorrichtung 30 das Signalerfassungsanordnungssignal SIG3 zuzuführen.
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Messungen haben ergeben, dass das Signal SIG3 in der Praxis einen Netzfrequenzanteil aufweist. Dieser kommt durch die kapazitive Kopplung über die Y-Kondensatoren. Durch Anwendung des Bandpassfilters 300 von 4 oder eines anderen Bandpassfilters kann der Netzfrequenzanteil verringert werden, und es kann eine Auswertung mit der Auswertevorrichtung 30 von 1 - wie beschrieben - erfolgen.
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Da üblicherweise das Versorgungsnetz 10 eine vergleichsweise niederohmige Verbindung zwischen dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE hat, ist eine Messung weiterer Stromschleifen nicht erforderlich, sie kann aber ergänzend erfolgen.
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
