DE19860721B4

DE19860721B4 - Dreipunkt-Umrichter und Verfahren zu seinem Betreiben

Info

Publication number: DE19860721B4
Application number: DE19860721A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Jurisch; Michael Dr. Schwenke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2018-12-24
Also published as: DE19860721A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Dreipunkt-Umrichters mit einem Gleichspannungszwischenkreis, der einen Plus-Potential führenden Ausgang, einen Minus-Potential führenden Ausgang und einen weiteren, auf Mittenpotential liegenden Ausgang aufweist, wobei
– die Spannung (Ue) an einer einerseits an den weiteren Ausgang (M) des Gleichspannungszwischenkreises (2) und andererseits an Erde angeschlossenen Parallelschaltung (20) eines Kondensators (22) und eines ohmschen Widerstandes (21) zum Erkennen eines Erdschlusses in dem Gleichspannungszwischenkreis (2) verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
– eine dem Gleichrichtmittelwert der Spannung (Ue) entsprechende erste Messgröße (U1) gebildet wird, und
– eine vom Gleichrichtmittelwert der Spannung (Ue) abhängige Auswertegröße (A) gebildet wird,
– eine vom arithmetischen Mittelwert derselbe Spannung (Ue) abhängige zweite Messgröße (U2) erzeugt wird,
– durch Quotientenbildung der ersten und zweiten Meßgröße (U1, U2) die Auswertegröße (A) gebildet wird und
– ein einen Erdschluss anzeigendes Ausgangssignal (Sa) erzeugt wird, wenn die Auswertegröße (A) vorgegebenen Schwellenwertbedingungen genügt.

Description

Aus der Zeitschrift „eb-Elektrische Bahnen" 93 (1995) 7, Seiten 230 bis 235 ist ein Langstator-Synchronmotorantrieb des Transrapid bekannt. Dieser Antrieb enthält einen Umrichterleistungsteil, der auch als Dreipunkt-Umrichter bezeichnet wird. Wie insbesondere Bild 2 dieser Literaturstelle zu entnehmen ist, weist ein solcher Dreipunkt-Umrichter eingangsseitig Gleichrichter auf, die am Energieversorgungsnetz liegenden Eingangstransformatoren nachgeordnet sind. An die Gleichrichter ist ein Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, der Zwischenkreisdrosseln und Zwischenkreiskondensatoren enthält. Der Gleichspannungszwischenkreis weist einen auf Plus-Potential liegenden Ausgang, einen auf Minus-Potential liegenden Ausgang und einen weiteren, auf Mittenpotential liegenden Ausgang auf. An diese Ausgänge sind parallel zwei Dreipunkt-Wechselrichter angeschlossen, die ausgangsseitig mit Ausgangstransformatoren verbunden sind.
Ferner ist es aus der Siemens-Dokumention „Modernisierung TVE-Antrieb Umrichter-Leistungsteil" 1995, Teil 1, Register 4, Seiten 12 und 13 bekannt, bei einem solchen Dreipunkt-Umrichter die Spannung an einer einerseits an den auf Mittelpotential liegenden Ausgang des Gleichspannungszwischenkreises und andererseits an Erde angeschlossenen Parallelschaltung eines Kondensators und eines ohmschen Widerstandes zum Erkennen eines Erdschlusses in dem Gleichspannungszwischenkreis zu verwenden. Parallel zu der Parallelschaltung ist eine die Spannung an der Parallelschaltung abgreifende Gleichspannungserfasssungseinrichtung vorhanden, und der Gleichspannungserfassungseinrichtung ist eine Erdschlußerkennungseinrichtung nachgeordnet. Aus dieser Schrift sind die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 bekannt.
Außerdem ist aus der deutschen Auslegeschrift DE 25 42 811 B eine Schaltungsanordnung zur Messung des Erdwiderstandes einer erdfreien Starkstromleitung bekannt, bei der einer Auswerteschaltung ein Spannungssignal zugeführt wird, das durch Betragsbildung und Mittelwertbildung einer Messspannung gewonnen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Dreipunkt-Umrichters mit einem Gleichspannungszwischenkreis anzugeben, der einen Plus-Potential führenden Ausgang, einen Minus-Potential führenden Ausgang und einen weiteren, auf Mittenpotential liegenden Ausgang aufweist, wobei die Spannung an einer einerseits an den weiteren Ausgang des Gleichspannungszwischenkreises und andererseits an Erde angeschlossenen Parallelschaltung eines Kondensators und eines ohmschen Widerstandes zum Erkennen eines Erdschlusses in dem Gleichspannungszwischenkreis verwendet wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine dem Gleichrichtmittelwert der Spannung entsprechende erste Messgröße gebildet und eine vom Gleichrichtmittelwert der Spannung abhängige Auswertegröße gebildet, eine vom arithmetischen Mittelwert derselbe Spannung abhängige zweite Messgröße erzeugt, durch Quotientenbildung der ersten und zweiten Messgröße die Auswertegröße gebildet und ein einen Erdschluss anzeigendes Ausgangssignal erzeugt, wenn die Auswertegröße vorgegebenen Schwellenwertbedingungen genügt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann unabhängig von der über die Gleichrichter eingestellten Zwischenkreisspannung unter besonders zuverlässiger Erkennung eines Erdschlusses durchgeführt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine dem arithmetischen Mittelwert der Spannung entsprechende erste Zwischenmeßgröße gebildet, eine zweite Zwischenmeßgröße erzeugt, die dem Effektivwert einer Komponente der Spannung mit einer Frequenz proportional ist, die der Frequenz des den Dreipunkt-Umrichter speisenden Energieversorgungsnetzes entspricht, und es wird durch Summation der beiden Zwischenmeßgrößen die zweite Meßgröße gebildet. Bei dieser Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch Erdschlüsse auf der Sekundärseite der Eingangstransformatoren eines Dreipunkt-Umrichters erfaßt werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in
1 ein Ausführungsbeispiel eines Dreipunkt-Umrichters, in
2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Funktionsweise einer an den Umrichter gemäß 1 angeschlossenen Erdschlußerkennungseinrichtung und in
3 ein Diagramm zur zusätzlichen Erklärung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben.
Die 1 läßt einen Gleichrichter 1 erkennen, der in nicht dargestellter Weise an Eingangstransformatoren angeschlossen ist, die ihrerseits an ein speisendes Energieversorgungsnetz angeschlossen sind. An den Gleichrichter 1 ist ein Gleichspannungszwischenkreis 2 angeschlossen, der mit Eingängen 3, 4 und 5 an Ausgängen des Gleichrichters 1 angeschlossen ist. Der Gleichspannungszwischenkreis 2 ist in bekannter Weise mit Zwischenkreisdrosseln 6 und 7 sowie Zwischenkreiskondensatoren 8 und 9 versehen. Der Gleichspannungskreis weist einen Pluspotential führenden Ausgang 10 und einen Minuspotential führenden Ausgang 11 auf; ein weiterer Ausgang 12 des Gleichspannungszwischenkreises 2 liegt auf Mittenpotential. Reihenschaltungen aus Widerständen 13 bzw. 14 mit Gleichrichtern 15 bzw. 16 bilden in bekannter Weise Bremssteller und Bremsstellerwiderstände.
An die Ausgänge des Gleichspannungszwischenkreises 2 sind ferner in bekannter Weise Wechselrichter 17 und 18 angeschlossen, denen in ebenfalls bekannter Weise Ausgangstrans formatoren nachgeordnet sind, die figürlich nicht dargestellt sind.
Einerseits an den auf Mittenpotential liegenden weiteren Ausgang 12 und andererseits an Erde ist eine Parallelschaltung 20 angeschlossen, die einen Widerstand 21 parallel zu einem Kondensator 22 enthält. Zu dieser Parallelschaltung 20 parallel angeordnet ist eine Gleichspannungserfassungseinrichtung 23, die aus einer Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und eines Gleichspannungswandlers 25 besteht, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Hall-Wandler ausgebildet ist.
Über eine Anschlußleitung 26 ist an den Ausgang der Gleichspannungserfassungseinrichtung 23 eine Erdschlußerkennungseinrichtung 27 angeschlossen, die vorteilhafterweise von einem Mikroprozessor gebildet ist. An einem Ausgang 28 der Erdschlußerkennungseinrichtung 27 ist ein Signal abgreifbar, wenn ein Kurzschluß festgestellt wird.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erdschlußerkennungseinrichtung 27 wird auf die 2 bezug genommen, in der zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erdschlußerkennungseinrichtung 27 auf eine Blockschaltbild-Darstellung zurückgegriffen wird. An einem Eingang 30 der Erdschlußerkennungseinrichtung 27 ist ein Absolutwertbildner 31 angeschlossen, dem ein FIR(Finite-Impulse-Response)-Filter 32 mit Tiefpassfunktion nachgeordnet ist. An einem Ausgang 33 des FIR-Filters 32 entsteht somit eine Meßgröße U1, die dem Gleichrichtmittelwert der Spannung Ue an der Parallelschaltung 20 entspricht. Zu dieser Meßgröße U1 wird in einer Addierstufe 34 aus später noch erläuterten Gründen eine feste Spannung Uemin addiert und die so gebildete Meßgröße U11 einem Quotientenbildner 35 zugeführt.
Der Quotientenbildender 35 ist auch mit einer weiteren Meßgröße U2 beaufschlagt, die in einer Addierstufe 36 gebildet ist. Diese Addierstufe liegt mit einem Eingang an einem weiteren FIR-Filter 37, das eingangsseitig mit der Spannung Ue beaufschlagt ist und ebenfalls als Tiefpass wirkt. Am Ausgang 38 des weiteren FIR-Filters 37 entsteht somit eine Zwischenmeßgröße Uz1, die dem arithmetischen Mittelwert der Spannung Ue entspricht. Außerdem ist der Addierstufe 36 eine weitere Zwischenmeßgröße Uz2 zugeführt, die dem Effektivwert einer Komponenten in der Spannung Ue mit einer Frequenz entspricht, die der Frequenz des einspeisenden Energieversorgungsnetzes entspricht. Um diese weitere Zwischenmeßgröße Uz2 zu gewinnen, ist an die Spannung Ue ein einen Sinus-Bandpass darstellendes FIR-Filter 39 und ein einen Cosinus-Bandpass darstellendes FIR-Filter 40 angeschlossen. Nach Quadrierung der Ausgangsgrößen dieser beiden FIR-Filter 39 und 40 und Addition in einer zusätzlichen Addierstufe 41 und nach Radizierung in einer Stufe 42 ist die weitere Zwischenmeßgröße Uz2 gebildet.
In dem Quotientenbildner 35 wird aus den Meßgrößen U1 bzw. U11 und U2 eine Auswertegröße A gebildet, wobei die feste Spannung Uemin dazu dient, auch bei kleinen Meßgrößen U1 definierte Verhältnisse zu schaffen. Die Auswertegröße A wird einer Schwellenwerteinrichtung 44 zugeführt. Diese Schwellenwerteinrichtung ist auf einen vorgegebenen Schwellenwert OG (vgl. 3) eingestellt; wird dieser obere Schwellenwert OG von der Auswertegröße A überschritten, dann wird ein Signal S1 erzeugt, das einem Eingang 45 eines UND-Gliedes 46 zugeführt wird. Ein weiterer Eingang 47 des UND-Gliedes ist mit einem weiteren Eingang 31 der Erdschlußerkennungseinrichtung 27 verbunden. An diesem Eingang 31 steht dann ein Signal an, wenn der Gleichspannungszwischenkreis 2 eingeschaltet ist. Wenn beide Eingänge 45 und 47 mit einem Signal beaufschlagt sind, wird von dem UND-Glied 46 ein Signal an einem Ausgang 48 abgegeben, das einen aufgetretenen Erdschluß signalisiert.
Die Schwellenwerteinrichtung 44 ist so ausgestaltet, daß sie auch einen unteren Schwellenwert UG erfassen kann (vgl. 3). Überschreitet das Auswertesignal A den Wert OG, dann spricht dies für einen Erdschluß am Pluspotential führenden Ausgang 10 oder am Minuspotential führenden Ausgang 11. Das Auswertesignal A ist außerdem mit unterschiedlichen Vorzeichen behaftet, je nach dem, ob der Erdschluß an dem Pluspotential führenden Ausgang 10 oder am Minuspotential führenden Ausgang 11 aufgetreten ist. Ein positives Vorzeichen spricht für einen am Plus-Potential liegenden Ausgang 10 aufgetretenen Erdschluß, während ein negatives Vorzeichen für einen Erdschluß am Minuspotential führenden Ausgang 11 spricht. Liegt die Auswertegröße A unterhalb des unteren Schwellenwertes UG der Schwellenwertstufe 44, dann spricht dies für einen Erdschluß am auf Mittenpotential liegenden weiteren Ausgang 12 des Gleichspannungszwischenkreises 2.
Soll der genaue Kurzschlußort ermittelt werden, dann muß die Schwellenwerteinrichtung 44 entsprechend ausgebildet sein, also ein Signal bei oberem Schwellenwert OG mit positivem Vorzeichen des Auswertesignals A, ein anderes Signal bei oberem Schwellenwert mit negativem Vorzeichen und ein drittes Signal bei einem Auswertesignal A unterhalb des unteren Schwellenwertes UG erzeugen, die dann über ein (nicht dargestelltes) weiteres Logikglied mit dem Ausgangssignal Sa zu verknüpfen sind.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Dreipunkt-Umrichters mit einem Gleichspannungszwischenkreis, der einen Plus-Potential führenden Ausgang, einen Minus-Potential führenden Ausgang und einen weiteren, auf Mittenpotential liegenden Ausgang aufweist, wobei – die Spannung (Ue) an einer einerseits an den weiteren Ausgang (M) des Gleichspannungszwischenkreises (2) und andererseits an Erde angeschlossenen Parallelschaltung (20) eines Kondensators (22) und eines ohmschen Widerstandes (21) zum Erkennen eines Erdschlusses in dem Gleichspannungszwischenkreis (2) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – eine dem Gleichrichtmittelwert der Spannung (Ue) entsprechende erste Messgröße (U1) gebildet wird, und – eine vom Gleichrichtmittelwert der Spannung (Ue) abhängige Auswertegröße (A) gebildet wird, – eine vom arithmetischen Mittelwert derselbe Spannung (Ue) abhängige zweite Messgröße (U2) erzeugt wird, – durch Quotientenbildung der ersten und zweiten Meßgröße (U1, U2) die Auswertegröße (A) gebildet wird und – ein einen Erdschluss anzeigendes Ausgangssignal (Sa) erzeugt wird, wenn die Auswertegröße (A) vorgegebenen Schwellenwertbedingungen genügt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – eine dem arithmetischen Mittelwert der Spannung (Ue) entsprechende erste Zwischenmeßgröße (Uz1) gebildet wird, – eine zweite Zwischenmeßgröße (Uz2) erzeugt wird, die dem Effektivwert einer Komponente der Frequenz des den Drei punkt-Umrichter speisenden Energieversorgungsnetzes entspricht, und – durch Summation der beiden Zwischenmeßgrößen (Uz1, Uz2) die zweite Meßgröße (U2) gebildet wird.