DE3229750C2

DE3229750C2 - Überwachungseinheit für Meßwerte, insbesondere eines Stromrichter-Zwischenkreises

Info

Publication number: DE3229750C2
Application number: DE19823229750
Authority: DE
Inventors: Jürgen 8551 Hemhofen Bliesner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-08-10
Filing date: 1982-08-10
Publication date: 1984-06-07
Also published as: DE3229750A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinheit für Meßwerte, insbesondere eines Stromrichter-Zwischenkreises, mit mindestens einem Geber für jeden Meßwert, wobei die Geber mit einem Modulator verbunden sind und der Ausgang des Modulators über einen Demodulator und ein binäres potentialtrennendes Koppelglied mit einer Steuereinheit verbunden ist.

Bei Zwischenkreisen von Stromrichtern, beispielsweise Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Zwischenkreisen von Umrichtern, ist im allgemeinen eine Überwachung des Stroms bzw. der Spannung erforderlich. Dabei tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß die Überwachungselektronik des Stromrichters in der Regel auf Bedienpotential, d. h. im allgemeinen auf Erdpotential Hegt, während sich der Zwischenkreis auf Netzpotential befinde L Es ist also in der Regel eine galvanische Trennung zur Übertragung von Meßgrößen des Zwischenkreises zur Überwachungselektronik des Stromrichters notwendig. Die galvanisch getrennte Übertragung analoger Meßgrößen, z. B. mit Trennverstärkern, i&. jedoch sehr aufwendig. Eine Einheit der eingangs genannten Art ist aus der DE-AS 12 55 179 bekannt. Diese Einheit ermöglicht eine galvanische getrennte Überwachung von Gleichspannungsmeßwerten. Eine Sicherung des Signalflusses gegen Störeinflüsse ist dabei jedoch nicht ■'orgesehen. Als Elemente zur galvanischen Trennung sind aus der DE-AS 29 52 462 Optokoppler bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überwachungseinheit der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine fehlergesicherte Übertragung während des ungestörten Betriebsfalles möglich wird, indem Fehler auf den Signalübertragungsweg nahezu ausschließlich zu einem als Störung identifizierbaren Dauersignal führen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Geber für einen Meßwert jeweils zwei Grenzwertgeber vorgesehen sind, deren Grenzwert einen Minimalwert bzw. einem Maximalwert für den Meßwert darstellen und daß ά-.-r Modulator einen Oszillator enthält, der freigegeben wird, wenn der Meßwert zwischen den beiden Grenzwerten liegt und daß der Ausgang des Modulators auf Dauersignal geschaltet wird, wenn der Meßwert unter seinem Minimalwert oder über seinem Maximalwert liegt. Damit ist nahezu ausgeschlossen, daß Fehler auf dem Übertragungsweg zwischen Modulator und Demodulator zu einer nicht beabsichtigten Impulsfolge führen.

Vorteilhafterweise wird der Ausgang des Modulators auf »0« geschaltet, wenn der Meßwert unter seinem Minimalwert liegt und auf »1« geschaltet, wenn der Meßwert über seinem Maximalwert liegt. Damit wird ein Spannungsausfall im Zwischenkreis, der auch die Stromversorgung für die Überwachungseinheit betrifft, richtig erfaßt.

Schaltungsmäßig läßt sich der Modulator einfach dadurch realisieren, daß der Grenzwertgeber für den Minimalwert über eine Entkopplungsdiode mit dem RC-Glied eines Multivibrators als Oszillator verbunden ist und daß der Grenzwertgeber für den Maximalwert direkt mit dem Ausgang des Modulators verbunden ist. Dabei wird das WC-Glied auf Null-Potential gehalten und damit der Oszillator blockiert, solange der Meßwert seinen Minimalwert nicht erreicht hat. Sobald der Meßwert seinen Minimalwert übersteigt, kann der Oszillator frei schwingen. Übersteigt der Meßwert schließlich auch den Maximalwert, so wird der Ausgang des Modulators durch die direkte Verbindung mit dem entsprechenden Grenzwertgeber auf Dauersignal gehalten.

Der Demodulator kann schaltungsmäßig einfach realisiert werden, wenn er ein erstes und ein zweites, jeweils an einer Versorgungsspannungsquelle liegendes RC-GWed enthält, wobei der Ausgang des potentialtrennenden Koppelgliedes über eine erste Diode mit dem Verbindungspunkt von Widerstand und Kondensator des ersten WC-Glieds und über einen Inverter und eine zweite Diode mit dem Verbindungspunkt von Widerstand und Kondensator des zweiten WC-Glieds verbunden ist und wenn die genannten Verbindungspunkte mit den Ausgängen des Demodulators verbunden sind. Wenn dabei am Koppelglied ein Dauersignal »0« oder

»1« ansteht, so wird stets einer der beiden Ausgänge des Demodulators ebenfalls ein »1 «-Signal führen, d. h. eine Störmeldung abgeben. Steht dagegen am Eingang des Oszillators eine Impulsfolge ausreichend hoher Frequenz an, die den ungestörten Betrieb signalisiert, so wird sich an beiden Ausgängen des Demodulators eine Spannung einstellen, die jeweils nicht den vollen »1 «-Pegel erreicht. Damit wird im ungestörten Betriebsfall keine Störmeldung abgegeben.

Das potentialtrennende Koppelglied kann am einfachsten ein Optokoppler sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch einen Stromrichter mit einem Gleichrichter GI, dessen Gleichstromausgang ein Zwischenkreiskondensator K nachgeschaltet ist. Es liegt also ein sogenannter Spannungszwischenkreis vor. Der Gleichstrom wird mit einem Wechselrichter VVT? wieder in einen Wechselstrom einstellbarer Frequenz umgeformt Für die Funktion des Stromrichters ist die Ausgangsspannung des Gleichrichters GI, also die Zwischenkreisspannung U von wesentlicher Bedeutung. Diese muß daher überwacht werden. Dabei t«-itt das Problem auf, daß der Zwischenkreis im allgemeinen nicht geerdet ist, sondern auf Netzpotential liegt Dagegen liegt eine in einer Steuereinheit 5/ enthaltene Überwachungselektronik für den Stromrichter auf Bedienpotential, d. h. auf Erdpotential. Es muß daher eine galvanische Trennung zwischen einer Überwachungseinheit für den Zwischenkreis und einer Steuereinheit St vorgesehen werden. Dazu ist die Überwachungseinheit nach Fig. 1 aus zwei Teilen A, B aufgebaut. Der auf dem Potential des Zwischenkreises liegende Teil A der Überwachungseinheit enthält im Ausführungsbeispiel zwei Grenzwertgeber 1 und 2, die eingangsseitig mit einer Leitung des Zwischenkreises Z verbunden sind. Dabei spricht der Grenzwertgeber 1 an, wenn die Zwischenkreisspannung U einen Minimalwert U_mn, der zum Betrieb des Wechselrichters unbedingt erforderlich ist, übersteigt Der Grenzwertgeber 2 spricht an, wenn die Zwischenkreisspannung Ueinen Maximalwert U_max,der nicht überschritten werden darf, erreicht. Die Ausgänge der beiden Grenzwertgeber 1 und 2 sind mit einem noch zu erläuternden Modulator 3 verbunden, der die beiden Binärsignale in ein einziges moduliertes Binärsignal umformt. Dieses wird potentialgetrennt über einen Optokoppler 4 auf den Teil B der Überwachungseinheit übertragen. Zur Stromversorgung der Baugruppen des Teils A ist eine auf dem Potential des Zwischenkreises Z liegende HilfsStromversorgung 6 erforderlich.

Der Teil B der Überwachungseinheil enthält einen Demodulator, der das vom Teil B übertragene, modulierte Binärsignal wieder in zwei einzelne Binärsignale umformt. Diese Binärsignale werden einer Steuereinheit St des Stromrichters zugeführt, wobei Meldungen und — je nachdem, ob die Zwischenkreisspannung Uzu hoch oder zu niedrig ist — zweckentsprechende Maßnahmen erfolgen.

Eine mögliche schaltungsmäßige Realisierung für die in F1 g. 1 schematisch dargestellte Überwachungseinheil wird im folgenden anhand der F i g. 2 näher erläutert.

Der Grenzwertgeber I ist als Operationsverstärker realisiert dessen nicht invertierendem Eingang die Zwischenkreisspannung LJ und dessen invertierendem Ein- b5 gang die für den Betrieb des Wechselrichters WR erforderliche Mindestspannung i/„„„ zugeführt ist. Am Ausgang des Operationsverstärkers 1 stellt also eine positive Spannung an, wenn die Zwischenkreisspannung U den Mindestwert U_mm übersteigt. Der Demodulator 3 ist in Form eine.« Multivibrators mit einem Operationsverstärker 3a ausgebildet Der Ausgang des Operationsverstärkers 3a ist über einen Widerstand 3d auf seinen invertierenden Eingang und über einen Widerstand 3e auf seinen nicht invertierenden Eingang zurückgekoppelt. Außerdem ist der nicht invertierende Eingang über einen Widerstand 3/mit einer positiven Spannung P1 und der invertierende Eingang über einen Kondensator 3b mit dem Bezugspotenlial der Schaltungsanordnung verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 3a ist ferner über eine Entkopplungsdiode 3c mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 1 verbunden. Dabei ist die Kathode der Diode 3c dem Ausgang des Operationsverstärkers 1 zugewandt.

Wenn man bei dieser Schaltung zunächst die Verbindung über die Entkopplungsdiode 3c außer Betracht läßt, so funktioniert sie wie ein herkömmlicher Multivibrator. Bei entladenem Kondensator Sb steht am Ausgang zunächst eine positive Spannurf an. Über den Widerstand 3d wird der Kondensator Zb aufgeladen. Sobald die am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3a anstehende Kondensatorspannung größer als die am nicht invertierenden Eingang anstehende Spannung -vird, wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 3a negativ. Dabei entlädt sich der Kondensator wieder, bis schließlich der nächste Umschaltpunkt erreicht ist Die Anordnung schwingt daher mit einer durch den Kondensator 36 und den Widerstand 3d vorgegebenen Frequenz. Über die Diode 3c können jedoch die Schwingungen gesperrt werden. Wenn nämlich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 negativ ist, d. h. U < U_n,,;,, so wird die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3a auf einem negativen Wert festgehalten. Daher steht am Ausgang des Operationsverstärkers 3a ein positives Dauersignal an.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 3a ist über einen Widerstand 3g mit der Kathode der Leuchtdiode 4a eines Optokopplers 4 verbunden. An der Anode der Leuchtdiode 4a steht über einen Widerstand 3Λ eine positive Spannung P2 an. Die Kathode der Leuchtdiode 4a ist ferner über eine Entkopplungsdicde 2a mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 2 als zweiter Grenzwertgeber verbunden. Dabei ist die Kathode der Diode 2a dem Ausgang des Operationsverstärkers 2 zugewandt. Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2 steht die Zwischsnkreisspannung U und an dessen nicht invertierendem Eingang der maximal zulässige Wert Umax der Zwischenkreisspannung U an. Wenn die Zwischenkreisspannung i/ihren Maximalwert Umax überschritten hat, so steht am Ausgang des Operationsverstärkers 2 eine negative Spannung an. Es fließt daher unabhängig vom Schaltzustand des Operationsverstärkers 3a ein Strom von der positi/en Spannung P2 über die Leuchtdiode 4a und die Diode 2a, der die Leuchtdiode 4a zum Leuchten bringt. Liegt dagegen die Zwischenkreisspannung Uzwischen ihrem Minimalwert Um«, und Umax, so führen die Schwingungen des Operationsvei stärkers 3a zu einem periodischen Leuchten der Leuchtdiode 4a. Sobald die Zwischenkreisspannung U unter ihren Minimalwert U„,m sinkt, werden, wie bereits erläutert, die Schwingungen blockiert und am Ausgang des Operationsverstärkers 3a steht eine positive Spannung an. Über die Leuchtdiode 4a fließt daher kein Strom. Der Modulator 3 crzeujjt also aus den beiden Ausgangssignalen der Grenzwertgeber 1 und 2 fol-

gendes Signal:

U<U_min »0«

U_min<U<U_max Impulsfolge
U>U_max 1

Dieses Signal wird über den Optokoppler 4 potentialgetrennt auf den Teil Cder Überwachungseinheit übertragen. Der Teil C liegt auf Erdpotential. Das von der Leuchtdiode 4a ausgesandte Signal wird von einem Fototransistor 4b empfangen, der zwischen einer positiven Spannung P3 und — über einen Widerstand 4c — an Massepotential liegt. Der Emitter des lichtempfindlichen Transistors 4b ist mit einem Decoder 5 gekoppelt, der das über den Optokoppler 4 übertragene modulierte Signal wieder in zwei getrennte Signale umformt. Der Demodulator 5 enthält zwei ÄC-Glieder 5a, 56 bzw. 5c, 5d, die jeweils zwischen einer positiven Spannung P3 und Bezugspotential liegen. Der Emitter des Transistors 4b ist über eine Diode 5Λ und einen Widerstand 5/ mit dem Verbindungspunkt von Widerstand 5c und Kondensator 5dsowie über einen Inverter 5e, eine Diode 5/ und einen Widerstand 5g mit dem Verbindungspunkt von Widerstand 5a und Kondensator 5b verbunden. Dabei ist jeweils die Kathode jeder Diode 5f, 5h dem Transistor 4b zugewandt. Den Verbindungspunkten des Widerstands 5a mit dem Kondensator 5b und des Widerstands 5c mit dem Kondensator 5d ist jeweils ein Komparator 5k bzw. 5/ nachgeschaltet.

Wenn der Optokoppler 4 ein »O«-Signal überträgt, liegt der Emitter des Transistors 4b ebenfalls auf Null. Der Verbindungspunkt von Widerstand 5c und Kondensator 5d wird daher ebenfalls auf Null-Potential gezogen, so daß das Ausgangssignal des Komparators 5/ ebenfalls NuIi ist. Dagegen wird das am Emitter des Transistors 5b anstehende »O«-Signal durch den Inverter 5e in ein »1 «-Signal umgeformt. Der Kondensator 5b kann sich daher über den Widerstand 5a aufladen, so daß am Ausgang des Komparators 5k ein *1 «-Signal ansteht. Mit diesem »1«-Signai am Ausgang des Komparators 5k wird also signalisiert, daß die Zwischenkreisspannung t/unter dem Mindestwert U_Wi„ liegt.

Wird dagegen über den Optokoppler 4 ein Dauer-Mi «-Signal übertragen, so erhält der Emitter des Transistors 4b eine positive Spannung. Dadurch kann sich der Kondensator 5d über den Widerstand 5c aufladen, so daß der Ausgang des Komparators 5/auf »1« schaltet. Mit diesem »1 «-Signal am Ausgang des Komparators 5/ wird also signalisiert, daß die Zwischenkreisspannung U ihren zulässigen Wert Um_3x überschritten hat Oberträgt der Optokoppler dagegen ein gepulstes Signal, so werden die Kondensatoren 5b und 5d periodisch über die Widerstände 5a bzw. 5 aufgeladen und über die Widerstände 5gbzw. 5/wieder entladen. Dabei sind die einzelnen Widerstände und die Ansprechwerte der Komparatoren 5Jt und 5/ so dimensioniert, daß die an den Kondensatoren 5b und 5d anstehende Spannung den Ansprechwert des Komparators 5Jt bzw. 5/ nicht erreicht, falls die Pulsfrequenz des übertragenen Signals genügend hoch ist, d. h. die Kondensatoren 5b und 5d genügend oft entladen werden. Die Widerstände 5a, 5c, 5g, 5/ und die Kondensatoren 5b und 5d müssen daher an die Impulsfrequenz des übertragenen Signals, d.h. an die Frequenz des Dmodulators 3 angepaßt werden.
Der Demodulator 5 liefert also am Ausgang des Komparators 5k ein »!«-Signal, wenn die Spannung U kleiner als ihr Minimalwert U,„i„ ist, am Ausgang des Komparators 5/ ein »!«-Signal, wenn die Zwischenkreisspannung Uihren Maximalwert U_n,;,, überschreitet und kein Signal, wenn störungsfreier Betrieb vorliegt, d. h. die Zwischenkreisspannung U zwischen V_mm und Umax liegt. Mit dem Demodulator 5 wurde also das einzelne, über einen einzelnen Optokoppler 4 übertragene Signal in zwei getrennte, unterschiedliche Informationen beinhaltende Signale umgeformt. Die entsprechenden Signale können in einer Steuereinheit Sf des Stromrichters geeignete Maßnahmen auslösen, beispielsweise den Stromrichter abschalten, oder durch Eingriff auf einen Regler die Zwischenkreisspannung absenken.

Bei der hier gewählten Übertragungsart ist es praktisch unmöglich, daß ein Fehler im Übertragungsweg zum Ausfall einer Störmeldung führt. Vom Demodulator 5 wird, wie beschrieben, eine Impulsfolge mit einer

bestimmten Mindestfreniipny als störuntrsfreipr Rptriph * ■■ ■ t»-- -.--—----- —

ausgewertet. Es ist jedoch nahezu unmöglich, daß durch einen Fehler im Übertragungsweg eine derartige Impulsfolge entsteht, ohne daß die Zwischenkreisspannung (J tatsächlich im erlaubten Bereich zwischen U_mm und Umax liegt. Fehler im Übertragungsweg werden vielmehr zu einem Dauersignal führen, das — egal ob auf »0«- oder »1«-Pegel — stets zu einer Störmeldung führt. Derartige Fehler führen also stets zu einer Störmeldung mit entsri"echenden Maßnahmen, sie liegen also in der sicheren Richtung.

Bei der als Ausführungsbeispiel beschriebenen Schaltungsanordnung wird die Zwischerkreisspannung überwacht, da der Zwischenkreis eine eingeprägte Spannung aufweist. Bei einem Zwischenkreis mit eingeprägtem Strom wird man selbstverständlich in äquivalenter Weise anstelle der Zwischenkreisspannung den Zwischenkreisstrom überwachen.

Die beiden Grenzwertgeber 1 und 2 könnten auch verschiedene Meßwerte, beispielsweise Zwischenkreisstrom und Zwischenkreisspannung überwachen, allerdings dann nur jeweils bezüglich eines Grenzwerts. An den Ausgängen der Komparatoren 5k und 5/ würden dann die entsprechenden Meldungen anstehen.

Eine Überwachungsschaltung mit mehr als zwei Grenzwertgebern ist möglich, wenn der Modulator 3 beispielsweise in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Grenzwertgeber Signale unterschiedlicher Frequenzen abgibt Das kann man z. B. durch Beeinflussung der Zeitkonstante eines Multivibrators erreichen. Eine solche Beeinflussung kann man beispielsweise durch Ankopplung der Grenzwertgeber an das frequenzbestimmende ÄC-Glied des Multivibrators über W.Jerstände erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Überwachungseinheit für Meßwerte, insbesondere eines Stromrichter-Zwischenkreises, mit mindestens einem Geber für jeden Meßwert, wobei die Geber mit einem Modulator verbunden sind und der Ausgang des Modulators über einen Demodulator und ein binäres potentialtrennendes Koppelglied mit einer Steuereinheit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Geber für einen Meßwert jeweils zwei Grenzwertgeber (1,2) vorgesehen sind, deren Grenzwerte einen Minimalwert (U_mi„) bzw. einen Maximalwert (Um₃₁) für den Meßwert (U) darstellen und daß der Modulator (3) einen Oszillator enthält, der freigegeben wird, wenn der Meßwert (U) zwischen den beiden Grenzwerten (Umm, Umax) liegt und daß der Ausgang des Modulators (3) auf Dauersignal geschaltet wird, wenn der Meßwert (U) unter seine;r. Minimalwert (U_mi„) oder über seinem Maximalwetift/;^) liegt.

2. Überwachungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Modulators (3) auf »0« geschaltet wird, wenn der Meßwert (U) unter seinem Minimalwert (U_m,„) liegt und auf »1« geschaltet wird, wenn der Meßwert (U) über seinem Maximalwert (Umax) liegt

3. Überwachungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwertgeber (1) für den Minimalwert (U_mm) über eine Entkopplungsdiode (2r) mit dem WC-Glied (36,3d) eines Multivibrators als Oszillator verbunden ist und daß der Grenzwertgsber (2) füv den Maximalwert (U_max) direkt mit dem Ausgang des Modulators (3) verbunden ist.

4. Überwachungseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator (5) ein erstes und ein zweites, jeweils an einer Versorgungsspannungsquelle liegendes RC-Glied (5a, 5b; 5c, 5d) enthält, wobei der Ausgang des potentialtrennenden Koppelgliedes (4) über eine erste Diode (5h) mit dem Verbindungspunkt von Widerstand (Schund Kondensator (5d)des ersten WC-Gliedes und über einen Inverter (5e) und eine zweite Diode (if) mit dem Verbindungspunkt von Widerstand (5a) und Kondensator (5b) des zweiten WC-Gliedes verbunden ist und daß die genannten Verbindungspunkte mit den Ausgängen des Demodulators (5) verbunden sind.

5. Überwachungseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das potentialtrennende Koppelglied (4) ein Optokoppler ist.