DE3923396A1 - Vorrichtung zum unterscheiden fehlerhafter schalteinrichtungen von normal arbeitenden schalteinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der es möglich ist, sicher zwischen einer normalen Funktion und einer feh­ lerhaften Funktion von Schalteinrichtungen in einem Inverter während des Betriebes zu unterscheiden, der beispielsweise als Energieversorgung beim Härten und beim Vergüten verwandt wird, wenn in jedem Zweig des Vollbrücken-Inverters vom Stromversorgungstyp mehrere parallel geschaltete Schaltein­ richtungen liegen.

Es ist bekannt, in jedem Zweig eines Vollbrücken-Inverters vom Stromversorgungstyp mehrere parallel geschaltete Schalt­ einrichtungen vorzusehen. Das herkömmliche Verfahren zum Er­ kennen eines Fehlers in den Schalteinrichtungen, die in einem derartigen Inverter vorgesehen sind, ist beispielsweise bei der Vorrichtung dargestellt, die in der JP-PS 14 09 459 be­ schrieben ist.

Diese Vorrichtung umfaßt eine Energieversorgung zum Erfassen von Betriebsstörungen und Toroid-Detektorspulen, die jeweils in jedem Stromweg der Schalteinrichtungen angeordnet sind, oder Detektorspulen, die induktiv mit jeder Abgleichspule je­ der Schalteinrichtung gekoppelt sind.

Normal arbeitende Schalteinrichtungen können von fehlerhaften Schalteinrichtungen darüber unterschieden werden, ob es in der Detektorspule eine induzierte Spannung gibt, wenn die In­ verterschaltung durch die Energieversorgung für die Feststel­ lung von Betriebsstörungen mit Energie versorgt wird, nachdem der Inverter abgeschaltet und jede Schalteinrichtung entregt ist.

Diese Vorrichtung ist nicht in der Lage, einen Fehler zu er­ kennen, wenn der Inverter arbeitet, und kann nur dazu benutzt werden, nach dem Auftreten eines Fehlers die fehlerhafte Schalteinrichtung zu lokalisieren.

Diese Vorrichtung ist weiterhin nicht in der Lage, eine feh­ lerhafte Schalteinrichtung aufgrund eines offenen Stromkrei­ ses durch die fehlerhafte Schalteinrichtung oder infolge eines Kurzschlusses zu erkennen.

Darüber hinaus kann die Betriebsstörung, die von einem Kurz­ schluß verursacht wird, dann nicht erkannt werden, wenn in dem Schaltkreis der Schalteinrichtung Dioden in Reihe geschal­ tet sind.

Als Verfahren zum Unterscheiden einer normalen Funktion von einer fehlerhaften Funktion von Schalteinrichtungen während des Betriebes des Inverters gibt es ein Verfahren, mit dem der Zusammenbruch von Schalteinrichtungen im Stromweg, bei­ spielsweise über eine durchgebrannte Sicherung, erkannt wer­ den kann, die in jedem Stromweg jeder Schalteinrichtung vor­ gesehen ist. Dieses Verfahren ist jedoch nicht zuverlässig, da Prüfungen ergeben haben, daß die Schalteinrichtungen nicht nur bei durchgebrannter Sicherung beschädigt sein kön­ nen, wobei derartige Prüfungen aufwendige Arbeitsvorgänge mit sich bringen.

Es ist daher bisher nicht möglich, zuverlässig und genau ei­ ne Betriebsstörung einer einzigen Einrichtung unter einer Vielzahl von Schalteinrichtungen wenigstens in einem Voll­ brücken-Inverter während des Betriebes zu erkennen, bei dem jeder Zweig mehrere parallel geschaltete Schalteinrichtungen umfaßt.

Eine normal arbeitende Schalteinrichtung wurde von einer feh­ lerhaften Schalteinrichtung somit bisher aus den Gesamtar­ beitsverhältnissen dadurch unterschieden, daß Meßgeräte abge­ lesen wurden, die den Zustand der in Betrieb befindlichen Inverter angeben. Das ist das herkömmliche Verfahren. Wenn ein Fehler gefunden wird, wurde die fehlerhafte Einrichtung da­ durch unterschieden, daß die Anzahl der Schalteinrichtungen nacheinander bei abgeschaltetem Inverter geprüft wurde. Wenn jeder Zweig mehrere parallel geschaltete Schalteinrichtungen umfaßt, wird ein Fehler in einer einzigen Schalteinrichtung in einem Zweig, beispielsweise aufgrund eines geöffneten Stromkreises, nicht zu einer fehlerhaften Funktion des Inver­ ters führen, da die Ausgangsspannung durch andere Schaltein­ richtungen in dem betreffenden Zweig aufrechterhalten wird, die die Funktion der fehlerhaften Schalteinrichtung überneh­ men, so daß die Überwachung der Spannung keinen Fehler zeigt, was es auch für den Inverterfachmann schwierig macht, den Fehler zu finden.

Wenn einmal ein Fehler in Form eines offenen Stromkreises auf­ getreten ist, kann das zu einer Überlast der die Funktion der fehlerhaften Schalteinrichtung übernehmenden Schalteinrich­ tungen führen, was einen Ausfall zur Folge haben kann und alle Schalteinrichtungen im Zweig beeinflussen und gegebenenfalls zum Zusammenbruch des Inverters führen kann.

Obwohl eine einzelne fehlerhafte Schalteinrichtung in einem Zweig aufgrund eines Kurzschlusses zu einer instabilen Arbeit des Inverters führen kann, wird das von der mit dem Härten oder Vergüten befaßten Bedienungsperson mangels Kenntnis des Inverters übersehen, so daß nichts geschieht, ein Brechen des aufgeheizten Schaltkreises mit der kurzgeschlossenen fehler­ haften Schalteinrichtung zu verhindern und eine Überlast der anderen Schalteinrichtungen zur Folge hat, was eine Entwick­ lung nimmt, die ähnlich der im Fall eines offenen Stromkrei­ ses ist. Es ist daher oft vorgekommen, daß der Inverterfach­ mann eine Vielzahl von fehlerhaften Schalteinrichtungen bei der Prüfung gefunden hat, was die Gefahr einer Beschädigung durch einen Zusammenbruch des Inverters und Austauschkosten der Schalteinrichtungen mit sich bringt.

Durch die Erfindung soll es möglich werden, leicht eine feh­ lerhafte Einrichtung zu erkennen und zu unterscheiden, wenn eine Schalteinrichtung fehlerhaft ist, während der Inverter arbeitet, und zwar selbst von einem Personal, das nicht aus Inverterfachleuten besteht, wenn der Vollbrücken-Inverter vom Stromversorgungstyp in jedem Zweig mehrere parallel geschalte­ te Schalteinrichtungen umfaßt.

Durch die Erfindung soll es weiterhin möglich werden, die fehlerhafte Einrichtung auf jeweils vier Einrichtungen unter einer Anzahl von Schalteinrichtungen einzugrenzen, die im In­ verter benutzt werden, um dadurch die Identifizierung der fehlerhaften Einrichtung zu erleichtern.

Durch die Erfindung soll weiterhin eine Ausbreitung des Feh­ lers einer einzelnen Schalteinrichtung in einem Zweig auf ei­ ne Vielzahl von anderen Schalteinrichtungen im selben Zweig verhindert werden, um Betriebsstörungen in Folge zu vermeiden.

Es soll weiterhin verhindert werden, daß sich Beschädigungen ausbreiten, indem ohne Schwierigkeiten der Fehler einer ein­ zelnen Schalteinrichtung erkannt und eine problemlose Repara­ tur dieser Schalteinrichtung ermöglicht wird.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein be­ sonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Hauptschaltkreises eines Vollbrücken- Inverters vom Stromversorgungstyp,auf den sich die Erfindung bezieht,

Fig. 2 das Schaltbild des Hauptteils eines Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zum Unterscheiden einer fehlerhaften Schalteinrichtung, und

Fig. 3 das Betriebswellenformen-Diagramm der in Fig. 2 dargestellten Schaltung.

Fig. 1 zeigt schematisch den Hauptschaltkreis eines Voll­ brücken-Inverters vom Stromversorgungstyp mit einer Last L, Zweigen A bis D, die in Vollbrückenschaltung mit der Last L verbunden sind, und mit Schalteinrichtungen Sa1 bis Sd3, beispielsweise Transistoren, wie es in der Zeichnung darge­ stellt ist, wobei die Schalteinrichtungen Sa1 bis Sa3 in Pa­ rallelschaltung einen Zweig A bilden, die Schalteinrichtungen Sb1 bis Sb3 in Parallelschaltung einen Zweig B bilden, die Schalteinrichtungen Sc1 bis Sc3 in Parallelschaltung einen Zweig C bilden unddie Schalteinrichtungen Sd1 bis Sd3 in Pa­ rallelschaltung einen Zweig D bilden.

Gemäß der Erfindung sind Stromtransformatoren AB1 bis CD3 im Schaltkreis auf der Seite der Last L angeordnet, die sich die Schalteinrichtungen in Reihenschaltung jeweils teilen, wie es bei AB1 im Schaltkreis auf der Seite der Last L dargestellt ist, d. h., die sich die Schalteinrichtungen Sa1 und Sb1 beispielswei­ se teilen, die in Reihe geschaltet sind, wenn jeder Zweig A bis D mehrere Schalteinrichtungen umfaßt, die parallel ge­ schaltet sind wie es oben beschrieben wurde.

Es sind somit sechs Stromtransformatoren AB1 bis CD3 vorgese­ hen, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, wenn jeder Zweig drei Schalteinrichtungen in Parallelschaltung umfaßt, und es sind acht Stromtransformatoren vorgesehen, wenn jeder Zweig vier Schalteinrichtungen in Parallelschaltung umfaßt. Die von jedem Stromtransformator AB1 bis CD3 erfaßten Stromwerte wer­ den beliebig zu Paaren mit der dazwischen angeordneten Last L zusammengefaßt, wie es beispielsweise bei den Stromtransforma­ torpaaren AB1-CD1, AB2-CD2, AB3-CD3 der Fall ist, und so verarbeitet, wie es später beschrieben wird.

Fig. 2 zeigt einen Teil des Hauptschaltkreises eines Ausfüh­ rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Unterscheidungsvorrich­ tung mit einem Differentialverstärker 1, an dem das erfaßte Ausgangssignal des Stromtransformatorpaares AD1-CD1 liegt, einem Vollwellen-Gleichrichter 2, an dem das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 1 liegt, und einem Komparator 3, der das Ausgangssignal vom Vollwellen-Gleichrichter mit einem Bezugswert s vergleicht.

Der Komparator 1 ist so angeordnet und ausgebildet, daß bei­ spielsweise das Ausgangssignal vom Stromtransformator AB1 am negativen Eingang - und das Ausgangssignal vom Stromtransfor­ mator CD1 am positiven Eingang + liegen. Der Differentialver­ stärker 1 ist vorher so eingestellt, daß er ein Ausgangssig­ nal mit dem Pegel 0 bei Stromwerten von den Stromtransformato­ ren AB1 und CD1 jeweils als Bezugswert liefert, wenn der In­ verter normal arbeitet.

Der Vollwellen-Gleichrichter 2 gleichrichtet und glättet das Ausgangssignal vom Differentialverstärker 1 und legt dieses Signal an den Komparator 3.

Im Komparator 3 wird das Ausgangssignal vom Vollwellen-Gleich­ richter 2 an den positiven Eingang + gelegt und liegt der Be­ zugswert s mit einem Bezugswert auf dem Pegel 0 gemäß der vorliegenden Erfindung am negativen Eingang -.

Im folgenden wird anhand des Betriebswellenformen-Diagramms von Fig. 3 die Arbeitsweise der obigen Schaltung beschrieben. Fig. 3.1 gibt die Verhältnisse für den Fall wieder, daß die Schalteinrichtungen Sa1 und Sd1 oder Sb1 und Sc1 richtig ar­ beiten, so daß die Stromtransformatoren AB1 und CD1 rechteck­ wellenförmige Signale, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, bei Erregung der Schalteinrichtungen dem Differentialverstärker liefern. Der Differentialverstärker 1 liefert daher ein Aus­ gangssignal mit dem Pegel 0 nach Maßgabe der oben genannten Einstellbedingungen. Wenn daher das durch den Vollwellen- Gleichrichter 2 geglättete Ausgangssignal mit dem obigen Be­ zugswert s=0 durch den Komparator 3 verglichen wird, dann hat das Ausgangssignal des Komparators 3 den Pegel 0.

Die normale Arbeitsweise von vier Schalteinrichtungen, d. h. den Schalteinrichtungen Sa1, Sb1, SC1 und Sd1, bezüglich der Stromtransformatoren AB1 und CD1 kann über das Ausgangssignal mit dem Pegel 0 vom Komparator 3 beurteilt werden.

Fig. 3.2 betrifft den Fall, daß die Schalteinrichtung Sd1 oder Sc1 eine Stromkreisunterbrechung hat, so daß normale Recht­ eckwellen dem Differentialverstärker 1 vom Stromtransformator AB1 geliefert werden, während das Eingangssignal vom Strom­ transformator CD1 aufgrund des Fehlers nur den halben Zyklus leitet, was zu einer kleinen Amplitude führt. Der Differential­ verstärker 1 legt daher Spannungsdifferentiale an den Voll­ wellen-Gleichrichter 2, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, und der Komparator 3 liefert ein Ausgangssignal mit dem Pegel 1, indem er diesen Unterschied dadurch erkennt, daß er das Ausgangssignal vom Vollwellen-Gleichrichter 2 mit dem Be­ zugswert auf dem Wert s=0 vergleicht.

Bei einem Ausgleichssignalpegel = 1 wird ein Fehler einer ein­ zelnen Schalteinrichtung unter den vier Schalteinrichtungen Sa1, Sb1, Sc1 und Sd1 wenigstens bezüglich der Stromtransforma­ toren AB1 und CD1 ohne weiteres beispielsweise dadurch gemel­ det, daß beispielsweise wie üblich eine Klingel oder Glocke ein Alarmsignal gibt.

Ein Ausgangssignal mit dem Pegel 1 vom Komparator 3 tritt nach einem ähnlichen Arbeitsprinzip, wie es oben beschrieben wurde, auch dann auf, wenn die Schalteinrichtung Sa1 oder Sb1 einen offenen Stromkreis hat, was es möglich macht, leicht einen Fehler in einem der vier Schalteinrichtungen bezüglich der Stromtransformatoren AB1 und CD1 zu erkennen.

Fig. 3.3 betrifft den Fall, in dem entweder die Schalteinrich­ tung Sd1 oder Sc1 kurzgeschlossen ist und der Differentialver­ stärker 1 ein Eingangssignal in Form normaler Rechteckwellen vom Stromtransformator AB1 erhält, während das Eingangssignal vom Stromtransformator CD1 nebengeschlossen wird, da der Strom einen halben Zyklus über die kurzgeschlossene Einrich­ tung fließt, was eine kleine Amplitude zur Folge hat.

Der Differentialverstärker 1 liefert daher Spannungsdiffe­ rentiale dem Vollwellen-Gleichrichter 2 in der dargestellten Weise, und der Komparator 3 gibt bei einem Vergleich des Aus­ gangssignals vom Vollwellen-Gleichrichter 2 mit dem Bezugswert s=0 ein Ausgangssignal mit dem Pegel 1 aus.

Mit dem Ausgangssignal vom Komparator 3 kann ein Fehler einer der vier Schalteinrichtungen bezüglich der Stromtransformato­ ren AB1 und CD1 (Sa1, Sb1, Sc1 oder Sd1) leicht erkannt wer­ den.

Auch wenn die Schalteinrichtung Sa1 oder Sb1 kurzgeschlossen ist, liefert der Komparator 3 ein Ausgangssignal mit einem Pegel 1 nach einem Arbeitsprinzip, das dem Obigen ähnlich ist, wodurch es ohne weiteres möglich ist, einen Fehler einer der vier Schalteinrichtungen bezüglich der Stromtransformato­ ren AB1 und CD1 zu erkennen.

Abgesehen davon wird das Ausgangssignal von einem der Strom­ transformatorenpaare AB2, CD2 und AB3, CD3 durch eine Unter­ scheidungsschaltung verarbeitet, die in derselben Weise auf­ gebaut ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, so daß ein Feh­ ler der betreffenden Schalteinrichtung ohne Schwierigkeiten erkannt werden kann, wie es oben beschrieben wurde.

Ein offener Stromkreis oder ein Kurzschlußfehler einer ein­ zelnen Schalteinrichtung unter allen Schalteinrichtungen, die ein Inverter umfaßt, wird daher ohne Schwierigkeiten erkannt, und die Identifizierung der fehlerhaften Schalteinrichtung ist auf vier Schalteinrichtungen reduziert, die den Komparator 3 betreffen, der ein Ausgangssignal mit dem Pegel 1 liefert.

Die Stromtransformatorpaare mit der dazwischen angeordneten Last L sind nicht auf die oben beschriebenen Paare beschränkt, beispielsweise werden die Paare AB1 und CD2, AB2 und CD3, AB3 und CD1 oder die Paare AB1 und CD3, AB2 und CD1, AB3 und CD2 in der gleichen Weise arbeiten und funktionieren.

Obwohl im obigen Schaltungszweige mit drei Schalteinrichtungen beschrieben wurden, die parallelgeschaltet sind, ist die er­ findungsgemäße Ausbildung natürlich unabhängig von der Anzahl der Schalteinrichtungen anwendbar, wenn jeder Zweig mehrere parallelgeschaltete Schalteinrichtungen umfaßt.

Wie es oben beschrieben wurde, ist es durch die vorliegende Erfindung möglich, leicht einen Fehler in Form eines offenen Stromkreises oder eines Kurzschlusses einer einzelnen Schalt­ einrichtung unter einer Vielzahl von Schalteinrichtungen in irgendeinem Zweig zu erkennen, wobei jeder Zweig im Stromver­ sorgungsinverter mehrere Schalteinrichtungen umfaßt, die pa­ rallel geschaltet sind, wobei sich der zusätzliche Vorteil er­ gibt, daß die Identifizierung der fehlerhaften Einrichtung auf mögliche vier Einrichtungen begrenzt ist.

Durch die Erfindung wird es somit möglich, leicht und zuver­ lässig das Auftreten eines Fehlers einer einzelnen Schaltein­ richtung zu erkennen und auf mögliche vier Einrichtungen selbst dann zu reduzieren, wenn das Personal nicht aus Inver­ terfachleuten besteht, und zwar unabhängig davon, ob der Fehler durch einen offenen Stromkreis oder einen Kurzschluß hervor­ gerufen wird. Es wird daher vermieden, daß eine Betriebsstö­ rung, die von einer einzelnen Schalteinrichtung ausgeht, sich auf andere Einrichtungen in demselben Zweig ausbreitet und eventuell zu einem Zusammenbruch des Inverters führt.

Es muß lediglich die fehlerhafte Einrichtung durch eine normal arbeitende Schalteinrichtung ersetzt werden, so daß die her­ kömmliche Schwierigkeit, daß ein einzelner Fehler alle Ein­ richtungen im selben Zweig beeinflußt und sich auf diese Ein­ richtungen ausbreitet, sicher vermieden ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat darüber hinaus einen re­ lativ einfachen Aufbau mit geringen Anlagekosten, verglichen mit den Beschädigungen, die von einer einzelnen fehlerhaften Einrichtung ausgehen können, was einen großen Vorteil mit sich bringt.

Ein Vollbrücken-Inverter vom Stromversorgungstyp umfaßt in jedem Zweig mehrere Schalteinrichtungen, die parallel geschaltet sind, wobei der Inverter als Energiever­ sorgung für eine Induktionsheizung dient. Es ist möglich, ohne Schwierigkeiten einen Fehler einer einzelnen Schaltein­ richtung unter einer Anzahl von Schalteinrichtungen im In­ verter während des Betriebes zu erkennen, und zwar gleich­ gültig, ob es ein Fehler in Form eines offenen Stromkreises oder eines Kurzschlusses ist. Es ist auch möglich, die Iden­ tifizierung der fehlerhaften Einrichtung auf jeweils vier Einrichtungen unter der Anzahl von Schalteinrichtungen zu begrenzen, wodurch verhindert werden kann, daß ein von einer einzelnen Schalteinrichtung ausgehender Fehler sich der Reihe nach auf andere Schalteinrichtungen im selben Zweig ausbrei­ tet, und eine Ausbreitung der Beschädigungen vermieden wer­ den kann.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Unterscheiden fehlerhafter Schalteinrich­ tungen von normal arbeitenden Schalteinrichtungen bei einem Vollbrücken-Inverter vom Stromversorgungstyp, dessen Zweige jeweils eine Vielzahl von parallel geschalteten Schalteinrichtungen umfassen, gekennzeichnet durch Stromtransformatoren (AB1-CD3), die in jedem Schaltkreis auf der Seite der Last (L) angeordnet sind, die sich in Reihe geschaltete Schalteinrichtungen (Sa1-Sd3) teilen, einen Differentialverstärker (1), an dem die Ausgangs­ signale der Stromtransformatoren (AB1-CD3) liegen, die willkürlich paarweise mit der dazwischen liegenden Last (L) zusammengefaßt sind, einen Vollwellen-Gleichrichter (2), der das Ausgangssignal vom Differentialverstärker (1) gleichrichtet und glättet, und einen Komparator (3), der den Bezugswert mit dem Ausgangssignal vom Vollwellen- Gleichrichter (2) vergleicht, wobei der Differentialver­ stärker (1) so eingestellt ist, daß er ein Ausgangssignal mit dem Pegel 0 liefert, wenn der Inverter mit den Ein­ gangswerten von jedem Stromtransformatorpaar (AB1-CD3) gleich dem Bezugswert normal arbeitet, welche Bezugswerte auf dem Pegel 0 festgelegt sind, und der Komparator (3) so ausgebildet ist, daß er ein Ausgangssignal mit dem Pe­ gel 1 liefert, wenn der Eingangssignalwert vom Vollwel­ len-Gleichrichter (2) vom Bezugswert mit dem Pegel 0 bei einem Vergleich verschieden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vollbrücken-Inverter vom Stromversorgungstyp die Stromversorgung für eine Induktionsheizung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine fehlerhafte Schalteinrichtung von normalen Schalteinrichtungen entweder bei einem Fehler in Form ei­ nes offenen Stromkreises oder bei einem Fehler in Form eines Kurzschlusses unterscheiden kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgebildet ist, daß sie beim Auftreten eines Fehlers einer Schalteinrichtung über das Ausgangssignal mit dem Pegel 1 vom Komparator (3) ein Alarmsignal gibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgebildet ist, daß sie das Vorliegen einer fehlerhaften Schalteinrichtung auf beliebige vier Schalt­ einrichtungen bezüglich des Komparators (3) mittels des Ausgangssignals mit dem Pegel 1 vom Komparator (3) be­ grenzen kann.