DE4213443C1 - Schaltungsanordnung zur Überwachung des Ausfalls von Sicherungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Ausfalls von Sicherungen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es sind sogenannte Sicherungswächter für Drehstromnetze bekannt, bei denen vor und nach den Sicherungen die einzelnen Strompfade über Widerstände zu jeweils einem Sternpunkt zusammengeschaltet werden, wobei die zwei Sternpunkte beispielsweise über einen Widerstand miteinander verbunden sind. Tritt an dem Widerstand eine Spannungsdifferenz auf, so sind eine oder zwei Sicherungen ausgefallen.

Diese bekannten Sicherungswächter haben aber den Nachteil, daß nicht festgestellt werden kann, ob alle drei Sicherungen ausgefallen sind, da in diesem Falle beide Sternpunkte auf dem gleichen Potential liegen. Dieser Nachteil wurde mit dem Gegenstand DE 41 18 346 C1 vermieden, in der eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Ausfalls von Sicherungen offenbart wird, die einen Schaltkreis aufweist, der mit seinem einen Ende mit einem ersten Strompfad des Drehstromnetzes nach den Sicherungen und mit dem anderen Ende mit dem zugeordneten Sternpunkt verbunden ist, wobei bei intakter Sicherung ein Strom zwischen dem ersten Strompfad und dem zweiten und dritten Strompfad fließt. Diese einfache und kostengünstige Lösung hat den Nachteil, daß aufgrund der Verwendung des Sternpunktes möglicherweise vorhandene Asymmetrien der Spannungen der einzelnen Drehstromleitungen mit in die Schaltung eingehen, so daß eine Rückspeisung einer als Motor ausgebildeten Last bei Ausfall einer Sicherung nicht bis zu dem gewünschten hohen Grenzwert erkannt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Ausfalls von Sicherungen gemäß der DE 41 18 346 C1 dahingehend zu verbessern, daß auch bei Spannungsasymmetrien im Drehstromnetz, die von vornherein vorhanden sein können oder die durch Rückspeisung bewirkt werden, der Ausfall von Sicherungen sicher und zuverlässig erkannt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale im Hauptanspruch gelöst.

Dadurch, daß mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung jeweils die Phasen vor und nach den Sicherungen miteinander verglichen werden und bei Phasendifferenz bzw. bei nicht vorhandener Phase ein Ausfallsignal abgegeben wird, beeinflußt eine Asymmetrie der Spannungen, nicht die Erkennung des Sicherungsausfalls, da keine Spannungswerte, sondern jeweils nur einander zugeordnete Phasen vor und nach den Sicherungen verglichen werden. Die Rückspeisungshöhe, die als Grenzwert für den Ausfall einer Sicherung dient, kann prozentual vorgegeben werden. Da die Asymmetrie nicht in den prozentualen Wert der Rückspeisungshöhe eingeht, kann die Schaltungsanordnung für einen großen Spannungsbereich ausgelegt werden.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß bei einem Ausfall von Sicherungen eine galvanische Trennung zwischen den Schaltkreisen vor den Sicherungen und nach den Sicherungen vorhanden ist, da in die Verbindungsleitungen zwischen den Schaltkreisen vor und nach den Sicherungen Optokoppler geschaltet sind und darüber hinaus auch die Spannungsversorgungen jeweils galvanisch getrennt sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Fig. 1a und 1b zeigen die schaltungsgemäße Ausgestaltung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 sind die Leitungen des Drehstromnetzes vor den Sicherungen F1, F2, F3 mit L1, L2 und L3 und die Leitungen nach den Sicherungen F1, F2, F3 mit L1′, L2′, L3′ bezeichnet. Die Strompfade, Leitungen oder Leiter L1′, L2′, L3′ gehen zu einem nicht dargestellten Verbraucher, beispielsweise einem Motor, der durch die Sicherungen F1, F2 , F3 abgesichert ist.

Die Schaltungsanordnung nach den Fig. 1a und 1b besteht aus einem ersten Schaltkreis 1, der vor den Sicherungen F1, F2, F3 liegt, einem zweiten Schaltkreis 2, der identisch, aber gegenpolig zu dem ersten Schaltkreis 1 aufgebaut ist, und der nach den Sicherungen F1, F2, F3 liegt, einem Phasenvergleichskreis 3, der mit dem ersten Schaltkreis 1 und dem zweiten Schaltkreis 2 verbunden ist, einem Schaltkreis 4 zur Signalauswertung des von dem Phasenvergleichskreis 3 abgegebenen Signals, einem Relaiskreis 5, der mit dem Schaltkreis 4 zur Signalauswertung verbunden ist und abhängig von dessen Ausgangssignal erregt oder nicht erregt wird, und einer Spannungsversorgung 6.

Die Spannungsversorgung 6 weist einen Transformator T auf, dessen Primärwicklung mit zwei Leitern des Drehstromnetzes, beispielsweise L1 und L2, verbunden ist und der zwei getrennte Sekundärwicklungen Sek1 und Sek2 besitzt, die jeweils mit einer Gleichrichterbrücke V9 und V22 verbunden sind. Die Sekundärwicklung Sek1 mit demm Gleichrichter V9 versorgt den ersten Schaltkreis 1, den Phasenvergleichskreis 3 und den Schaltkreis 4 zur Signalauswertung mit dem Relaiskreis 5, während die zweite Sekundärwicklung Sek2 mit der Gleichrichterbrücke V22 den zweiten Schaltkreis 2 versorgt. Aufgrund der getrennten Sekundärwicklungen Sek1, Sek2 sind die Spannungsversorgungen für die Schaltkreise 1, 2 vor und nach den Sicherungen F1, F2, F3 galvanisch voneinander getrennt.

Der erste Schaltkreis 1 stellt eine Dreiecksschaltung dar, wobei in den drei Zweigen jeweils die Reihenschaltung aus einem Widerstand R1 bzw. R3 bzw. R5, zwei zueinander parallelliegenden Dioden V1, V2 bzw. V3, V4 bzw. V5, V6, und einemm weiteren Widerstand R2 bzw. R4 bzw. R6, besteht. Die Ecken der drei Schaltungen sind jeweils mit den Leitern L1, L2, L3 des Drehstromnetzes verbunden. Die Anschlüsse der jeweils parallelliegenden Dioden V1, V2; V3, V4; V5, V6 gehen jeweils auf den positiven und den negativen Eingang von Schwellenschalter bzw. ersten Komparatoren 7, 8, 9, wobei die negativen Eingänge der ersten Komparatoren 7, 8, 9 gleichzeitig an einer Schwellenspannung liegen, die an dem Verbindungspunkt zwischen zwei parallel zum ersten Spannungsversorgungsteil Sek1, V9 liegenden Z-Dioden V7, V8 gebildet wird. Die mit dem positiven Anschluß des ersten Spannungsversorgungsteiles Sek1, V9 verbundenen "pull up" Widerstände R7, R8, R9, die mit jeweils ihrem zweiten Anschluß mit dem positiven Eingang der ersten Komparatoren 7, 8, 9 verbunden sind, dienen zur Vorgabe des Potentials an dem positiven Eingang der ersten Komparatoren 7, 8, 9, damit dieser im Störfalle nicht offen ist und schwingt und eine Vorzugsrichtung für die ersten Komparatoren 7, 8, 9 vorgegeben wird.

Der ersten Schaltkreis 1 dient jeweils zur Feststellung des Nulldurchgangs der drei Sinusspannungen, wobei am Ausgang der ersten Komparatoren 7, 8, 9 jeweils eine Rechteckspannung geliefert wird. An den negativen Eingängen liegt beispielsweise die Schwellenspannung mit einem Wert von 5 Volt, während an den positiven Eingängen jeweils 5 Volt, erhöht oder erniedrigt durch die Diodenspannung der Dioden V1, V2 bzw. V3, V4 bzw. V5, V6 liegen, nämlich 4,4 Volt oder 5,6 Volt. Somit schalten die Ausgänge der ersten Komparatoren 7, 8, 9 entsprechend dem Nulldurchgang der Sinusspannungen von High auf Low und umgekehrt, wobei der High-Zustand durch die Widerstände R16, R17, R18 bestimmt wird, da die ersten Komparatoren 7, 8, 9 jeweils einen "open collector" haben.

Der zweite Schaltkreis 2 ist in gleicher Weise aufgebaut wie der erste Schaltkreis 1. Er ist jedoch gegenphasig gepolt. Die Zweige der Dreieckschaltung bestehen hier aus der Reihenschaltuung eines Widerstandes R21, den parallelgeschalteten Dioden V15, V16 und dem Widerstand R22 und entsprechend in den anderen Zweigen aus den Widerständen R23, den Dioden V13, V14 und dem Widerstand R24 und der Reihenschaltung aus dem Widerstand R25, den parallelliegenden Dioden V11, V12 und dem Widerstand R26, wobei die Eckpunkte mit den Leitern L1′, L2′, L3′ verbunden sind. Parallel zu den Dioden V11, V12; V13, V14; V15, V16 liegen die zweiten Komparatoren 10, 11, 12, wobei die Schwellenspannung über die Z-Dioden V17, V18 an den positiven Eingängen der Komparatoren 10, 11, 12 vorgegeben wird. Die Ausgänge der zweiten Komparatoren 10, 11, 12 schalten gegenphasig zu den Ausgängen der ersten Komparatoren 7, 8, 9 des ersten Schaltkreises 1. Die "pull down" Widerstände R27, R28, R29 geben wiederum eine Vorzugsrichtung vor und dienen zum Schutz gegen Schwingen.

Die Ausgänge der ersten Komparatoren 7, 8, 9 des ersten Schaltkreises 1 sind über die Schutzwiderstände R10, R11, R12 mit den negativen Eingängen der dritten Komparatoren 13, 14, 15 verbunden, die Bestandteil des Phasenvergleichskreises 3 sind. Die Ausgänge der zweiten Komparatoren 10, 11, 12 des zweiten Schaltkreises 2 sind jeweils über Optokoppler V19, V20, V21 ebenfalls mit den negativen Eingängen der dritten Komparatoren 13, 14, 15 des Phasenvergleichskreises 3 verbunden, wobei die jweiligen Sendedioden der Optokoppler V19, V20, V21 einerseits an die Ausgänge der zweiten Komparatoren 10, 11, 12 des zweiten Schaltkreises 2 und andererseits über die Widerstände R32, R31, R30 mit dem zweiten Spannungsversorgungsteil (Sek2, Gleichrichter V22) verbunden sind. In entsprechender Weise liegt jeweils der eine Anschluß des Empfängertransistors der Optokoppler V19, V20, V21 an dem negativen Pol des zweiten Spannungsversorgungsteils (Sek1, Gleichrichter V9) des Schaltkreises 1 vor den Sicherungen F1, F2, F3, während der jeweilige andere Anschluß über die niederohmigen Schutzwiderstände R13, R14, R15 mit den entsprechenden negativen Eingängen der dritten Komparatoren 13, 14, 15 des Phasenvergleichskreises 3 verbunden sind. Auch hier dienen die Widerstände R16, R17, R18 zur Vorgabe des High-Zustandes der mit "open collector" ausgebildeten Empfangstransistoren der Optokoppler V19-V21. Die positiven Eingänge der dritten Komparatoren 13, 14, 15 des Phasenvergleichskreises 3 liegen auf der gleichen Schwellenspannung wie die negativen Eingänge der ersten Komparatoren 7, 8, 9 des ersten Schaltkreises 1, die beispielsweise 5 Volt beträgt.

Das Eingangssignal an den negativen Eingängen der dritten Komparatoren 13, 14, 15 des Phasenvergleichskreises 3 besteht im Normalfall, d. h. bei vorhandenen und intakten Sicherungen F1, F2, F3 aus der Überlagerung der durch die ersten und zweiten Komparatoren 7, 12; 8, 11 und 9, 10 bestimmten jeweiligen Rechteckspannungen, wobei diese Rechteckspannungen jeweils gegenphasig sind. Das bedeutet, daß im Normalfall die Spannung am negativen Eingang der dritten Komparatoren 13, 14, 15 des Phasenvergleichskreises 3 Null Volt beträgt.

Wenn nun eine oder mehrere Sicherungen F1, F2, F3 ausfallen, speist der Verbraucher, z. B. der Motor zurück, wodurch eine Phasenverschiebung auftritt. Das bedeutet, daß die am negativen Eingang der dritten Komparatoren 13, 14, 15 des Phasenvergleichskreises 3 anliegende überlagerte Spannung nicht mehr Null ergibt, sondern die Schwellenspannung, die am positiven Eingang liegt, überschreitet, wodurch sich das Ausgangssignal des der Sicherung F1, F2, F3 jeweils zugeordneten dritten Komparators 13, 14, 15 ändert und der Schaltkreis 4 zur Signalauswertung anspricht und ein Schaltsignal für den Relaiskreis 5 liefert.

Die Kondensatoren C1, C2, C3, die in Reihe zu den Widerständen R16, R17, R18 liegen, dienen zur Dämpfung des Signals, damit bei möglicherweise auftretenden Spannungsspitzen durch die Trägheit der Optokoppler V19, V20, V21 kein Ausfallsignal ausgelöst wird. Gleichzeitig kann auch mit den Kondensatoren C1, C2, C3 die Zeit eingestellt werden, die ein Maß für das Erreichen der Ansprechschwelle bei einer Rückspeisung ist, d. h. es kann die Größe der Phasenverschiebung eingestellt werden, ab der eine Rückspeisung und somit ein Ausfall einer Sicherung F1, F2, F3 erkannt werden soll.

Wenn die Last kein Motor ist, d. h. keine Rückspeisung auftritt, ist ein vollständiger Phasenausfall gegeben. Das bedeutet, daß an den negativen Eingängen des der ausgefallenen Sicherung F1, F2, F3 zugeordneten zweiten Komparators 10, 11, 12 des zweiten Schaltkreises 2 über den entsprechenden "pull down" Widerstand R27-R29 eine sich nicht ändernde feste Spannung vorgegeben wird, so daß sich der Ausgangszustand des betroffenen zweiten Komparators 10, 11, 12 ebenfalls nicht ändert. Somit liegt an dem negativen Eingang des zugehörigen dritten Komparators 13, 14, 15 des Phasenvergleichskreises 3 eine Spannung, die nicht Null ist, und dieser schaltet zur Abgabe eines Ausfallsignals.

In ähnlicher Weise kann erkannt werden, wenn eine vor den Sicherungen F1, F2, F3 liegende Hauptsicherung des Drehstromnetzes ausfällt. In diesem Fall gibt einer der "pull up"-Widerstände R7-R9 an dem positiven Eingang des zugeordneten ersten Komparators 7-9 eine sich nicht ändernde Spannung vor, wodurch an dessen Ausgang und an dem Eingang des entsprechenden zweiten Komparators 13-15 eine die Schwellenspannung überschreitende Spannung liegt und ein Ausfallsignal geliefert wird.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung des Ausfalls von Sicherungen, die jeweils in die Strompfade (Leiter) eines Drehstromnetzes zur Versorgung eines Verbrauchers geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein erster Schaltkreis (1) in Dreieckschaltung zur Erfassung der Phasenlage einer Spannung zwischen jeweils zwei Leitern (L1, L2; L2, L3; L3, L1) des Drehstromnetzes vor den Sicherungen (F1, F2, F3),
• - ein zweiter Schaltkreis (2) in Dreieckschaltung zur Erfassung der Phasenlage einer Spannung zwischen jeweils zwei Leitern L1′, L2′; L2′, L3′; L3′, L1′) des Drehstromnetzes nach den Sicherungen (F1, F2, F3) vorgesehen sind, und
• - jeweils die ermittelte Phasenlage der Spannung zwischen zwei Leitern (L1, L2; L2, L3; L3, L1) vor den Sicherungen (F1, F2, F3) mit der ermittelten Phasenlage der Spannung zwischen zwei Leitern (L1′, L2′; L2′, L3′; L3′, L1′) nach den Sicherungen (F1, F2, F3) vergleichen wird, und
• - ein Ausfallsignal abgegeben wird, wenn der Vergleich der ermittelten Phasenlage eine Differenz ergibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die ermittelten Phasenlagen der Spannungen mittels ihrer Nulldurchgänge bestimmt werden und zur Bestimmung der jeweiligen Nulldurchgänge
  • - - der erste Schaltkreis (1) erste Komparatoren (7, 8, 9),
  • - - der zweite Schaltkreis (2) zweite Komparatoren (10, 11, 12) aufweist, wobei die ersten und zweiten Komparatoren (7, 8, 9; 10, 11, 12) an ihrem Ausgang jeweils eine Ausgangsspannung aufweisen, und
• - daß zum Vergleich und zur Bestimmmung der Differenz zwischen den ermittelten Phasenlagen
  • - - die Ausgangsspannungen der ersten Komparatoren (7, 8, 9) und der zweiten Komparatoren (10, 11, 12) jeweils überlagert werden, und
  • - - die überlagerten Ausgangsspannungen jeweils mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Schaltkreis (1, 2) identisch, aber gegenpolig aufgebaut sind und mit einem Phasenvergleichskreis (3) verbunden sind, der dritte Komparatoren (13, 14, 15) aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen des ersten und zweiten Schaltkreises (1, 2) gegenphasig sind und die überlagerten Spannungen bei intakten Sicherungen (F1, F2, F3) unterhalb des vorgegebenen Schwellenwertes der dritten Komparatoren (13, 14, 15) des Phasenvergleichskreises (3) liegen.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsversorgung mit zwei galvanisch voneinander getrennten Spannungsversorgungsteilen vorhanden ist, wobei der ersten Spannungsversorgungsteil (Sek1, V9) den ersten Schaltkreis (1) und der zweite Spannungsversorgungsteil (Sek2, V22) den zweiten Schaltkreis (2) speist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur galvanischen Trennung der Ausgänge der zweiten Komparatoren (10, 11, 12) von den Eingängen der dritten Komparatoren (13, 14, 15) des Phasenvergleichskreises (3) Optokoppler (V19, V20, V21) geschaltet sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingängen der ersten Komparatoren (7, 8, 9) des ersten Schaltkreises (1) über "pull up"-Widerstände (R7, R8, R9) und an den Eingängen der zweiten Komparatoren (10, 11, 12) des zweiten Schaltkreises (2) über "pull down"-Widerstände (R27, R28, R29) eine feste Spannung angelegt wird, wenn eine Phase des Drehstromnetzes vor oder hinter den Sicherungen (F1, F2, F3) vollständig ausfällt.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Eingängen der dritten Komparatoren (13, 14, 15) des Phasenvergleichskreises (3) RC-Glieder (C1, R16; C2, R17; C3, R18) verbunden sind, über die eine Zeit einstellbar ist, die als Maß dafür dient, bis das durch eine Rückspeisung hervorgerufene Eingangssignal an den dritten Komparatoren (13, 14, 15) deren Ansprechschwelle erreicht.