DE3117284A1

DE3117284A1 - Schaltungsanordnung zur ueberwachung eines symmetrischen dreiphasen-wechselstromes

Info

Publication number: DE3117284A1
Application number: DE19813117284
Authority: DE
Inventors: Manfred 8045 Ismaning Wiedemer
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1982-11-25
Also published as: DE3117284C2

Description

Schaltungsanordnung zur Überwachung eines symmetrischen
Dreiphas en-Wechselstromes.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines symmetrischen Dreiphasen-Wechselstrones auf falsche Drehrichtung der Phasen und Ausfall von mindestens einer Phase.
Zur Ansteuerung größerer elektrischer Verbraucher, wie Motore, Heizungen usw. mittels Triacs werden häufig Nullspannungsschalter eingesetzt. Dadurch kann der Aufwand an Filtern - zur Unterdrückung unzulässig hoher Funkstörspannungen - wesentlich verringert werden. Außerdem kann bei Verwendurgvon Nullspannungsschaltern in den meisten Fällen auf zusätzliche Schaltungsmaßnahmen zur Begrenzung der Einschaltströme verzichtet werden.
Zum Schutze der Verbraucher und zur Sicherstellung der Gerätefunktion muß in vielen Anwendungsfällen zusätzlich die Drehrichtung und der Ausfall einzelner Phasen des speisenden Drehstromnetzes erkannt und entsprechend ausgewertet werden. Diese Fehlermeldungen werden an die nachgeschaltete Steuerung in Form von Signalen weitergegeben. Zur Auswertung dieser Signale bedarf endes Umsetzens auf den Spånnungspegel der zugehörigen Auswerteschaltungen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines symmetrischen Dreiphasen-Wechselstromes anzugeben, die sowohl die falsche Drehrichtung der Phasen als auch den Ausfall mindestens einer Phase feststellt. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß in jedem Strang des offenen Dreiphasensystems jeweils ein Nulldurchgangsdetektor angeordnet ist, der beim Nulldurchgang der zugeordneten Phase ein digitales Nulldurchgangssignal abgibt, daß die Ausgänge der Nulldurchgangsdetektoren mit einer Drehfeldüberwachungsschaltung verbunden sind, die feststellt, ob zwischen den Nulldurchgangssignalen der in der Phasenfolge unmittelbar aufeinanderfolgenden Phasen ein Nulldurchgangssignal der weiteren Phase liegt und daß die Nulldurchgangsdetektoren mit einer Phasenausfallüberwachungsschaltung verbunden sind, die aus einem Vergleich der Nulldurchgangssignale das Fehlen einer Phase feststellt.
Ein einfacher Aufbau des einzelnen Nulldurchgangsdetektors ergibt sich dann, wenn dieser einen Optokoppler enthält, dessen Lichtsender im Brückenzweig einer im Strang angeordneten Gleichrichterbrückenschaltung liegt und dessen Lichtempfänger mit einer Impulsformerstufe verbunden ist, die das digitale Nulldurchgangssignal abgibt. Eine derartige Ausführung des Nulldurchgangsdetektors hat weiterhin den Vorteil, daß eine galvanische Trennung zwischen dem Dreiphasennetz und der Drehfeldüberwachungsschaltung bzw. Phasenausfallüb.erwachungsschaltung gegeben ist.
Die Drehfeldüberwachungsschaltung kann in einfacher Weise bestehen aus einem ersten bistabilen Kippglied,dessen Set eingang mit dem Ausgang eines einer Phase zugeordneten Nulldurchgangsdetektors verbunden ist und dessen Rücksetzeingang mit dem Ausgang des der nächsten Phase zugeordneten Nulldurchgangsdetektors verbunden ist, aus einem ersten ttT-r1lied, das mit dem Ausgang des ersten bistabilen Kippgl-.edes und dem Ausgang des der weiteren Phase zugeordneten Null t'lrShgangS- detektors verbunden ist und aus einem zweiten bistabilen Kippglied, dessen Setzeingang mit dem Ausgang des ersten UND-Gliedes verbunden ist.
Die Phasenausfallüberwachungsschaltung besteht in einfacher Weise aus drei weiteren an den Ausgängen verbundenen UND-Gliedern, von denen das erste mit dem Ausgang des ersten und zweiten Nulldurchgangsdetektors, das zweite mit dem Ausgängen des zweiten und dritten Nulldurchgangsdetektors und das dritte mit den Ausgängen des dritten und ersten Nulldurchgangsdetektors verbunden ist und aus einem dritten bistabilen Kippglied, dessen Setzeingang an die Ausgänge der drei UND-Glieder angeschlossen ist.
Die Drehfeldüberwachungsschaltung und die Phasenausfallüberwachungsschaltung kann auf einfache Weise dadurch miteinander verbunden werden, daß ein fünftes UND-Glied vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des der einen Phase zugeordneten Nulldurchgangsdetektors und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des der weiteren Phase zugeordneten Nulldurchgangsdetektors verbunden ist und dessen Ausgang an einen Setzeingang des ersten bistabilen Kippgledes angeschlossen ist.
Um zu verhindern, daß bei Ausfall einer Phase auch die Drehfeldüberwachungsschaltung mitgesetzt wird, kann die Schaltungsanordnung so aufgebaut sein, daß der Ausgang des der weiteren Phase zugeordneten Nulldurchgangsdetektors über ein Verzögerungsglied an das erste UND-Glied angeschlossen ist, daß zwischen dem ersten UND-Glied und dem Setzeingang des zweitsibistabilen Kippgliedes ein sechstes UND-Glied angeordnet IStr dessen einer Eingang über einen Inverter mit dem Ausgang der Phasenausfallüberwachungsschaltung verbunden ist.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bestehen nicht nur darin, daß ein Ausfall mindestens einer Phase und eine falsche Drehrichtung der einzelnen Phase festgestellt werden kann, sondern daß auch die Fehlersignale in einem Spannungspegel abgegeben werden, der für die zugehrgen Auswerteschaltungen verwendbar ist.
Anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sindr wird die Erfindung weiter erläutert. Es zegien Fig.1 ein Spannungsdiagramm mit den Strangspannungen des Dreiphasenwechselstromnetzes zusammen mit den Nulldurchgangssignalen, Fig.2 den Aufbau eines Nulldurchgangsdetektors, Fig.3 den Aufbau einer Drehfeldüberwachungsschaltung, Fig.4 den Aufbau einer Phasenausfallüberwachungsschaltung, Fig.S eine kombinierte Drehfeld-und Phasendberwachungsschaltung, Fig.6 die Drehfeldüberwachungsschaltung mit Phasenausfallausblendung.
Aus Figur 1 ergibt sich in der ersten Seile der Verlauf der Strangspannungen U1, U2, U3 aufgetragen über der Zeit Q t Es handelt sich dabei um die Strangspannungen eines symmetrischen Dreiphasenwechselstromes. Unterhalb der drei Strangspannungen sind die Nulldurchgangssignale für ede Strangspannung U1, U2,U3 dargestellt. Es handelt sic l hier um die Ausgangssignale des Nulldurchgangsdetektors , der jeweils einem Strang zugeordnet ist. Dabei sind die Nulldurchgangssignale für die Strangspannung U1 mit ZVD1-, die Nulldurchgangssignale für die Strangspai U5/iVD2-N und die Nulldurchgangssignale für die Strangspannung U3 mit ZVD3-N bezeichnet.
Fig.2 ergibt den Aufbau der Nulldurchgangsdetektoren.
Dabei ist jeweils jedem Strang ein Nulldurchgangsdetektor zugeordnet. Im Strang S1 ist eine Gleichrichterbrücke 10 angeordnet, in dessen Brückenzweig ein Lichtsender 22, z.B.
eine Leuchtdiode liegt. Der Lichtsender 22 wirkt mit einem Lichtempfänger 24, z.B. einem Fototransistor zusammen.
Das Ausgangssignal des Lichtsenders wird einer Impulsformerstufe 34, z.B. einem Schmitt-Trigger, zugeführt. Am Ausgang der Impulsformerstufe 34 erscheint dann das Nulldurchgangssignal ZVD1-N. Der Lichtsender 22 und der Lichtemfänger 24 bilden einen Optokoppler bekannten Aufbaus. Mit Hilfo eines Widerstandes 16 im Strang S1 wird die Größe des Stromes im Strang eingestellt.
Entsprechend besteht der Nulldurchgangsdetektor im Strang S2 aus einer Gleichrichterbrückenschaltung 12, einem Lichtsender 26, einem Lichtempfänger 28 und einer Impulsformerstufe 36, an dessen Ausgang das Nulldurchgangssignal ZVD2-N abgegeben wird. Auch hier ist im Strang vor der Gleichrichterbrückenschaltung 12 ein Widerstand 18 eingefügt.
Im Strang 53 ist ein dritter Nulldurchgangsdetektor angeordnet, bestehend aus der Gleichrichterbrückenschaltung 14, dem Lichtsender 30, dem Lichtempfänger 32 und der Impulsformerstufe 33, an deren Ausgang das Nulldurchgangssignal ZVD3-N abgegeben wird. Wiederum ist ein Widerstand 20 im Strang S3 eingefügt.
Das offene Dreiphasensystent kann sowohl in der Anschluß art Stern als auch in der Anschlußart Dreieck zusammengeschaltet werden. Dazu ergibt sich aus Figur 2 die Art der Zusammenschaltung, Die Anschlußbelegungen sind mit L1, L2, L3 bezeichnet. Wenn die Anschlüsse L1, L2 und L3 entsprechend der vordersten mit Dreieck bezeichneten Spalte mit den Strängen S1 bis S3 verbunden werden, ergibt sich die Zusammenschaltung im Dreieck, wenn die Anschlüsse L1, L2 L3 entsprechend der zweiten mit Stern bezeichneten Spalte mit den Strängen S1, S2 und S3 verbunden sind ergibt sich die Anschlußart Stern. Bei der Anschlußart Stern ist zusätzlich ein Nulleiter N vorgesehen.
Die Lichtsender 22, 26, 30 geben nur dann kein Licht ab, wenn die zugehörigen Strangspannungen U1, U2, U3 durch Null gehen. Entsprechend wird der Lichtscempfänger, der Fototransistor, während des Nulldurchganges der zugehörigen Strangspannung gesperrt. Am Ausgang des Lichtempfängers 24,28,32 wird dann ein Signal gegeben, das mit Hilfe der Impulsformerstufe 34, 36, 38 in ein digitales Nulldurchgangssignal umgewandelt wird. Das Nulldurchgangssignal ZVD1-N, ZVD2-N und ZVD3-N kann sowohl für die Uberwachungsschaltungsanordnungen als auch für nachgeschaltete Triacansteuerungen verwendet werden.
Die drei Nulldurchgangssignale werden in einer Drehfeldüberwachungsschaltung gemäß Figur 3 ausgewertet. Diese besteht aus einem ersten bistabilen Kippglied 40, einem ersten UND-Glied 42 und einem zweiten bistabilen Kippglied 44. Dem Setzeingang S des ersten bistabilen Kippgliedes 40 wird z.B. das der dritten Phase zugeordnete Nulldurchgangssignal ZVD3-N zugeführt. Auf den Rücksetzeingang R des ersten bistabilen Kippgliedes 40 wird dann das Nul durch gangssignal der nächsten Phase ZVD1-N zugeleitet. Das Ausgangssignal des ersten bistabilen Kippgliedes 40 wird mit Hilfe des ersten UND-Gliedes 42 mit dem Nulldurchgangssignal ZVD2-N der zweiten Phase verknüpft Das UND-Glied mit 42 ist schließlich/dem Setzeingang S des zweiten bistabilen Kippgliedes 44 verbunden, an dessen Ausgang ein Fehlersignal DF abgegeben wird. Das zweite bistabile Kippgliec 44 wird durch ein Signal RS am Rücksetzeingang R zurückgestellt.
Wenn also ein Nulldurchgangssignal ZVD3-N auftritt, wird das erste bistabile Kippglied 40 gesetzt. Bei Auftreten des nächsten der ersten Phase zugeordneten Nulldurchgangssignales ZVD1-N wird das Flip-Flop 40 zurückgesetzt. Wenn nun in dem Zeitraum, in dem das erste bistabile Kippglied 40 gesetzt ist, ein Nulldurchgangssignal ZVD2-N der zweiten Phase auftritt - dies bedeutet eine falsche Reihenfolge der drei Phasen - dann gibt das erste UND-Glied 42 ein Signal ab, durch das das zweite bistabile Kippglied 44 gesetzt wird. Bei richtiger Folge der einzelnen Phasen darf während der Zeit, in der das erste bistabile Kippglied 40 gesetzt ist, kein Nulldurchgangssignal der zweiten Phase auftreten.
Die Phasenausfallüberwachungsschaltung ist in Figur 4 gezeigt. diese besteht aus drei UND-Gliedern 46,48,50,einem Inverter 54 und einem dritten bistabilen Kippglied 56.
An das UND-Glied 46 werden die Nulldurchgangssignale ZVD1-N und ZVD2-N angeschlossen, an das UND-Glied 48 die Nulldurchgangssignale ZVD1-N und ZVD3-N und an das UND-Glied 50 die Nulldurchgangssignale ZVD2-N und ZVD3-N. Die UND-Glieder 46,48,5Q sind an ihren Ausgängen miteinander verbunden und über einen Widerstand 52 an eine Betriebsspannungsquelle von 5V angeschlossen. Um den richtigen Spannungspegel einzustellen, wird das Ausgangssignal der UND-Glieder 46,48,50 über einen Inverter 54 geführt und dem Setzeingang S des bistabilen Kippgliedes 56 zugeführt. Dieses wird nur dann gesetzt, wenn mindestens eine der Phasen ausfällt.
Ein Signal PA am Ausgang des bistabilen Kippgliedes 56 gibt also den Fehlerfall an.
Solange alle Phasen vorhanden sind, ist eine der UND-Bedingungen der UND-Glieder 46,48,50 erfüllt und dementsprechend wird das bistabile Kippglied 56 nicht gesetzt. Fällt dagegen eine der Phasen aus, dann fließt bei Sternschaltung kein Strom durch den zugeordneten Strang. Damit gibt der zugeordnete Lichtsender kein Licht ab und es kann kein Strom durch den entsprechenden Fototransistor fließen..Die Folge ist, daß am Ausgang des Nulldurchgangsindikators ein Dauersignal abgegeben wird. Dieses Dauersignal wird mindestens zwei der UND-Glieder 46,48 und 50 zugeführt und führt zur Erfüllung der UND-Bedingung, wenn das andere einer anderen an-Pha e zugeordeten Nulldurchgangssignal/liegt. Am Ausgang der UND-Glieder 46,48,50 tritt ein Signal auf, durch das dasbistabile Kippglied 56 gesetzt wird.
Fehlt eine Phase bei Dreieckschaltung, dann überlappen sich mindestens zwei der verschiedenen Phasen zugeordneten Nulldurchgangssignale und dementsprechend werden die UND-Bedingungen der UND-Glieder 46,48,50 erfüllt. Auch dann wird das bistabile Kippglied 56 gesetzt.
Wird eine Unterscheidung zwischen Drehfeldrichtungsfehler und Phasenausfall nicht benötigt, dann kann die Drehfeldüberwachungsschaltung(Fig.3)so erweitert werden, daß auch ein Fehlen einer Phase festgestellt wird. Die entsprechende Schaltungsanordnung ist in Figur 5 dargestellt. Zusätzlich zu der Drehfeldüberwachungsschaltung gemäß der Figur ^ wird hier ein weiteres UND-Glied 58 eingefügt. Diesem Ut«-Glied 58 wird das Nulldurchgangssignal ZVD2-N und ZVD3-N zugeführt.
Es wird also nur der Ausfall der Phase 2 oder 3 überwacht.
Sowohl wenn ein Fehler in der Drehrichtung auftritt, als auch wenn die Phase 2 oder 3 ausfällt, wird das bistabile Kippglied 44 gesetzt. Es gibt dann am Ausge ein Fehlersignal FS ab. Der übrige Aufbau der Schaltung entspricht der der Figur 3.
Die Schaltungsanordnung zur Drehfeldüberwachung gemäß der Fig.3 kann weiterhin so geändert werden, daß sie dann nicht gesetzt wird, wenn z,B* die Phase 3 ausfällt. Dazu wird ein UND-Glied 62 zwischen dem UND-Glied 42 und dem bistabilen Kippglied 44 angeordnet. Dem zweiten Eingang dieses UND-Gliedes 62 wird das Fehlersignal PA von der Phasenausfallüberwachungsschaltung gemäß Fig.4 zugeführt. Zudem ist am Eingang des UND-Gliedes 42,an dem das Nulldurchgangssignal ZvD2-N anliegt, ein Verzögerungsglied 60 zwischengeschaltet.
Tritt ein Fehlersignal PA auf, so wird dieses invertiert an den Eingang des UND-Gliedes 62 geleg.und damit das UND-Glied 62 gesperrt. Da weiterhin das Nulldurchgangssignal ZVD2-N verzögert an das UND-Glied 42 angelegt wird, tritt das Fehlersignal PA immer vor dem Ausgangsignal desUND-Gliedes 42 auf.
Während des Anlegens der Netzspannung und Einschaltens ist ür die Dauer der ersten Halbwelle eine einwandfreie Funktion der Schaltungsanordnung nicht gewährleistet. Für diesen Zeitraum können die bistabilen Kippschaltungen 44,56 mit Hilfe der Rücksetzsignale RS in Rücksetzzustand gehalten werden 6 Patentansprüche 6 Figuren L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Schaltungsanordnung zur Überwachung eines symmetrischen Dreiphasenwechselstromes auf falsche Drehrichtung der Phasen und Ausfall von mindestens einer Phase, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in jedem Strang (S1,S2,S3) des offenen Dreiphasensystems jeweils ein Nulldurchgangsdetektor angeordne ist, der beim Nulldurchgang der zugeordneten Phase ein digitales Nulldurchgangssignal (ZVD 1-3) abgibt, daß die Ausgänge der Nulldurchgangsdetektoren mit einer Drehfeldüberwachungsschaltung verbunden sind, die feststellt, ob zwischen den Nulldurchgangssignalen (ZVD1, in ZVD3) der/der Phasenfolge unmittelbar aufeinanderfolgenden Phasen ein Nulldurchgangssignal (ZVD2) der weiteren Phase liegt und daß die Nulldurchgangsdetektoren mit einer Phasenausfallüberwachungsschaltung verbunden sind, die aus einem Vergleich der Nulldurchgangssignale das Fehlen einer Phase feststellt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i chn e t durch den Nulldurchgangsdetektor aus einem Optokoppler, dessen Lichtsender (22, 26, 30) im Brückenzweig einer im Strang (S1,S2,S3) angeordneten Gleichrichterbrükkenschaltung (10,12,14) liegt und dessen Lichtempfänger (24,28,32) mit einer Impulsformerstufe (34,36,38) verbunden ist, die das digitale Nulldurchgangssignal (ZVD1-3) abgibt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, g t k e n nz e i c h n e t durch die Drehfeldiiberwachungsschaltung aus einem ersten bistabilen Kippglied (40), dessen Setzeingang (S) mit dem Ausgang eines einer Phase zugeordneten Wulldurchgangsdetektors verbunden ist und denen Rücksetzeingang (R) mit dem Ausgang des der nächsten Pase'zugeordneten Nulldurchgangsdntektors verbunden ist, us einem ersten UND-Glied (42), das mit dem Ausgang des ersten bistabilen Kippgliedes (40) und dem Ausgang des der weiteren Phase zugeordneten Nulldurchgangsdetektors verbunden ist und aus einem zweiten bistabilen Kippglied (44), dessen Setzeingang (S) mit dem Ausgang des ersten UND-Gliedes (42) verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch die Phasenausfallüberwachungsschaltung aus drei weiteren an den Ausgängen verbundenen UND-Gliedern (46,48,50), von denen das erste mit den Ausgängen des ersten und zweiten Nulldurchgangsdetektors r das zweite mit den Ausgängen des zweiten und dritten Nulldurchgangsdetektors und das dritte mit den Ausgängen des dritten und ersten Nulldurchgangsdetektors verbunden ist und aus einem dritten bistabilen Kippglied (56), dessen Setzeingang (S) an die Ausgänge der weiteren UND-Glieder(46,48,50) angeschlossen ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein fünftes UND-Glied (58) vorgesehen ist, dessen Eingänge mit dem Ausgang des der einen Phase zugeordneten Nulldurchgangsdetektors und dem Ausgang des der weiteren Phase zugeordneten Nulldurchgangsdetektors verbunden sind und dessen Ausgang an einen Setzeingang des zweiten bistabilen Kippgliedes (44) angeschlossen ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Ausgang des der weiteren Phase zugeordneten Nulldurchgangsdetektors über ein Verzögerungsglied (60) an das erste UND-Glied (42) angeschlossen ist, daß zwischen dem ersten UND-Glied (42) und dem Setzeingang des 2weit« bistabilen Kippgliedes sechstes (44) ein / UND-Glied (62) angeordnet ist, dessen zweiter Eingang über einen Inverter mit dem Ausgang der Phasenausfallüberwachungsschaltung verbunden ist.