DE3117284C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Über­ wachung eines symmetrischen Dreiphasen-Wechselstromes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Zur Ansteuerung größerer elektrischer Verbraucher, wie Motore, Heizungen usw. mittels Triacs werden häufig Null­ spannungsschalter eingesetzt. Dadurch kann der Aufwand an Filtern - zur Unterdrückung unzulässig hoher Funkstör­ spannungen - wesentlich verringert werden. Außerdem kann bei Verwendung von 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 aus­ gewertet werden. Diese Fehlmeldungen werden an die nachgeschaltete Steuerung in Form von Signalen weiterge­ geben. Zur Aufwertung dieser Signale bedarf es des Um­ setzens auf den Spannungspegel der zugehörigen Auswerte­ schaltungen.

Aus der US-PS 38 25 768 ist eine Schaltungsanordnung der ein­ gangs genannten Art bekannt. Bei der bekannten Schaltungsan­ ordnung werden von einer Mehrphasenstromquelle abgeleitete verstärkte und gesiebte Lichtsignale einer nachfolgenden kombi­ nierten Phasenfolge- und Stromausfallschaltung zugeführt, die aus der Rechtecksignalkette über eine logische Verknüpfungs­ schaltung ein Signalelement ansteuert, das dann ein pulsie­ rendes Signal erzeugt, wenn entweder die Phasenfolge von einer vorgegebenen Phasenfolge abweicht, oder aber der Strom in ei­ ner Phase ausfällt.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist zum Einsatz in Geräten der Datenverarbeitung nicht geeignet, da zwischen Phasenaus­ fall und Phasenvertausch nicht unterschieden werden kann.

Es ist weiters in der US-PS 40 27 204 eine Schaltungsanord­ nung zur Feststellung des Ausfalles einer Phase in einem Mehrphasensystem beschrieben, bei dem über einen Optokoppler bei Ausfall einer Phase ein Alarm ausgelöst wird.

Aus der DE-AS 21 55 470 ist ein Verfahren zum digitalen Bestim­ men der Lage der Nulldurchgänge eines sinusförmigen Wechsel­ stromsignales bekannt. Die dort beschriebene Schaltungsanord­ nung zeigt in Verbindung mit Schutz-Schaltungsanordnungen wie Überstrom-, Überspannung-, Leistungsrichtung- und Impedanzre­ lais die Verwendung von Nulldurchgangsdetektoren.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines symmetrischen Drei­ phasen-Wechselstromes anzugeben, die in eindeutiger Weise so­ wohl die falsche Drehrichtung der Phasen als auch den Ausfall mindestens einer Phase feststellt.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des ersten Pa­ tentanspruches gelöst.

Durch die Erfassung der Nulldurchgänge mittels von der Netz­ spannung entkoppelten Signalen können durch die erfindungsge­ mäße Schaltungsanordnung je nach Bedarf die Phasen einzelner Verbraucher im Nulldurchgang geschaltet werden, der Phasen­ ausfall und/oder die Drehrichtung detektiert und individuell ausgewertet werden. Damit ist es bei der Verwendung einer derartigen Schaltungsanordnung in Geräten der Datenverarbei­ tung möglich, zwischen Phasenausfall und Phasenvertausch eindeutig zu unterscheiden. Weiters kann die einfach aufge­ baute Schaltung ohne jegliche Änderung der Schaltungsanord­ nung für verschieden ausgelegte Drehstromnetze sowohl in Stern- als auch in Dreieckschaltung eingesetzt werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die Verwendung von Optokopplern in den Nulldurch­ gangsdetektoren ergibt sich eine klare galvanische Tren­ nung der Netzspannung und der Auswertelogik.

Anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dar­ gestellt sind, wird die Erfindung weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Spannungsdiagramm mit den Strangspannungen des Dreiphasenwechselstromnetzes zusammen mit den Null­ durchgangssignalen,

Fig. 2 den Aufbau eines Nulldurchgangsdetektors,

Fig. 3 den Aufbau einer Drehfeldüberwachungsschaltung,

Fig. 4 den Aufbau einer Phasenausfallüberwachungsschaltung,

Fig. 5 eine kombinierte Drehfeld- und Phasenüberwachungs­ schaltung,

Fig. 6 die Drehfeldüberwachungsschaltung mit Phasenausfall­ ausblendung.

Aus Fig. 1 ergibt sich in der ersten Zeile der Verlauf der Strangspannungen U 1, U 2, U 3 aufgetragen über der Zeit wt . Es handelt sich dabei um die Strangspannungen eines symmetrischen Dreiphasenwechselstromes. Unterhalb der drei Strangspannungen sind die Nulldurchgangssignale für jede Strangspannung U 1, U 2, U 3 dargestellt. Es handelt sich hier um die Ausgangssignale des Nulldurchgangsdetektors, der jeweils einem Strang zugeordnet ist. Dabei sind die Null­ durchgangssignale für die Strangspannung U 1 mit ZVD 1-N, die Nulldurchgangssignale für die Strangspannung U 2 mit ZVD 2-N und die Nulldurchgangssignale für die Strangspannung U 3 mit ZVD 3-N bezeichnet.

Fig. 2 ergibt den Aufbau der Nulldurchgangsdetektoren. Dabei ist jeweils jedem Strang ein Nulldurchgangsdetektor zugeordnet. Im Strang S 1 ist eine Gleichrichterbrücke 10 angeordnet, in deren 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 Impulsformer­ stufe 34, z. B. einem Schmitt-Trigger, zugeführt. Am Aus­ gang der Impulsformerstufe 34 erscheint dann das Nulldurch­ gangssignal ZVD 1-N. Der Lichtsender 22 und der Lichtem­ pfänger 24 bilden einen Optokoppler bekannten Aufbaus. Mit Hilfe eines Widerstandes 16 im Strang S 1 wird die Größe des Stromes im Strang eingestellt.

Entsprechend besteht der Nulldurchgangsdetektor im Strang S 2 aus einer Gleichrichterbrückenschaltung 12, einem Licht­ sender 26, einem Lichtempfänger 28 und einer Impulsformerstufe 36, an dessen Ausgang das Nulldurchgangssignal ZVD 2-N ab­ gegeben wird. Auch hier ist im Strang vor der Gleichrichter­ brückenschaltung 12 ein Widerstand 18 eingefügt.

Im Strang S 3 ist ein dritter Nulldurchgangsdetektor angeord­ net, bestehend aus der Gleichrichterbrückenschaltung 14, dem Lichtsender 30, dem Lichtempfänger 32 und der Impulsformer­ stufe 38, an deren Ausgang das Nulldurchgangssignal ZVD 3-N abgegeben wird. Wiederum ist ein Widerstand 20 im Strang S 3 eingefügt.

Das offene Dreiphasensystem kann sowohl in der Anschlußart Stern als auch in der Anschlußart Dreieck zusammengeschaltet werden. Dazu ergibt sich aus Fig. 2 die Art der Zusammen­ schaltung. Die Anschlußbelegungen sind mit L 1, L 2, L 3 be­ zeichnet. Wenn die Anschlüsse L 1, L 2 und L 3 entsprechend der vordersten mit Dreieck bezeichneten Spalte mit den Strängen S 1 bis S 3 verbunden werden, ergibt sich die Zusammen­ schaltung im Dreieck, wenn die Anschlüsse L 1, L 2, L 3 entspre­ chend der zweiten mit Stern bezeichneten Spalte mit den Strän­ gen S 1, S 2 und S 3 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 U 1, U 2, U 3 durch Null gehen. Entsprechend wird der Lichtempfänger, der Fototransistor, wäh­ rend des Nulldurchganges der zugehörigen Strangspannung ge­ sperrt. 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 ZVD 1-N, ZVD 2-N und ZVD 3-N kann sowohl für die Überwachungsschaltungsanordnungen als auch für nachge­ schaltete Triacansteuerungen verwendet werden.

Die drei Nulldurchgangssignale werden in einer Drehfeldüber­ wachungsschaltung gemäß Fig. 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 er­ sten Phase U 1 zugeordnete Nulldurchgangssignal ZVD 1-N zuge­ führt. Auf den Rücksetzeingang R des ersten bistabilen Kipp­ gliedes 40 wird dann das Nulldurchgangssignal der dritten Phase ZVD 3-N zugeleitet. Das Ausgangssignal des ersten bista­ bilen Kippgliedes 40 wird mit Hilfe des ersten UND-Gliedes 42 mit dem Nulldurchgangssignal ZVD 2-N der zweiten Phase ver­ knüpft. Das UND-Glied 42 ist schließlich mit dem Setzeingang S des zweiten bistabilen Kippgliedes 44 verbunden, an dessen Ausgang ein Fehlersignal DF abgegeben wird. Das zweite bi­ stabile Kippglied 44 wird durch ein Signal RS am Rücksetzeingang R zurückgestellt.

Wenn also ein Nulldurchgangssignal ZVD 1-N auftritt, wird das erste bistabile Kippglied 40 gesetzt. Bei Auftreten des näch­ sten der dritten Phase zugeordneten Nulldurchgangssignales ZVD 3-N wird das Flip-Flop 40 zurückgesetzt. Wenn nun in dem Zeitraum, in dem das erste bistabile Kippglied 40 gesetzt ist, ein Nulldurchgangssignal ZVD 2-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 Nulldurch­ gangssignal der zweiten Phase auftreten.

Die Phasenausfallüberwachungsschaltung ist in Fig. 4 ge­ zeigt. 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 ZVD 1-N und ZVD 2-N angeschlossen, an das UND-Glied 48 die Nulldurchgangs­ signale ZVD 1-N und ZVD 3-N und an das UND-Glied 50 die Null­ durchgangssignale ZVD 2-N und ZVD 3-N. Die UND-Glieder 46, 48, 50 sind an ihren Ausgängen miteinander verbunden und über ei­ nen Widerstand 52 an eine Betriebsspannungsquelle von 5 V an­ geschlossen. 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 keine der UND-Be­ dingungen der UND-Glieder 46, 48, 50 erfüllt und dementspre­ chend 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 zugeord­ nete Lichtsender kein Licht ab und es kann kein Strom durch den entsprechenden Fototransistor fließen. Die Folge ist, daß am Ausgang des Nulldurchgangsindikators ein Dauersig­ nal abgegeben wird. Dieses Dauersignal wird mindestens zwei der UND-Glieder 46, 48 und 50 zugeführt und führt zur Er­ füllung der UND-Bedingung, wenn das andere einer anderen Phase zugeordneten Nulldurchgangssignal anliegt. Am Ausgang der UND-Glieder 46, 48, 50 tritt ein Signal auf, durch das das bistabile Kippglied 56 gesetzt wird.

Fehlt eine Phase bei Dreieckschaltung, werden mindestens zwei der UND-Bedin­ gungen der UND-Glieder 46, 48, 50 gleichzeitig erfüllt. Auch dann wird das bistabile Kippglied 56 gesetzt.

Wird eine Unterscheidung zwischen Drehfeldrichtungsfehler und Phasenausfall nicht benötigt, dann kann die Drehfeld­ überwachungsschaltung (Fig. 3) so erweitert werden, daß auch ein Fehlen einer Phase festgestellt wird. Die entsprechende Schaltungsanordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Zusätzlich zu der Drehfeldüberwachungsschaltung gemäß der Fig. 3 wird hier ein weiteres UND-Glied 58 eingefügt. Diesem UND-Glied 58 wird das Nulldurchgangssignal ZVD 2-N und ZVD 3 -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 Ausgang ein Fehler­ signal FS ab. Der übrige Aufbau der Schaltung entspricht dem der Fig. 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 Phasenausfall­ überwachungsschaltung gemäß Fig. 4 zugeführt. Zudem ist am Eingang des UND-Gliedes 42, an dem das Nulldurchgangssignal ZVD 2-N anliegt, ein Verzögerungsglied 60 zwischengeschaltet. Tritt ein Fehlersignal PA auf, so wird dieses invertiert an den Eingang des UND-Gliedes 62 gelegt und damit das UND- Glied 62 gesperrt. Da weiterhin das Nulldurchgangssignal ZVD 2-N verzögert an das UND-Glied 42 angelegt wird, tritt das Fehlersignal PA immer vor dem Ausgangssignal des UND- Gliedes 42 auf.

Während des Anlegens der Netzspannung und Einschaltens ist für die Dauer der ersten Halbwelle eine einwandfreie Funktion der Schaltungsanordnung nicht gewährleistet. Für diesen Zeit­ raum können die bistabilen Kippschaltungen 44, 56 mit Hilfe der Rücksetzsignale RS im Rücksetzzustand gehalten werden.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung eines symmetrischen Dreiphasenwechselstromes auf Phasenfolge und Phasenausfall, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Strang (S 1, S 2, S 3) des Dreiphasensystems jeweils ein Null­ durchgangsdetektor (Fig. 2) angeordnet ist, der beim Null­ durchgang der Phase ein digitales Nulldurchgangssignal (ZVD 1-3) abgibt, daß die Ausgänge der Nulldurchgangsdetek­ toren mit einer selbständig ausgebildeten Drehfeldüberwa­ chungsschaltung verbunden sind, die zur Drehrichtungsprüfung der Phasen feststellt, ob zwischen den Nulldurchgangssignalen (ZVD 1, ZVD 2) der in der Phasenfolge unmittelbar aufeinander­ folgenden Phasen (U 1, U 2) ein Nulldurchgangssignal (ZVD 3) der weiteren Phase (U 3) liegt und daß die Nulldurchgangsdetekto­ ren mit einer selbständig ausgebildeten Phasenausfallüberwa­ chungsschaltung verbunden sind, die aus einem Vergleich der Folge der digitalen Nulldurchgangssignale das Fehlen einer Phase feststellt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch den Nulldurchgangsdetektor aus einem Opto­ koppler, dessen Lichtsender (22, 26, 30) im Brückenzweig einer im Strang (S 1, S 2, S 3) angeordneten Gleichrichterbrüc­ kenschaltung (10, 12, 14) liegt und dessen Lichtempfänger (24, 28, 32) mit einer Impulsformerstufe (34, 36, 38) verbunden ist, die das digitale Nulldurchgangssignal (ZVD 1-3) abgibt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch die Drehfeldüberwachungsschaltung aus einem ersten bistabilen Kippglied (40), dessen Setz­ eingang (S) mit dem Ausgang eines einer Phase zugeordneten Nulldurchgangsdetektors verbunden ist und dessen Rücksetz­ eingang (R) mit dem Ausgang des der nächsten Phase zuge­ ordneten Nulldurchgangsdetektors verbunden ist, aus einem ersten UND-Glied (42), das mit dem Ausgang des ersten bi­ stabilen 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 vorher­ gehenden Ansprüche, gekennzeichnet 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, das zweite mit den Ausgängen des zweiten und dritten Nulldurchgangsdetektors und das dritte mit den Ausgängen des dritten und ersten Nulldurchgangs­ detektors 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, dadurch gekennzeichnet, 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 Nulldurchgangs­ detektors verbunden sind und dessen Ausgang an einen Setz­ eingang des zweiten bistabilen Kippgliedes (44) ange­ schlossen ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des der weiteren Phasen 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 zweiten bistabilen Kippgliedes (44) ein sechstes UND-Glied (62) angeordnet ist, dessen zweiter Eingang über einen Inverter mit dem Ausgang der Phasenaus­ fallüberwachungsschaltung verbunden ist.