DE102013106702B4

DE102013106702B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Lichtbogens

Info

Publication number: DE102013106702B4
Application number: DE102013106702.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Putz
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2033-06-27
Also published as: CN105308840B; CN105308840A; WO2014206651A1; US20160116524A1; US10502778B2; DE102013106702A1

Abstract

Verfahren zum Feststellen von Wechselströmen höherer Frequenz in einem Gleichstromkreis (1) mit einer zwei Teilwicklungen (8, 9) aufweisenden stromkompensierten Drossel (10), wobei – Spannungen, die über den beiden Teilwicklungen (8, 9) abfallen, abgegriffen werden; – die abgegriffenen Spannungen derart überlagert werden, dass sich Anteile der Spannungen aufgrund von Gegentaktsignalen, die aufgrund eines Wechselstroms über den beiden Teilwicklungen (8, 9) abfallen, konstruktiv zu einer überlagerten Wechselspannung (16) aufaddieren, wobei sich Anteile der Spannungen, die aufgrund von Gleichtaktsignalen auftreten, destruktiv überlagern, und – die überlagerte Wechselspannung (16) erfasst wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feststellen von Wechselströmen höherer Frequenz, insbesondere zum Erkennen von Lichtbögen, in einem Gleichstromkreis mit einer zwei Teilwicklungen aufweisenden stromkompensierten Drossel.
STAND DER TECHNIK
Es ist bekannt, dass das Auftreten von Lichtbögen in einem Gleichstromkreis erkannt werden kann, indem Wechselstromanteile höherer Frequenz in dem Gleichstromkreis detektiert werden, deren Auftreten für einen Lichtbogen charakteristisch sind.
Zur Detektion von Wechselströmen in Gleichstromkreisen sind verschiedene Sensoren bekannt. Hierzu zählen sogenannte Durchsteckwandler, beispielsweise in Form einer Rogowski-Spule, gewickelte Wandler, beispielsweise in Form eines Übertragers, und Shuntwiderstände, an denen die aufgrund des Wechselstroms abfallende Wechselspannung gemessen wird. Beim Einsatz derartiger Sensoren ist es in der Regel notwendig, konstruktiv in den Gleichstrompfad des Gleichstromkreises einzugreifen, beispielsweise um einen den Gleichstrom führenden Leiter durch einen Durchsteckwandler hindurchzuführen oder um eine Primärwicklung eines Übertragers oder einen Shunt-Widerstand in den Gleichstromkreis einzufügen. Mit dem Einfügen einer Primärwicklung eines Übertragers oder eines Shunt-Widerstands wird zudem die in dem Gleichstromkreis anfallende Verlustleistung erhöht.
Gleichstromkreise, die empfindlich gegenüber äußerer Einstrahlung elektromagnetischer Felder sind oder die an Wechselstromanteile erzeugende Einrichtungen angeschlossen sind und daher selbst elektromagnetische Felder abstrahlen können, sind zur Herstellung elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) mit der Umwelt mit Filtern ausgestattet, die unerwünschte Wechselstromanteile von in ihnen fließenden Gleichströmen unterdrücken. Ein Beispiel für ein solches EMV-Filter, das Störaussendungen eines Gleichstromkreises dämpft, die insbesondere durch Gleichtaktsignale, d. h. durch Ströme mit gleichsinnigem Fluss in den angeschlossenen Gleichstromleitungen, erzeugt werden können, ist eine sogenannte stromkompensierte Drossel. Eine stromkompensierte Drossel weist für Gleichtaktsignale eine hohe Impedanz auf, während sich die durch den Gleichstrom und etwaige in dem Gleichstromkreis fließende Wechselströme in der stromkompensierten Drossel induzierten Magnetfelder weitgehend aufheben. Damit besitzt die stromkompensierte Drossel eine geringe Induktivität für Variationen des Gleichstroms, also auch für etwaige in dem Gleichstromkreis fließende Wechselströme und andere sogenannte Gegentaktsignale, und es kann auch bei hohen Gleichströmen keine Sättigung der Drossel auftreten, so dass die stromkompensierte Drossel vergleichsweise klein ausgelegt werden kann.
Aus der DE 10 2006 043 960 A1 ist ein System zur berührungslosen Energieübertragung bekannt, bei dem ein mittelfrequenter Strom in ein Primärleitersystem eingespeist wird, aus welchem Verbraucher mittels jeweils zugeordneter, an das Primärleitersystem induktiv gekoppelter Sekundärspulen versorgbar sind. Im Primärleitersystem ist eine stromkompensierte Drossel zur Begrenzung auftretender Fehlerströme vorgesehen. An der stromkompensierten Drossel ist eine Hilfswicklung vorgesehen, um im Primärleitersystem auftretenden Fehlerstrom durch an der Hilfswicklung induzierter Spannung zu detektieren. Die Hilfswicklung ist als Summenstromwandler vorgesehen und gemeinsam mit den Wicklungen der stromkompensierten Drossel auf einem Ringkern angeordnet.
Die US 2009/0 224 735 A1 offenbart eine Filterschaltung mit Mitteln zum Überwachen von Strömen, die durch positive und negative Windungen einer stromkompensierten Drossel fließen, und Mittel zum Durchführen einer Einstellung basierend auf den Ergebnissen der Überwachung aufweist, um die Ströme, die durch die positiven und negativen Windungen fließen, aneinander anzugleichen. Bei den Mitteln zum Überwachen der Ströme handelt es sich um solche, die einen Spannungsabfall erfassen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, die es ermöglichen, Wechselströme höherer Frequenz in einem Gleichstromkreis festzustellen, die in dem Gleichstromkreis als Gegentaktsignale fließen, ohne dafür einen Wechselstromsensor in dem Gleichstrompfad einzusetzen, insbesondere keinen Wechselstromsensor, der eine Unterbrechung der Leitungen des Gleichstromkreises zu seiner Montage erfordert und/oder der die Verlustleistung in dem Gleichstromkreis erhöht.
LÖSUNG
Die Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Feststellen von Wechselströmen höherer Frequenz in einem Gleichstromkreis mit einer zwei Teilwicklungen aufweisenden stromkompensierten Drossel werden Spannungen, die über den beiden Teilwicklungen der stromkompensierten Drossel abfallen, abgegriffen. Die abgegriffenen Spannungen werden dann derart überlagert, dass sich Anteile der Spannungen, die aufgrund des Wechselstroms über den beiden Teilwicklungen abfallen, zu einer überlagerten Wechselspannung aufaddieren. Diese überlagerte Wechselspannung wird dann als Maß für den interessierenden Wechselstrom höherer Frequenz erfasst.
Die Induktivität für Gegentaktsignale einer stromkompensierten Drossel ist aus konstruktiven Gründen nicht null sondern besitzt einen gewissen endlichen Wert, der als Streuinduktivität bezeichnet wird und im Wesentlichen durch den Kopplungsfaktor zwischen den Wicklungen der stromkompensierten Drossel bestimmt wird. Durch konstruktive Maßnahmen kann der Kopplungsfaktor und damit die Streuinduktivität einer stromkompensierten Drossel variiert und auch gezielt eingestellt werden. Beispielsweise können die jeweiligen Wicklungen der stromkompensierten Drossel gezielt hinsichtlich ihrer Kernüberdeckung und/oder des Querschnitts des von ihnen belegten Wickelraumes derart ausgelegt werden, dass der Anteil des Streuflusses am Gesamtfluss beeinflusst wird. Dazu kann auch der Kern der stromkompensierten Drossel hinsichtlich seiner Kernform, eines Luftspalts, einer punktuellen Deformation oder bestimmter, möglicherweise mehrerer verschiedener Kernmaterialien mit Zonen unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit ausgeführt sein.
Aufgrund der Streuinduktivität stellen die Teilwicklungen der stromkompensierten Drossel eine frequenzabhängige Impedanz dar, deren Wert mit zunehmender Frequenz ansteigt. Bei Wechselströmen fällt somit über den Teilwicklungen eine Wechselspannung ab, die abgegriffen werden kann. Die über jeweils einer der Teilwicklungen abfallenden Wechselspannungen enthalten sowohl Anteile aufgrund von Gleichtaktsignalen, für die die stromkompensierte Drossel auch bei niedrigerer Frequenz eine hohe Impedanz bereitstellen soll, als auch Anteile aufgrund der interessierenden Wechselströme höherer Frequenz, wobei diese beiden Anteile nicht unterscheidbar sind. Aufgrund der in der Regel sehr kleinen Streuinduktivität weisen die von Gegentaktströmen hervorgerufenen Spannungen kleine Amplituden auf.
Die über den beiden Teilwicklungen der stromkompensierten Drossel abfallenden Wechselspannungen aufgrund von Gleichtakt- und Gegentaktsignalen haben jedoch unterschiedliche relative Phasenlagen, d. h. sie sind gleichphasig bzw. gegenphasig zueinander. Da nun die an den beiden Teilwicklungen abfallenden Spannungen derart überlagert werden, dass sich die Anteile der Spannungen aufgrund von Gegentaktsignalen, d. h. insbesondere die Anteile der Spannungen, die aufgrund des interessierenden Wechselstroms höherer Frequenz über den beiden Teilwicklungen abfallen, zu einer konstruktiv überlagerten Wechselspannung aufaddieren, werden die Anteile aufgrund von Gleichtaktsignalen zugleich destruktiv überlagert. Die überlagerte Wechselspannung beruht damit im Wesentlichen auf dem interessierenden höherfrequenten Wechselstrom und kann als Maß für diesen Wechselstrom erfasst werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die über den Teilwicklungen abfallenden Spannungen jeweils mittels eines Differenzverstärkers verstärkt, wobei diese beiden Differenzverstärker gleiche Verstärkungsfaktoren aufweisen. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker werden dann addiert, und zwar phasenrichtig bezüglich der Anteile der Spannungen aufgrund von Gegentaktsignalen. Anschließend kann eine analoge und/oder digitale Auswertung der derart überlagerten Wechselspannung hinsichtlich von Lichtbögen ausgehender Wechselströme durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die über den Teilwicklungen abfallenden Spannungen überlagert, indem die über den Teilwicklungen abfallenden Spannungen mit für die Bandbreite der interessierenden Wechselströme genügend hoher Zeitauflösung jeweils mittels eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert werden und indem die digitalisierten Spannungen in einem Signalprozessor mit richtigen Vorzeichen addiert werden, um eine digitale Repräsentation der überlagerten Wechselspannung zu erzeugen. Diese kann dann z. B. bezüglich ihres Effektivwerts oder ihrer spektralen Anteile als Maß für den interessierenden Wechselstrom höherer Frequenz ausgewertet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die über den Teilwicklungen abfallenden Spannungen überlagert, indem die über eine der beiden Teilwicklungen abfallende Spannung zwischen den Eingängen eines Differenzverstärkers angelegt wird, der einen Verstärkungsfaktor von 1 aufweist. Ein Ende der anderen der beiden Teilwicklungen wird dabei mit dem Bezugspotential des Ausgangs des Differenzverstärkers verbunden. Dann liegt zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers und dem anderen Ende der anderen der beiden Teilwicklungen die überlagerte Wechselspannung an, die gemessen und hinsichtlich von Lichtbögen ausgehender Wechselströme ausgewertet werden kann.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die über den Teilwicklungen abfallenden Spannungen überlagert, indem zu jeder Teilwicklung ein Abgreifzweig mit einer Wicklung eines Übertragers parallel geschaltet wird. In jedem Abgreifzweig ist dabei mit der Wicklung des Übertragers ein Bauteil in Reihe geschaltet, das einen elektrischen Kurzschluss der zugehörigen Teilwicklung der stromkompensierten Drossel verhindert und/oder Gleichströme von dem Übertrager fernhalten kann. Dies kann ein Kondensator und/oder ein ausreichend großer Widerstand, beispielsweise eine Spannungsmesseinrichtung wie ein Voltmeter mit ausreichend hohem Innenwiderstand sein. Ein Kondensator bildet mit der jeweiligen Wicklung des Übertragers einen Serienschwingkreis aus, dessen Frequenz so abzustimmen ist, dass es zu keiner Störung der Funktion der stromkompensierten Drossel als EMV-Filter und zu keiner Behinderung der erfindungsgemäßen Feststellung von interessierenden Wechselströmen höherer Frequenz kommt.
In einer konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die über den Teilwicklungen abfallenden Spannungen überlagert, indem die Wicklungen in den beiden Abgreifzweigen eine primärseitige Wicklung und eine sekundärseitige Wicklung eines gemeinsamen Übertragers sind, wobei mit der primärseitigen Wicklung ein Kondensator und mit der sekundärseitigen Wicklung eine Spannungsmesseinrichtung in Reihe geschaltet wird. Mit der Spannungsmesseinrichtung kann optional ein weiterer Kondensator in Reihe geschaltet werden. Die Spannungsmesseinrichtung erfasst bei dieser Anordnung nicht nur die Spannung über der Teilwicklung der stromkompensierten Drossel, in deren Abgreifzweig es angeordnet ist, sondern auch die mit dem Übertrager hierauf addierte Spannung, die über der anderen Teilwicklung der stromkompensierten Drossel abfällt. Es versteht sich, dass die Spannungsmesseinrichtung für Wechselspannungen mit der interessierenden höheren Frequenz geeignet ist.
Die über den Teilwicklungen abfallenden Spannungen können auch überlagert werden, indem die Wicklungen in den beiden Abgreifzweigen primärseitige Wicklungen eines gemeinsamen Übertragers sind, der eine einzige sekundärseitige Wicklung aufweist. Über dieser sekundärseitigen Wicklung fällt dann die überlagerte Wechselspannung ab und kann dort erfasst werden.
Alternativ kann die über den Teilwicklungen abfallende Spannung auch überlagert werden, indem die Wicklungen in den beiden Abgreifzweigen primärseitige Wicklungen jeweils eines eigenen Übertragers mit einer eigenen sekundärseitigen Wicklung sind. Diese sekundärseitigen Wicklungen der beiden Übertrager werden dann in Reihe geschaltet, um die über den beiden Teilwicklungen abfallenden Spannungen zu der überlagerten Wechselspannung aufzuaddieren.
Die beiden zuletzt geschilderten Alternativen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen eine Messung der überlagerten Wechselspannung über der oder den sekundärseitigen Wicklungen des bzw. der Übertrager bei vollständiger Potentialtrennung von den Teilwicklungen der stromkompensierten Drossel.
Die erfasste überlagerte Wechselspannung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Grenzwert verglichen werden, dessen Überschreiten auf einen Lichtbogen hinweist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann also insbesondere zum Erkennen eines Lichtbogens in dem Gleichstromkreis angewendet werden. Dazu wird es fortlaufend durchgeführt, und beim Erkennen eines Lichtbogens werden die in dem jeweiligen Gleichstromkreis beim Auftreten eines Lichtbogens notwendigen Maßnahmen ergriffen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen von Wechselströmen höherer Frequenz in einem Gleichstromkreis mit einer zwei Teilwicklungen aufweisenden stromkompensierten Drossel weist Abgreifeinrichtungen, die über den beiden Teilwicklungen abfallende Spannungen abgreifen, Überlagerungseinrichtungen, die die abgegriffenen Spannungen derart überlagern, dass sich Anteile der Spannungen, die aufgrund eines Wechselstroms über den beiden Teilwicklungen abfallen, zu einer überlagerten Wechselspannung aufaddieren, und Messeinrichtungen, die die überlagerte Wechselspannung erfassen, auf.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Abgreifeinrichtungen für die über den Teilwicklungen abfallenden Spannungen jeweils einen Differenzverstärker auf, wobei die Überlagerungseinrichtungen einen Addierer für die Ausgangssignale der Differenzverstärker aufweisen.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Abgreifeinrichtungen für die über den Teilwicklungen abfallenden Spannungen jeweils einen Analog-Digital-Wandler auf, wobei die Überlagerungseinrichtungen auch hier einen Addierer für die Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandlers aufweisen.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung legen die Abgreifeinrichtungen die über eine der Teilwicklungen abfallende Spannung zwischen den Eingängen eines Differenzverstärkers der Überlagerungseinrichtungen an, und sie verbinden ein Ende der anderen der Teilwicklungen mit dem Ausgang des Differenzverstärkers. Dabei messen die Messeinrichtungen die überlagerte Wechselspannung zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers und dem anderen Ende der anderen der Teilwicklungen.
Die Abgreifeinrichtungen können zu jeder Teilwicklung einen Abgreifzweig aufweisen, der mit der Teilwicklung parallel geschaltet ist. Die Überlagerungseinrichtungen können dabei in jedem Abgreifzweig eine Wicklung eines Übertragers aufweisen. Zusätzlich zu der Wicklung des Übertragers ist in jedem Abgreifzweig ein Element vorzusehen, das einen Kurzschluss der zugehörigen Teilwicklung der stromkompensierten Drossel verhindert. Dies kann ein Kondensator und/oder eine ausreichend hochohmige Spannungsmesseinrichtung wie ein Voltmeter sein.
In einer konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Wicklungen in den beiden Abgreifzweigen eine primärseitige Wicklung und eine sekundärseitige Wicklung eines gemeinsamen Übertragers, wobei mit der primärseitigen Wicklung ein Kondensator und mit der sekundärseitigen Wicklung eine Spannungsmesseinrichtung und optional ein weiterer Kondensator in Reihe geschaltet ist.
Die Wicklungen in den beiden Abgreifzweigen können auch primärseitige Wicklungen eines gemeinsamen Übertragers sein, der eine einzige sekundärseitige Wicklung aufweist, wobei die Messeinrichtungen die über der sekundärseitigen Wicklung abfallende überlagerte Wechselspannung erfassen. Alternativ dazu sind die Wicklungen in den beiden Abgreifzweigen primärseitige Wicklungen jeweils eines eigenen Übertragers mit einer eigenen sekundärseitigen Wicklung, wobei die sekundärseitigen Wicklungen der beiden Übertrager in Reihe geschaltet sind und wobei die Messeinrichtungen, die über der Reihenschaltung der sekundärseitigen Wicklungen abfallende überlagerte Wechselspannung erfassen.
Insbesondere sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Vergleichseinrichtungen vorgesehen, die die überlagerte Wechselspannung mit mindestens einem Grenzwert vergleichen und beim Überschreiten des Grenzwerts ein Signal ausgeben, das auf einen Lichtbogen hinweist.
Die bei der vorliegenden Erfindung erfasste überlagerte Wechselspannung ist kein einfaches direktes Maß für Wechselströme beliebiger Frequenz in dem Gleichstromkreis. Da die Streuinduktivität der stromkompensierten Drossel nur für Wechselströme höherer Frequenz eine relevante Impedanz ausbildet, zeigt die überlagerte Wechselspannung selektiv Gegentaktsignale höherer Frequenz an. Dies sind jedoch genau die Wechselströme, die Hinweise auf einen Lichtbogen in dem Gleichstromkreis sind. In der Regel ist daher keine aufwändige Signalaufbereitung der erfassten überlagerten Wechselspannung erforderlich, um diese auf das Auftreten eines Lichtbogens hin zu analysieren. Vielmehr reicht dazu ein einfacher Vergleich mit einem Grenzwert beispielsweise für den Effektivwert der überlagerten Wechselspannung aus. Dieser Grenzwert ist von der tatsächlichen Streuinduktivität der jeweiligen stromkompensierten Drossel abhängig und muss entsprechend festgelegt werden. Wenn die Streuinduktivität der stromkompensierten Drossel nicht feststeht, kann er beispielsweise empirisch auf Basis eines Testsignals vorgegebener Frequenz für die jeweilige stromkompensierte Drossel definiert werden. Darüber hinaus können mittels des Testsignals unerwünschte Gleichtaktsignale, die aufgrund einer durch etwaige Asymmetrien der stromkompensierten Drossel nicht perfekten destruktiven Überlagerung der von den Gleichtaktsignalen hervorgerufenen Wechselspannungsanteile in der überlagerten Wechselspannung verbleiben, im Rahmen einer Kalibrierung minimiert werden, indem die über den Teilwicklungen abfallenden Spannungen vor ihrer Überlagerung mit unterschiedlichen Faktoren skaliert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere der dargestellten relativen Anordnung und Wirkverbindung mehrerer Bauteile – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen. Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs ”mindestens” bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht. Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt einen Gleichstromkreis mit einer stromkompensierten Drossel und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt einen Gleichstromkreis zwischen einem Photovoltaikgenerator und einem Wechselrichter mit einer stromkompensierten Drossel und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.
3 zeigt einen Gleichstromkreis zwischen einem Photovoltaikgenerator und einem Wechselrichter mit einer stromkompensierten Drossel und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer gegenüber 2 abgewandelten Ausführungsform.
4 zeigt einen Gleichstromkreis zwischen einem Photovoltaikgenerator und einem Wechselrichter mit einer stromkompensierten Drossel und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform; und
5 zeigt einen Gleichstromkreis zwischen einem Photovoltaikgenerator und einem Wechselrichter mit einer stromkompensierten Drossel und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in noch einer weiteren Ausführungsform.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt schematisch einen Gleichstromkreis 1 mit zwei Leitungen 2 und 3, die jeweils von einem Anschluss 4 bzw. 5 zu einem Anschluss 6 bzw. 7 führen. In jeder der Leitungen 2 und 3 ist eine von zwei Teilwicklungen 8 und 9 einer stromkompensierten Drossel 10 angeordnet. Die stromkompensierte Drossel 10 weist eine hohe Impedanz für Gleichtaktsignale von den Anschlüssen 4 und 5 zu den Anschlüssen 6 und 7 auf, während sie für Gegentaktsignale und insbesondere für einen Gleichstrom in dem Gleichstromkreis 1 eine verschwindende Impedanz aufweist. Aufgrund ihrer unvermeidbaren Streuinduktivität weist die stromkompensierte Drossel 10 jedoch für Gegentaktsignale höherer Frequenz eine nicht verschwindende Impedanz auf, die erfindungsgemäß gezielt ausgenutzt wird. Wenn beispielsweise ein Lichtbogen 11 zwischen den Anschlüssen 6 und 7 auftritt, der von einer Spannungsquelle 12 zwischen den Anschlüssen 4 und 5 gespeist wird, fließt nicht ein konstanter Gleichstrom in dem Stromkreis 1 sondern der fließende Strom weist einen ausgeprägten Wechselstromanteil in Form eines Wechselstroms höherer Frequenz auf. Dieser Wechselstrom führt zu Spannungen, die über den Teilwicklungen 8 und 9 der stromkompensierten Drossel 10 abfallen. Diese Spannungen sind grundsätzlich nicht von Spannungen unterscheidbar, die an den Teilwicklungen 8 und 9 aufgrund von Gleichtaktsignalen oder aufgrund anderer Ursachen anfallen, die mit dem Lichtbogen 11 nichts zu tun haben. Wenn jedoch die an den Teilwicklungen 8 und 9 abfallenden Spannungen so überlagert werden, dass sich ihre Anteile, die aufgrund eines Wechselstroms in dem Gleichstromkreis 1 auftreten, konstruktiv aufaddieren, so überlagern sich zugleich alle Anteile, die aufgrund von Gleichtaktsignalen auftreten, destruktiv. Zudem kann gezielt der Wechselspannungsanteil der über den Teilwicklungen 8 und 9 anfallenden Spannungen berücksichtigt werden, so dass eine überlagerte Wechselspannung ein Maß für den Wechselstrom höherer Frequenz in dem Gleichstromkreis 1 ist, der auf den Lichtbogen 11 hinweist.
Gemäß 1 sind zwei A/D-Wandler 13 und 14 für die über den Teilwicklungen 8 und 9 abfallenden Spannungen vorgesehen. Ein Addierer 15 addiert die digitalisierten Spannungen in der zuvor beschriebenen Weise zu der überlagerten Wechselspannung 16 auf, die dann von Vergleichseinrichtungen 17 mit einem Grenzwert verglichen wird, dessen Überschreiben auf das Vorhandensein des Lichtbogens 11 hinweist.
In einer Abwandlung der Ausführungsform gemäß 1 sind statt der beiden A/D-Wandler 13 und 14 zwei Differenzverstärker 13 und 14 mit gleichen Verstärkungsfaktoren für die über den Teilwicklungen 8 und 9 abfallenden Spannungen vorgesehen. Der Addierer 15 addiert hier die verstärkten Spannungen in der zuvor beschriebenen Weise zu der überlagerten Wechselspannung 16 auf, die dann von den Vergleichseinrichtungen 17, die sowohl analoge als auch digitale Auswerteeinheiten wie eine Demodulationseinrichtung bzw. einen A/D-Wandler oder Signalprozessoren umfassen können, mit einem Grenzwert verglichen wird, dessen Überschreiben auf das Vorhandensein des Lichtbogens 11 hinweist.
2 zeigt den Gleichstromkreis 1 hier zwischen einem Photovoltaikgenerator 18 mit mehreren in Reihe geschalteten Photovoltaikmodulen 19 und einem Wechselrichter 20, mit dem beispielsweise elektrische Leistungen von dem Photovoltaikgenerator 18 in ein Wechselstromnetz eingespeist wird. Der Wechselrichter 20 weist einen eingangsseitigen Gleichspannungszwischenkreis 21 mit einem Zwischenkreiskondensator 22 auf. Die stromkompensierte Drossel 10 mit ihrer Teilwicklung 8 in der Leitung 2 und ihrer Teilwicklung 9 in der Leitung 3 ist als EMV-Filter zwischen dem Photovoltaikgenerator 18 und den Wechselrichter 20 vorgesehen. Der Teilwicklung 9 ist dabei ein Abgreifzweig 23 parallel geschaltet, in dem eine primärseitige Wicklung 24 eines Übertragers 25 und ein Kondensator 26 in Reihe geschaltet sind. Der Kondensator 26 verhindert einen Kurzschluss der Teilwicklung 9 durch den Abgreifzweig 23. Der Übertrager 25 überträgt eine über der Teilwicklung 9 abfallende Wechselspannung auf seine sekundärseitige Wicklung 27. Die Wicklung 27 des Übertragers 25 ist in einem Abgreifzweig 28, der parallel zu der Teilwicklung 8 geschaltet ist, mit einem hochohmigen Voltmeter 29 in Reihe geschaltet. Das Voltmeter 29 erfasst die Wechselspannung, die über der Teilwicklung 8 abfällt und der die mit dem Übertrager 25 über der Teilwicklung 9 abfallende Wechselspannung so aufaddiert ist, dass sich Anteile von Wechselströmen in den Gleichstromkreis 1 konstruktiv überlagern.
3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem grundsätzlich 2 entsprechenden Gleichstromkreis 1 zwischen einem Photovoltaikgenerator 18 und einem Wechselrichter 20. In 3 ist der Übertrager 25 gemäß 2 durch einen Differenzverstärker 36 ersetzt. Wenn dieser einen hochohmigen Eingang aufweist, kann er direkt, d. h. ohne einen Kondensator 26, allein in dem Abgreifzweig 23 für die Teilwicklung 9 angeordnet sein. In dem Abgreifzweig 28 für die Teilwicklung 8 ist hingegen der Ausgang des Differenzverstärkers 36 mit dem Voltmeter 29 in Reihe geschaltet. Dabei ist ein Ende der Teilwicklung 8 mit dem Bezugspotential 37 des Ausgangs 38 und das andere Ende der Teilwicklung 8 über das Voltmeter 29 mit dem eigentlichen Ausgang 38 verbunden. Ebenso wie der Übertrager 25 gemäß 2 nur dann dazu führt, dass die interessierende überlagerte Wechselspannung von dem Voltmeter 29 angezeigt wird, wenn die primärseitige Wicklung 24 und die sekundärseitige Wicklung 27 gleiche Windungszahlen aufweisen, so dass das Übersetzungsverhältnis des Übertragers 1:1 ist, hat der Differenzverstärker 37 gemäß 3 grundsätzlich einen Verstärkungsfaktor von 1. Ein hiervon abweichender Verstärkungsfaktor kann aber gezielt gewählt werden, um praktisch auftretende Differenzen zwischen den Teilwicklungen 8 und 9 zu kompensieren, so dass von dem Voltmeter 29 tatsächlich nur die Wechselströme höherer Frequenz in dem Gleichstromkreis 1 erfasst werden.
4 zeigt ebenfalls einen Gleichstromkreis 1 zwischen einem Photovoltaikgenerator 18 und einem Wechselrichter 20 mit den Teilwicklungen 8 und 9 der stromkompensierten Drossel 10 in den Leitungen 2 und 3. Hier ist in dem Abgreifzweig 23 parallel zu der Teilwicklung 9 die primärseitige Wicklung 24' eines ersten Übertragers 25' mit dem Kondensator 26 und einem Dämpfungswiderstand 30 in Reihe geschaltet. Der Abgreifzweig 28 parallel zu der Teilwicklung 8 weist neben einer primärseitigen Wicklung 24'' eines weiteren Übertragers 25'' ebenfalls einen damit in Reihe geschalteten Kondensator 31 und einen Dämpfungswiderstand 32 auf. Die sekundärseitigen Wicklungen 27' und 27'' der Übertrager 25' und 25'' sind in Reihe geschaltet. Die über dieser Reihenschaltung abfallende überlagerte Wechselspannung wird mit dem Voltmeter 29 erfasst, dem ein Widerstand 33 parallel geschaltet ist. Die Erfassung der überlagerten Wechselspannung erfolgt hier unter vollständiger galvanischer Trennung von den Leitungen 2 und 3.
In 4 ist ein Lichtbogen 11 in der Leitung 3 angedeutet, der zu einem höherfrequenten Wechselstrom durch die stromkompensierte Drossel 10 führt, der von dem Voltmeter 29 angezeigt wird. Dabei ist mit offenen Pfeilspitzen 34 angedeutet, dass dieser höherfrequente Wechselstrom auch durch die Abgreifzweige 23 und 28 fließen kann – je nach Eigenfrequenz der darin mit den Wicklungen 24' bzw. 24'', den Kondensatoren 26 bzw. 31 und den Widerständen 30 und 32 ausgebildeten Serienresonanzkreisen – und auch dann zu einem Ausschlag des Voltmeters 29 führt. Volle Pfeilspitzen 35 zeigen den Stromfluss des normalen Gleichstroms durch den Gleichstromkreis 1 an.
5 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich nur in den folgenden Details von der Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet. Auch die dargestellte Fehlersituation aufgrund eines Lichtbogens 11 in der Leitung 3 zwischen dem Photovoltaikgenerator 18 und der stromkompensierten Drossel 10 entspricht 4.
In 5 ist ein gemeinsamer Übertrager 25 mit zwei primärseitigen Wicklungen 24' und 24'' in den Abgreifzweigen 23 und 28 vorgesehen. Der Übertrager 25 weist eine einzige sekundärseitige Wicklung 27 auf, über der hier mit Hilfe des Übertragers 25 überlagerte Wechselspannung abfällt. Anders gesagt sind die beiden Übertrager 25' und 25'' gemäß 4 zu dem einzigen Übertrager 25 mit der einzigen sekundärseitigen Wicklung 27 kombiniert.
Typischerweise ist die stromkompensierte Drossel 10 und ist entsprechend auch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen des Wechselstroms in dem Gleichstromkreis 1 in einem selben Gehäuse angeordnet wie der Wechselrichter 20 oder zumindest in dessen Nähe. Der Photovoltaikgenerator 18 kann entsprechend relativ weit entfernt von der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen. Dennoch wird auch ein Lichtbogen 11 in seinem Bereich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfasst.
Bezugszeichenliste

1: Gleichstromkreis
2: Leitung
3: Leitung
4: Anschluss
5: Anschluss
6: Anschluss
7: Anschluss
8: Teilwicklung
9: Teilwicklung
10: stromkompensierte Drossel
11: Lichtbogen
12: Spannungsquelle
13: A/D-Wandler
14: A/D-Wandler
15: Addierer
16: überlagerte Wechselspannung
17: Prozessor
18: Photovoltaikgenerator
19: Photovoltaikmodul
20: Wechselrichter
21: Gleichspannungszwischenkreis
22: Zwischenkreiskondensator
23: Abgreifzweig
24: Wicklung
25: Übertrager
26: Kondensator
27: Wicklung
28: Abgreifzweig
29: Voltmeter
30: Dämpfungswiderstand
31: Kondensator
32: Dämpfungswiderstand
33: Dämpfungswiderstand
34: Pfeilspitze
35: Pfeilspitze
36: Differenzverstärker
37: Bezugspotential
38: Ausgang

Claims

Verfahren zum Feststellen von Wechselströmen höherer Frequenz in einem Gleichstromkreis (1) mit einer zwei Teilwicklungen (8, 9) aufweisenden stromkompensierten Drossel (10), wobei – Spannungen, die über den beiden Teilwicklungen (8, 9) abfallen, abgegriffen werden; – die abgegriffenen Spannungen derart überlagert werden, dass sich Anteile der Spannungen aufgrund von Gegentaktsignalen, die aufgrund eines Wechselstroms über den beiden Teilwicklungen (8, 9) abfallen, konstruktiv zu einer überlagerten Wechselspannung (16) aufaddieren, wobei sich Anteile der Spannungen, die aufgrund von Gleichtaktsignalen auftreten, destruktiv überlagern, und – die überlagerte Wechselspannung (16) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen überlagert werden, indem die über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen jeweils mittels eines Differenzverstärkers verstärkt und die Ausgangssignale der Differenzverstärker addiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen überlagert werden, indem die über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen jeweils mittels eines Analog-Digital-Wandlers (13, 14) digitalisiert und die digitalisierten Spannungen addiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen überlagert werden, indem die über eine der Teilwicklungen (8, 9) abfallende Spannung zwischen den Eingängen eines Differenzverstärkers (36) angelegt wird und ein Ende der anderen der Teilwicklungen (8, 9) mit dem Bezugspotential (37) des Ausgangs des Differenzverstärkers (36) verbunden wird, wobei eine zwischen dem Ausgang (38) des Differenzverstärkers (36) und dem anderen Ende der anderen der Teilwicklungen (8, 9) abfallende Spannung die überlagerte Wechselspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen überlagert werden, indem zu jeder Teilwicklung (8, 9) ein Abgreifzweig (23, 28) mit einer Wicklung (24, 27) eines Übertragers (25) parallel geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Wechselspannungsanteile der über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen überlagert werden, indem in jedem Abgreifzweig (23, 28) ein Kondensator (26, 31) und/oder eine Spannungsmesseinrichtung (29) mit der Wicklung (24, 27) des Übertragers (25) in Reihe geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen überlagert werden, indem die Wicklungen (24, 27) in den beiden Abgreifzweigen (23, 28) eine primärseitige Wicklung (24) und eine sekundärseitige Wicklung (27) eines gemeinsamen Übertragers (25) sind, wobei mit der primärseitigen Wicklung (24) ein Kondensator (26) und mit der sekundärseitigen Wicklung (27) eine Spannungsmesseinrichtung (29) in Reihe geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen überlagert werden, indem die Wicklungen (24', 24'') in den beiden Abgreifzweigen (23, 28) primärseitige Wicklungen (24', 24'') eines gemeinsamen Übertragers (25) sind, der eine einzige sekundärseitige Wicklung (27) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen überlagert werden, indem die Wicklungen (24', 24'') in den beiden Abgreifzweigen (23, 28) primärseitige Wicklungen (24', 24'') jeweils eines eigenen Übertragers (25', 25'') mit einer eigenen sekundärseitige Wicklung (27', 27'') sind, wobei die sekundärseitigen Wicklungen (27', 27'') der beiden Übertrager (25', 25'') in Reihe geschaltet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste überlagerte Wechselspannung (16) mit einem Grenzwert verglichen wird, dessen Überschreiten auf einen Lichtbogen (11) hinweist.
Vorrichtung zum Feststellen von Wechselströmen höherer Frequenz in einem Gleichstromkreis (1) mit einer zwei Teilwicklungen (8, 9) aufweisenden stromkompensierten Drossel (10), mit – Abgreifeinrichtungen, die über den beiden Teilwicklungen (8, 9) abfallende Spannungen abgreifen; – Überlagerungseinrichtungen, die die abgegriffenen Spannungen derart überlagern, dass sich Anteile der Spannungen aufgrund von Gegentaktsignalen, die aufgrund eines Wechselstroms über den beiden Teilwicklungen (8, 9) abfallen, konstruktiv zu einer überlagerten Wechselspannung (16) aufaddieren, wobei sich Anteile der Spannungen, die aufgrund von Gleichtaktsignalen auftreten, destruktiv überlagern, und – Messeinrichtungen, die die überlagerte Wechselspannung erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgreifeinrichtungen für die über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen jeweils einen Differenzverstärker aufweisen, wobei die Überlagerungseinrichtungen einen Addierer (15) für die Ausgangssignale der Differenzverstärker aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgreifeinrichtungen für die über den Teilwicklungen (8, 9) abfallenden Spannungen jeweils einen Analog-Digital-Wandler (13, 14) aufweisen, wobei die Überlagerungseinrichtungen einen Addierer (15) für die Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandlers (13, 14) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgreifeinrichtungen die über eine der Teilwicklungen (8, 9) abfallende Spannung zwischen den Eingängen eines Differenzverstärkers (36) der Überlagerungseinrichtungen anlegen und ein Ende der anderen der Teilwicklungen (8, 9) mit dem Bezugspotential (37) des Ausgangs (38) des Differenzverstärkers (36) verbinden, wobei die Messeinrichtungen die überlagerte Wechselspannung zwischen dem Ausgang (38) des Differenzverstärkers (36) und dem anderen Ende der anderen der Teilwicklungen (8, 9) messen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgreifeinrichtungen zu jeder Teilwicklung (8, 9) einen Abgreifzweig (23, 28) aufweisen, der mit der Teilwicklung (8, 9) parallel geschaltet ist, und dass die Überlagerungseinrichtungen in jedem Abgreifzweig (23, 28) eine Wicklung (24, 27) eines Übertragers (25) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Abgreifzweig (23, 28) ein Kondensator (26, 31) und/oder eine Spannungsmesseinrichtung (29) mit der Wicklung (24, 27) des Übertragers (25) in Reihe geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (24, 27) in den beiden Abgreifzweigen (23, 28) eine primärseitige Wicklung (24) und eine sekundärseitige Wicklung (27) eines gemeinsamen Übertragers (25) sind, wobei mit der primärseitigen Wicklung (24) ein Kondensator (26) und mit der sekundärseitigen Wicklung (27) eine Spannungsmesseinrichtung (29) in Reihe geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (24', 24'') in den beiden Abgreifzweigen (23, 28) primärseitige Wicklungen (24', 24'') eines gemeinsamen Übertragers (25) sind, der eine einzige sekundärseitige Wicklung (27) aufweist, wobei die Messeinrichtungen die über der sekundärseitigen Wicklung (27) abfallende überlagerte Wechselspannung (16) erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (24', 24'') in den beiden Abgreifzweigen (23, 28) primärseitige Wicklungen (24', 24'') jeweils eines eigenen Übertragers (25', 25'') mit einer eigenen sekundärseitige Wicklung (27', 27'') sind, wobei die sekundärseitigen Wicklungen (27', 27'') der beiden Übertrager (25', 25'') in Reihe geschaltet sind und wobei die Messeinrichtungen die über der Reihenschaltung der sekundärseitigen Wicklungen (27', 27'') abfallende überlagerte Wechselspannung erfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Vergleichseinrichtungen vorgesehen sind, die die überlagerte Wechselspannung (16) mit mindestens einem Grenzwert vergleichen und beim Überschreiten des Grenzwerts ein Signal ausgeben, das auf einen Lichtbogen (11) hinweist.