Vorrichtung und Verfahren zur Anschlußüberwachung einer elektrischen Versorgungseinheit Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Anschlußüberwachung einer elektrischen Versorgungseinheit nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Aus der DE 42 13 443 Cl ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Ausfalls von Sicherungen bekannt. Die Sicherungen sind jeweils in die Strompfade eines Drehstromnetzes zur Versorgung eines Verbrauchers geschaltet. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Schaltkreis in Dreiecksschaltung zur Erfassung der Phase einer Spannung zwischen jeweils zwei Leitern des Drehstromnetzes vor den Sicherungen und einen zweiten Schaltkreis in Dreiecksschaltung zur Erfassung der Phase einer Spannung zwischen jeweils zwei Leitern des Drehstomnetzes nach den Sicherungen auf. Die jeweiligen Phasen vor und nach den Sicherungen werden miteinander verglichen, und es wird ein Ausfallsignal abgegeben, wenn eine Phasendifferenz auftritt bzw. eine oder mehrere Phasen fehlen. Diese Schaltung eignet sich auch zur Anschlußüberwachung einer elektrischen Versorgungseinheit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Anschlußüberwachung anzugeben, welche insbesondere den hierfür erforderlichen Hardwareaufwand reduziert. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anschlußüberwachung einer elektrischen Versorgungseinheit weist eine Spannungserfassung auf, die die Phasenspannungen ermittelt.

Weiterhin ist eine Stromerfassung vorgesehen zur Ermittlung der Phasenströme. Eine Transformationseinheit setzt die Phasenströme nach der Theorie der feldorientierten Regelung in zumindest einen Querstrom um. Erfindungsgemäß ist zur Überwachung zumindest eines Versorgungsanschlusses, über den eine elektrische Versorgungseinheit gespeist ist, eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die den Verlauf des Querstroms zur Anschlußüberwachung auswertet. Insbesondere bei Servoantrieben wird auf die feldorientierte Regelung zurückgegriffen. Im Zuge der feldorientierten Regelung werden die erforderlichen Koordinatentransformationen der Phasengrößen in Quer-und Längsgrößen vorgenommen.

Insbesondere der Querstrom steht somit bei der feldorientierten Regelung ohnehin zur Verfügung.

Erfindungsgemäß wird nun dieser Querstrom zur Anschlußüberwachung ausgewertet. Denn es hat sich gezeigt, dass insbesondere die Polarität des Querstroms während des Einschaltverlaufs einen eindeutigen Hinweis darauf gibt, ob die Phasenanschlüsse der Versorgungseinheit vertauscht wurden. Lediglich bei korrektem Anschluß ist der Querstromverlauf immer kleiner als ein bestimmter Grenzwert, in diesem Falle I = 0. Bei allen anderen Fällen hingegen, bei welchen der Querstrom dauernd oder kurzzeitig während des Einschaltvorgangs einen positiven Wert annimmt, kann auf

eine fehlerhafte Anschlußverdrahtung geschlossen werden.

Diese Anschlußüberwachung kann somit rein softwaremäßig erfolgen. Zusätzliche Hardware ist nicht mehr notwendig.

Dadurch verbilligt sich die entsprechende Überwachungseinrichtung.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Überwachungseinrichtung zur Anschlußüberwachung aus den Phasenspannungen und Phasenströmen die jeweiligen Phasenleistungen ermittelt und auswertet. Insbesondere das Vorzeichen der hierbei entstehenden Leistungen ist wiederum als Hinweis auszuwerten, ob und welche Phasen in welcher Art und Weise miteinander vertauscht worden sind. Bei der Überwachung eines dreiphasigen Drehstromnetzes zur Speisung der elektrischen Versorgungseinheit kann bei lediglich einer positiven Phasenleistung darauf geschlossen werden, dass die anderen beiden Phasen mit negativer Leistung gegeneinander vertauscht wurden. Durch die Einbeziehung der phasenbezogenen Leistungen kann rein rechnerisch eine eindeutige Anschlußfehlerdiagnose erreicht werden, ohne dass zusätzlicher Hardwareaufwand notwendig wäre.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Überwachungseinrichtung den Längsstrom zur Anschlußüberwachung auswertet. Insbesondere wenn alle phasenbezogenen Leistungen negativ sind, kann anhand des Längsstroms eindeutig die Phasenverschiebung um entweder +120° oder-120° detektiert werden. Durch die Einbeziehung des Längsstroms können nun alle fehlerhaften Anschlußmöglichkeiten eindeutig detektiert werden. Da andererseits der Längsstrom bereits im Rahmen der feldorientierten Regelung ohnehin zur Verfügung steht, so gewährleistet diese Auswertung einen geringen Rechenaufwand.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigen die Figuren la und 1b den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung zur Anschlußüberwachung, die Figur 2 das Überwachungsprogramm, welches in der Vorrichtung zur Anschlußüberwachung abläuft, sowie die Figuren 3 bis 8 typische Verläufe von Längsstrom und Querstrom mit zugehöriger Zwischenkreisspannung bei unterschiedlichen Anschlüssen der drei Phasen eines Drehstromnetzes.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Einer Netzanschalteinheit 10 werden über einen Netzanschluß 12 die drei Phasen U, V, W eines Drehstromnetzes (360 bis 510 V ; 50/60 Hz) zugeführt. Jede der drei Phasen U, V, W ist über eine Sicherung 20 abgesichert. Netzseitig betrachtet nach den Sicherungen 20 werden die Phasenspannungen Uu, Uv, Uw 14 abgegriffen und einem Regelungs-und Steuerungsblock 34 einer Versorgungseinheit 32 zugeführt. Dieser Regelungs- und Steuerungsblock 34 liefert ein erstes und zweites Schützansteuersignal 16,18 zur Ansteuerung eines Ladeschützes 22 und eines Netzschützes 24, die in der Netzanschalteinheit 10 integriert sind. Wird das Ladeschütz

22 durch das entsprechende Ansteuersignal 16 im Sinne eines Schließens angesteuert, so gelangen die Phasenströme Iu, Iv, Iw über Ladewiderstände 26 an die jeweiligen Drosselanschlußpunkte 28 als Ausgänge der Netzanschalteinheit 10. Die Ladewiderstände 26 werden vom Netzschütz 24 überbrückt, wenn der Ladevorgang der Zwischenkreiskondensatoren 44 beendet ist. Das wird durch eine Messung der Zwischenkreisspannung 46 erkannt. Für jede der Phasen U, V, W sind nun Kommutierungsdrosseln 30 vorgesehen, die an den drei Drosselanschlußpunkten 28 anzuschließen sind. Die anderen Anschlüsse der Kommutierungsdrosseln 30 werden mit den versorgungseinheitsseitigen Drosselanschlüssen 36 der Versorgungseinheit 32 verbunden. Die über diese versorgungseinheitsseitigen Drosselanschlüsse 36 zugeführten Phasenströme Iu, Iv, Iw werden in der Versorgungseinheit 32 erfaßt und dem Regelungs-und Steuerungsblock 34 zugeführt.

Sechs Leistungstransistoren der Endstufe 40 bilden, als B6- Brücke verschaltet, den Umrichter-bzw. Wechselrichterblock der Versorgungseinheit 32. Jeder der Transistoren ist mit einer antiparalell verschalteten Diode als Freilaufdiode versehen. Die Endstufe 40 wird durch Endstufenansteuersignale 42 von dem Regelungs-und Steuerungsblock 34 geschaltet, um zur Speisung beispielsweise eines elektrischen Antriebs die eingespeiste dreiphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Diese Gleichspannung steht in einem Gleichspannungszwischenkreis als Zwischenkreisspannung 46 zur Verfügung. Zur weiteren Glättung dieser Spannung sind Zwischenkreiskondensatoren 44 vorgesehen. Die an den Zwischenkreiskondensatoren 44 anstehende Zwischenkreisspannung 46 wird ebenfalls dem Regelungs-und Steuerungsblock 34 zugeführt.

Der Regelungs-und Steuerungsblock 34 der Versorgungseinheit 32 ist in Figur 1b näher dargestellt. Ein im Regelungs-und Steuerungsblock 34 angeordneter Spannungsregler 50 erhält als Eingangsgrößen einen Zwischenkreisspannungssollwert 48 sowie die Zwischenkreisspannung 46 als Ist-Wert. Hieraus ermittelt der Spannungsregler 50 einen Querstromsollwert 52, der sowohl einem Stromregler 56 als auch einer Transformations-und PWM-Umsetzeinheit 60 als Eingangsgröße zugeführt wird. Die Phasenspannungen Uu, Uv, Uw 14 werden sowohl einer Spannungstransformation 74 als auch einem Referenzwinkelgenerator 68 zugeführt. Der Referenzwinkelgenerator 68 ermittelt daraus den Phasenwinkel 67, der wiederum als Eingangsgröße einer Stromtransformation 66 und der Spannungstransformation 74 sowie der Transformations-und PWM-Umsetzeinheit 60 zugeführt wird.

Die Stromtransformation 66 erzeugt aus den ebenfalls zugeführten Phasenströmen Iu, Iv, Iw 38 nach den Prinzipien der feldorientierten Regelung sowohl einen Querstrom-Istwert 62 als auch einen Längsstrom-Istwert 64, welche neben einem Längsstrom-Sollwert 54 dem Stromregler 56 als Eingangsgrößen dienen. Als Ausgangsgrößen stellt der Stromregler 56 der Transformations-und PWM-Umsetzeinheit 60 einen Querspannungs-Sollwert 57 sowie einen Längsspannungs- Sollwert 59 zur Verfügung. Weiterhin ist der Transformations-und PWM-Umsetzeinheit 60 ein Querspannungs- Istwert 70 und ein Längsspannungs-Istwert 72 zugeführt, beide von der Spannungstransformation 74 erzeugt. Die Transformations-und PWM-Umsetzeinheit 60 führt eine Rücktransformation der Längs-und Querkomponenten in die entsprechenden phasenbezogenen Komponenten durch und generiert pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für die sechs Transistoren der Endstufe 40. Außerdem sind dem Regelungs- und Steuerungsblock 34 externe Interfacesignale 19 zugeführt. Das in dem Regelungs-und Steuerungsblock 32

ablaufende Überwachungsverfahren zur Anschlußüberwachung ist in Figur 2 gezeigt.

In Figur 3 sind die Verläufe von Querstrom (-Istwert) 62 und Längsstrom (-Istwert) 64 sowie der Zwischenkreisspannung 46 zeitabhängig dargestellt. Die Zwischenkreisspannung 46 steigt zum Zeitpunkt des Einschaltens mit dem Verlauf einer e-Funktion an. Zum gleichen Zeitpunkt fällt der Querstrom 62 sprungmäßig und steigt anschließend mit dem Verlauf einer e- Funktion an. Allerdings bleibt der Querstrom 62 immer negativ, d. h. er überschreitet nie den Wert I = 0. Der Längsstrom 64 oszilliert um die Null-Linie. In Figur 3 sind die Verläufe der genannten Größen bei korrektem Anschluß gezeigt. Bei Figur 4 sind die Phasen U, V, W zyklisch um +120° versetzt, d. h. sie wurden in der Folge V, W, U angeschlossen. Sowohl Querstrom 62 als auch Längsstrom 64 weisen hierbei immer positive Werte auf und nähern sich der Null-Linie. Figur 5 zeigt eine um-120 zyklisch vertauschte Anordnung der Phasen : die Anschlussreihenfolge lautet W, U, V. Wiederum ist der Querstrom 62 nur positiv und nähert sich oszillierend dem Wert I=0 an. Der Längsstrom 64 hingegen besitzt nur negative Werte, dessen Verlauf sich ebenfalls dem Wert I=0 annähert. Bei Figur 6 wurde zwei Phasen vertauscht : Die Anschlußfolge lautet hierbei W, V, U. Sowohl Querstrom 62 wie auch Längsstrom 64 oszillieren um die Null- Linie und erreichen sowohl positive als auch negative Werte.

Dieses Verhalten läßt sich auch in den Figuren 7 und 8 feststellen. In Figur 7 wurden die Phasen W und V miteinander vertauscht (Anschlußfolge : U, W, V), in der Figur 8 die Phasen V und U (Anschlußfolge : V, U, W).

Diese charakteristischen Stromverläufe werden in dem Überwachungsprogramm gemäß Figur 2 gezielt zur Anschlußüberwachung abgefragt.

Die Versorgungseinheit 32 wird feld-bzw. netzorientiert geregelt. Gemäß der Theorie der Vektorregelung kann der erfaßte Phasenstrom Iu, Iv, Iw nach Überführung in ein feldbezogenes orthogonales Zweiphasensystem (D-Q-Koordinaten System) in zwei Komponenten, nämlich Querstrom 62 und Längsstrom 64 aufgeteilt werden. Die Längsstromkomponente 64 (Blindstromkomponente) baut die ein-bzw. rückgespeiste Blindleistung der Versorgungseinheit 32 auf und wird normalerweise auf den Wert Null gesetzt. Der Querstrom 62 steht rechtwinklig auf dem Längsstrom 64, ist in der gleichen Richtung wie die Netzspannung orientiert und bildet ein Maß für die eingespeiste Wirkleistung.

Die Versorgungseinheit 32 ist so ansteuerbar, dass sie die Wechselspannung des dreiphasigen Wechselspannungsnetzes in die Zwischenkreisspannung 46 gleichrichtet und mit dieser Energie aus dem Netz einen nicht näher gezeigten elektrischen Verbraucher wie beispielsweise einen Inverter, der wiederum einen Elektromotor versorgt, speist. Die Versorgungseinheit 32 umfaßt beispielsweise sechs gesteuerte Leistungstransistoren der Endstufe 40, die pulsweitenmoduliert angesteuert werden beispielsweise mit einer Taktfrequenz von 8 kHz bei variablem Pulsbreitenverhältnis.

Somit stellt die Stromtransformation 66 im Rahmen der feldorientierten Regelung ohnehin den Querstrom-Istwert 62 und den Längsstrom-Istwert 64 zur Verfügung. Erfindungsgemäß werden nun unter anderem diese Komponenten gezielt für die Erfassung der Netzphasenlage ausgewertet. Die drei Phasen U, V, W eines Drehstromnetzes werden einer Netzanschalteinheit 10 phasenrichtig in der vorgesehenen Weise zugeführt. Die Drosselanschlußpunkte 28 sollen für jede Phase U, V, W mit den versorgungseinheitsseitigen Drosselanschlüssen 36 in korrekter Weise über die Kommutierungsdrosseln 30 verbunden

werden. Ein korrekter Anschluß ist in der Figur la dargestellt. Nun bestehen allerdings Möglichkeiten, durch Falschanschluß die Netzphasenfolge gegenüber dem Netzanschluß 12 zu vertauschen. Dies könnte zur Folge haben, dass die Ausgänge der Netzanschalteinheit 10 für die Phasen U, V, W nicht korrekt mit den phasenbezogenen Anschlüssen der Versorgungseinheit 32 verbunden werden. Im korrekten Betrieb sollten die Phasen U, V, W der Versorgungseinheit 32 in der Reihenfolge U, V, W von links nach rechts, wie in Figur la dargestellt, zugeführt werden. Falschanschlüsse werden anhand des in Verbindung mit Figur 2 beschriebenen Überwachungsverfahrens detektiert.

Zur Inbetriebnahme der Versorgungseinheit 32 soll über das externe Interfacesignal 19 das Ladeschütz 22 im Sinne eines Schließens angesteuert werden, um über die der Strombegrenzung dienenden Ladewiderstände 26 und die Freilaufdioden der Endstufe 40 den Zwischenkreiskondensator 44 aufzuladen. Der Netzschütz 24 ist geöffnet. In einer Abfrage 103 entscheidet jedoch der Regelungs-und Steuerungsblock 34 zuvor durch Vergleich der Zwischenkreisspannung 46 mit einem festgelegten Grenzwert, welcher Steuermechanismus gewählt werden soll (Schritt 105 oder Schritt 107). Wird beispielsweise eine Zwischenkreisspannung 46 kleiner als 30% der Zwischenkreisnennspannung detektiert (z. B. die Versorgungseinheit 32 war noch nicht am Netz zugeschaltet und die Zwischenkreiskondensatoren 44 sind vollständig entladen), so wird die Routine in Schritt 107 gestartet.

Wird dagegen eine Zwischenkreisspannung 46 größer 30% der Zwischenkreisnennspannung detektiert, (z. B. die Versorgungseinheit 32 war eingeschaltet und die Zwischenkreiskondensatoren 44 sind noch nicht vollständig entladen, bzw. kann nach dem Zuschalten des Ladeschützes 22 kein Ladestrom fließen), wird die Routine gemäß Schritt 105

gestartet, bzw. werden über die IGBT-Ansteuerungen 42 alle drei oberen Transistoren 1.1, 1.3, 1.5 oder alle drei unteren 2.2, 2.4, 2.6 angesteuert. Damit wird über diese Transistoren und Ladewiderstände 26 für eine im Regelungs- und Steuerungsblock 34 festgelegte Zeit ein gezielter Kurzschluß herbeigeführt, so dass der Kurzschlußstrom in diesem Fall als Ersatz-Ladestrom wirkt, der zu überwachen ist. Danach schließt sich ebenfalls Schritt 107 an. In Schritt 107 wird das Ladeschütz 22 zugeschaltet und überprüft, ob der Netzstrom 38 (Ladestrom oder Kurzschlußstrom) fließt. Für eine vorgebbare Zeitdauer werden die Strom-und Spannungsverläufe der Phasenströme Iu, Iv, Iw 38 und der Phasenspannungen Uu, Uv, Uw 14 erfaßt und beispielsweise in digitalisierter Form abgespeichert. Aus diesen phasenbezogenen Strom-und Spannungsverläufen wird nun für jede Phase die elektrische Leistung ermittelt : Pu = Wu * Uu ; Pv = Z Iv * Uv ; Pw = E Iw * Uw über ein ganzzahliges Vielfaches einer Periodendauer. Weiterhin wird im Schritt 107 auch der zeitliche Verlauf des Querstrom 62 und des Längsstroms 64 ermittelt, wie er sich beispielsweise gemäß den Figuren 3 bis 8 ergibt.

Als erstes Kriterium, ob ein korrekter Phasenanschluß der Versorgungseinheit 32 vorliegt, wird in der Abfrage 109 der Querstrom 62 mit einem Grenzwert verglichen. Überschreitet der zeitliche Verlauf des Querstroms 62 innerhalb eines Zeitintervalls von 20ms-realisiert über die Abfrage 111- niemals den Wert I = 0, wird auf korrekten Phasenanschluß geschlossen. Es wird beispielsweise eine Meldung ausgegeben, dass Phasengleichheit herrscht (Anschlußfolge : U, V, W), Schritt 121. Kein Momentanwert des Querstroms 62 darf größer als Null sein. Nur dann ist das Kriterium IQ < 0 erfüllt.

Überschreitet irgendein Momentanwert des Querstroms 62 innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls den Wert I = 0,

wird in einer weiteren Abfrage 113 festgestellt, ob die in Schritt 107 ermittelten phasenbezogenen Leistungen Pu, Pv, Pw sämtlich alle größer als Null sind. Dann kann auf ein zyklisches Vertauschen der Phasen entweder um +120° oder- 120° geschlossen werden. Ist dies der Fall, so wird im Schritt 115 der zeitliche Verlauf des Längsstroms 64 ausgewertet. Ist einer der Momentanwerte des Längsstroms 64 positiv, so deutet dies auf eine Phasenverschiebung um +120° hin. In diesem Fall wurde die Versorgungseinheit 32 in folgender Weise verkabelt : V, W, U. Eine entsprechende Meldung wird in Schritt 129 ausgegeben. Das korrespondierende zeitliche Verhalten der Quer-und Längsströme ist in Figur 4 dargestellt. Überschreitet jedoch keiner der zeitlichen Momentanwerte des Längsstroms 64 den Wert Null, so läßt dies auf eine Phasenverschiebung um-120° schließen. Die Anschlußfolge hierbei lautet : W, U, V. Dies korrespondiert mit dem zeitlichen Verlauf der Ströme in Figur 5.

Wird in der Abfrage 113 jedoch festgestellt, dass zumindest eine der phasenbezogenen Leistungen Pu, Pv, Pw einen positiven Wert annimmt, so wird ermittelt, welche der phasenbezogenen Leistungen Pu, Pv, Pw, dies ist. Ist die Leistung der Phase U größer Null, wie in Schritt 117 abgefragt, so bedeutet dies, dass die Phasen V und W vertauscht sind, die Anschlußfolge lautet U, W, V. In Schritt 123 wird eine entsprechende Meldung generiert. Die zugehörigen Stromverläufe sind in Figur 7 dargestellt. Ist jedoch die Leistung der Phase U kleiner Null, so wird in Schritt 119 abgeprüft, ob die Leistung in der Phase V positiv ist. Ist dies der Fall, wird in Schritt 127 folgende Meldung ausgegeben : die Phasen U und W sind gegeneinander vertauscht. Die Anschlußfolge sieht nun folgendermaßen aus : W, V, U mit zugehörigem Stromverlauf gemäss Figur 6. Ist auch die Leistung in der Phase V nicht größer Null, so

verbleibt als letzte Fehlermöglichkeit, dass die Phasen U und V gegeneinander vertauscht sind. Die entsprechende Fehlermeldung wird in Schritt 125 erzeugt. Die Phasenfolge ist nun V, U,. W mit zugehörigem, in Figur 8 gezeigten Stomverlauf.

Somit sind nun alle Vertauschungsmöglichkeiten der Phasenanschlüsse der Versorgungseiheit 32 sicher detektiert.

Neben den entsprechenden Anzeigen können auch weitere Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, in denen beispielsweise die PWM-Ansteuerung 60 und damit die Transistoren der Endstufe 60 auf die tatsächliche detektierte Netzphasenfolge synchronisiert werden. Damit lässt sich die Versorgungseinheit 40 mit"falscher Phasenlage"betreiben.