Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
FAULT CURRENT CIRCUIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/059658
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a circuit for determining a fault current, said circuit comprising a first resistor (Rshunt+), a second resistor (Rshunt-), and a first device (Diff1) for determining a first value for a variable characterising a voltage difference, said first device being arranged to determine a value characterising the voltage drop at the first resistor (Rshunt+). The circuit also includes a second device (Diff2) for determining a second value for the variable characterising the voltage difference, said second device being arranged to determine a value characterising the voltage drop at the second resistor (Rshunt-), and a third device (Diff12) for determining a value of a variable characterising the difference between the first value and the second value. The circuit is additionally equipped with an evaluation device for evaluating the value of the variable characterising the difference between the first value and the second value. The circuit according to the invention is simple and particularly suited for use in conjunction with solar micro-inverters.

Inventors:
BRAUN MARKUS (DE)
Application Number:
PCT/EP2016/072935
Publication Date:
April 05, 2018
Filing Date:
September 27, 2016
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
G01R19/165; G01R19/00; G01R19/25; G01R31/02; H02H3/10; H02H3/16; H02H7/122; H02J3/38
Domestic Patent References:
WO2013064828A12013-05-10
Foreign References:
DE102014224639A12016-06-02
KR20140142048A2014-12-11
DE102011002756A12012-07-19
US20130128396A12013-05-23
DE102006048073A12008-04-17
JPH04238272A1992-08-26
DE102014204870A12015-09-17
FR2495414A11982-06-04
DE19722872A11998-12-03
US20030011355A12003-01-16
JP2014233118A2014-12-11
DE102015204903A12016-09-22
US20130051092A12013-02-28
US20140060100A12014-03-06
US20130051092A12013-02-28
Other References:
ISLAM MOFAKKHARUL ET AL: "Design of a new transformerless SepCuk inverter topology for grid connected photovoltaics", 2014 5TH INTERNATIONAL RENEWABLE ENERGY CONGRESS (IREC), IEEE, 25 March 2014 (2014-03-25), pages 1 - 5, XP032600897, DOI: 10.1109/IREC.2014.6827009
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

1. Schaltung für die Ermittlung eines Fehlerstroms mit

- einem ersten Widerstand (Rshunt+) ,

- einem zweiten Widerstand (Rshunt-) ,

- einer ersten Vorrichtung (Diffl) zur Ermittlung eines ers¬ ten Wertes für eine eine Spannungsdifferenz charakterisieren¬ de Größe, welche für die Ermittlung eines den Spannungsabfall bei dem ersten Widerstand (Rshunt+) charakterisierenden Wer¬ tes angeordnet ist,

- einer zweiten Vorrichtung (Diff2) zur Ermittlung eines zweiten Wertes für die die Spannungsdifferenz charakterisie¬ rende Größe, welche für die Ermittlung eines den Spannungsab¬ fall bei dem zweiten Widerstand (Rshunt-) charakterisierenden Wertes angeordnet ist,

- einer dritten Vorrichtung (Diffl2) zur Ermittlung eines Wertes einer die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe, und

- einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Wertes der die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert cha¬ rakterisierenden Größe.

2. Schaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

es sich bei der ersten Vorrichtung (Diffl) und bei der zwei¬ ten Vorrichtung (Diff2) um Differenzverstärker handelt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß

es sich bei der dritten Vorrichtung (Diffl2) um einen Diffe¬ renzverstärker handelt.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Auswerteeinrichtung einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) und einen Mikrokontroller (uC) umfaßt.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Auswertevorrichtung einen Mikrokontroller (uC) umfaßt,

- der Mikrokontroller (uC) dafür ausgestaltet ist, nach Maß- gäbe des Wertes der die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe das Vorliegen eines Fehlerstroms festzustellen und ein Signal für eine Unterbrechung eines mit der Schaltung überwachten Schaltkrei¬ ses zu erzeugen.

6. Schaltkreis zur Versorgung einer Last (RLast) , gebildet mit einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der erste Widerstand (Rshunt+) der Last (RLast) vor¬ gelagert und der zweite Widerstand der Last (RLast) nachgela- gert in dem Schaltkreis angeordnet sind.

7. Schaltkreis nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Schaltkreis einen Solar-Mikroinverter (MSI) umfaßt, und - zur Versorgung der Last (RLast) mit Strom zur Verbindung mit mindestens einem Solarmodul ausgestaltet ist.

8. Schaltkreis nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Solar-Mikroinverter (MSI) ohne galvanische Trennung ge¬ bildet ist.

9. Schaltkreis nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dem Solar- Mikroinverter (MSI) vorgelagert ist.

10. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 6 bis 9,

mit einem Schalter (Son-off) , mit dem bei Vorliegen eines Fehlerstroms der Schaltkreis unterbrochen werden kann.

11. Schaltkreis nach Anspruch 10, mit einem Schalter (Utest-) für die Herstellung einer Verbindung des Schaltkreises an ei- ner einen Anschlußseite einer Spannungsquelle abgewandten Seite des zweiten Widerstands (Rshunt-) mit Erde.

12. Schaltkreis nach Anspruch 10 oder 11, mit einem Schalter (Utest+) für die Herstellung einer Verbindung des Schaltkrei¬ ses an einer einen Anschlußseite einer Spannungsquelle abge¬ wandten Seite des ersten Widerstands (Rshunt+) mit Erde.

13. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 6 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Spannungsteiler zwischen Anschlußbereichen für die Pole der Spannungsquelle angeordnet ist, welcher mit einem dritten Widerstand (R3) und einem vierten Widerstand (R4) gebildet ist ,

- eine Vorrichtung (Diff) zur Ermittlung eines den Spannungs¬ abfall bei dem vierten Widerstand (R4) charakterisierenden Wertes angeordnet ist, und

- ein Mikrokontroller (uC) dafür ausgestaltet ist, mit Hilfe des den Spannungsabfall bei dem vierten Widerstand (R4) cha- rakterisierende Werts eine Bestimmung der auf einer Anschlu߬ seite der Spannungsquelle anliegenden Spannung vorzunehmen.

14. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 13,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Ausgang der Vorrichtung (Diff) zur Ermittlung eines den Spannungsabfall bei dem vierten Widerstand (R4) charakteri¬ sierenden Wertes mit einem Analog-Digital-Umsetzer (ADC(0)) verbunden ist, und

- der Ausgang des Analog-Digital-Umsetzer (ADC(0)) mit dem Mikrokontroller (uC) verbunden ist.

15. Verfahren zur Ermittlung eines Fehlerstroms mit einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend

- Ermittlung eines ersten Wertes für eine eine Spannungsdif- ferenz charakterisierende Größe, welcher ein Maß für den

Spannungsabfall bei dem ersten Widerstand darstellt, - Ermittlung eines zweiten Wertes für die die Spannungsdiffe¬ renz charakterisierende Größe, welcher für den Spannungsab¬ fall bei dem zweiten Widerstand ein Maß darstellt,

- Ermittlung eines Wertes einer die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe, und

- Auswertung des Wertes der die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe.

Description:
Beschreibung

FehlerStromschaltung Die Erfindung betrifft eine Schaltung für die Ermittlung ei ¬ nes Fehlerstroms, einen Schaltkreis zur Versorgung einer Last, welcher mit der erfindungsgemäßen Schaltung gebildet ist, und ein Verfahren zur Ermittlung eines Fehlerstroms. Ein wichtiger Trend bei der Entwicklung moderner Energienetze ist die dezentrale Energieerzeugung und die Verteilung dieser dezentral gewonnenen Energie. Die damit verbundene Feinstruk- turierung von Energienetzen führt zu Netzen, welche für de ¬ zentrale Energiequellen bzw. für die individuelle Versorgung einzelner Lasten konzipiert sind. In diesem Kontext wurden die Begriffe „Mikrogrid" und „Nanogrid" geprägt, welche die Entwicklung derartiger Netze charakterisieren. Der Begriff „Nanogrid" wird dabei häufig für Netze verwendet, die von ih ¬ rer Struktur für wenige Gebäude bzw. Lasten oder evtl. nur ein einziges Gebäude bzw. eine einzige Last gedacht sind. De ¬ rartige Netze bilden die Grundlage für eine feinstrukturelle Vernetzung, mit welcher eine intelligente, dezentral konzi ¬ pierte Energieversorgung mit hoher Energieeffizienz und Fle ¬ xibilität realisiert werden kann.

Eine wichtige Rolle für die Generierung von Energie, die über Mikrogrids und Nanogrids verteilt wird, spielen dabei Solar ¬ module, die dezentral, z. B. auf einzelnen Gebäuden, instal ¬ liert sind. Diese Solarmodule (häufig findet man dafür auch unter Anlehnung an das englische Fachvokabular den Ausdruck „Solarpanel") liefern typischerweise eine Gleichspannung, welche für Transport und Lastspeisung zu Wechselstrom umge ¬ wandelt werden muß. Für die Umwandlung zu Wechselstrom werden so genannte Solar-Mikro-Wechselrichter (auch als „Solar- Mikro-Inverter" bezeichnet) verwendet. Der Einsatz eines Mik- ro-Wechselrichters pro Solarmodul oder pro Zusammenschaltung einer Reihe von Solarmodulen erlaubt eine sehr flexible Hand ¬ habung und Optimierung der Energieversorgung mit Sonnenener- gie. Da derartige Solar-Mikro-Wechselrichter in großer Anzahl verwendet werden sollen, ist es wichtig, diese Komponenten möglichst ressourceneffizient bereitzustellen, d. h. den Auf ¬ wand bzw. die Kosten für diese Komponente möglichst zu redu- zieren. Dabei ist zu berücksichtigen, daß aufgrund der physi ¬ kalischen und schaltungstechnischen Gegebenheiten Fehlerströ ¬ me auftreten können, die mit Schutzmaßnahmen abgesichert wer ¬ den müssen. Im Hinblick auf Fehlerströme wurden Solar-Mikro- Inverter vorgeschlagen, welche mit einer galvanischen Tren- nung operieren. Ein derartiger Mikro-Inverter bzw. Mikro ¬ Wechselrichter ist beispielsweise in der US 20130051092 AI offenbart. Die galvanische Trennung wird dabei typischerweise mittels eines Transformators realisiert. Dadurch ergibt sich ein schlechterer Wirkungsgrad als bei einem Gerät ohne Trans- formator, eine höhere Komplexität und damit einhergehend ein höherer Preis. Die Verwendung von herkömmlichen Fehlerstrom- Schutzmaßnahmen, beispielsweise Schaltungen mit herkömmlichen Fehlerstrom-Schutzschaltern, wie z. B. ACBs, ist mit einem zu hohen Aufwand und mit zu hohen Kosten verbunden, um eine ech- te Alternative zu Solar-Mikro-Wechselrichtern mit galvani ¬ scher Trennung zu sein.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen aufwandsarmen Fehler ¬ strom-Schutz anzugeben, der insbesondere für Solar-Mikro- Wechselrichter einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung nach Anspruch 1, ei ¬ nen Schaltkreis nach Anspruch 6 und ein Verfahren zur Ermitt ¬ lung eines Fehlerstroms nach Anspruch 15 gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltung für die Ermittlung eines Feh ¬ lerstroms ist mit einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand gebildet. Bei diesen Widerständen handelt es sich typischerweise im Meßwiderstände bzw. Shunt-Widerstände . Die Widerstandswerte beider Widerstände sind vorzugsweise iden ¬ tisch. Zudem umfaßt die Schaltung eine erste Vorrichtung (z.B. Dif ¬ ferenzverstärker) zur Ermittlung eines ersten Wertes für eine eine Spannungsdifferenz (bzw. einen Spannungsabfall) charak ¬ terisierende Größe, welche für die Ermittlung eines den Span- nungsabfall bei dem ersten Widerstand (Rshunt+) charakteri ¬ sierenden Wertes angeordnet bzw. geschaltet ist („charakteri ¬ sierende Größe" ist dabei vorzugsweise so zu verstehen, daß die Werte dieser Größe als Maß für diese Spannungsdifferenz herangezogen werden können) . Dabei umfaßt z.B. die erste Vor- richtung zwei Eingänge für zwei Signale, deren Differenz er ¬ mittelt werden soll. Diese beiden Eingänge sind dann mit dem Bereich vor bzw. hinter dem ersten Widerstand verbunden, so dass zwei Signale an der ersten Vorrichtung anliegen, deren Differenz den Spannungsabfall charakterisieren.

Die Schaltung umfaßt zudem eine zweite, vorzugsweise der ers ¬ ten entsprechende Vorrichtung (z.B. Differenzverstärker) zur Ermittlung eines zweiten Wertes für die die Spannungsdiffe ¬ renz charakterisierende Größe, welche für die Ermittlung ei- nes den Spannungsabfall bei dem zweiten Widerstand charakte ¬ risierenden Wertes angeordnet bzw. geschaltet ist. Die Anord ¬ nungen von erster und zweiter Vorrichtung sind vorzugsweise zueinander symmetrisch, um sicherzustellen, daß bei gleichen Werten für den Spannungsabfall bei den Widerständen die an den Vorrichtungen anliegenden Signale einander entsprechen. Es ist aber auch möglich, die Schaltung unsymmetrisch bzw. mit unterschiedliche Widerstandeswerten für den ersten und zweiten Widerstand zu realisieren, wenn geeignete Kompensati ¬ onsmittel (unterschiedliche Signalverstärkung, Offsets, ...) vorgesehen werden.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist zudem mit einer dritten Vorrichtung (z.B. Differenzverstärker) zur Ermittlung eines Wertes einer die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe gebildet. Da der erste Wert ein Maß für eine Spannungsdifferenz beim ersten Wider ¬ stand und der zweite Wert ein Maß für eine Spannungsdifferenz beim zweiten Widerstand darstellen, kompensieren sich bei symmetrischem Aufbau beide Werte, wenn es keine Differenzen bei dem die Widerstände passierenden Strom gibt. Die dritte Vorrichtung liefert dann ein Resultat, mit welchem festge ¬ stellt werden kann, ob ein Fehlerstrom vorliegt. Es ist dafür eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Wertes der die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert cha ¬ rakterisierenden Größe vorgesehen, welche z.B. einen Analog- Digital-Umsetzer und einen Mikrokontroller umfaßt (d.h. mit zwei Vorrichtungen bzw. Komponenten gebildet ist) . Gemäß ei- ner Ausgestaltung kann mittels eines Mikrokontrollers nach

Maßgabe des Wertes der die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe das Vorliegen eines Fehlerstroms festgestellt und ggf. ein Signal für eine Unterbrechung eines mit der Schaltung überwachten Schaltkrei- ses erzeugt werden.

Die vorgeschlagene Schaltung ist aufwandsarm zu realisieren und damit insb. in Verbindung mit Solar-Mikro- Inverterschaltung eine attraktive Option, weil keine aufwen- dige galvanische Trennung vorgesehen werden muß und die Feh- lerstromdetektion ohne aufwendige Elemente herkömmlicher Feh ¬ lerstromschaltungen (z.B. RCDs) konzipiert ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung kommt z.B. in einem Schalt- kreis zur Versorgung einer Last zum Einsatz, bei welchem der erste Widerstand der Last vorgelagert und der zweite Wider ¬ stand der Last nachgelagert in dem Schaltkreis angeordnet bzw. eingeschleift sind (idealerweise symmetrisch zu Span ¬ nungspolen einer für die Versorgung anliegenden Spannung) . Dieser Schaltkreis kann einen Solar-Mikroinverter umfassen und zur Versorgung der Last mit Solarstrom mit mindestens ei ¬ nem Solarmodul verbindbar sein. In diesem Fall ist der Solar- Mikroinverter vorzugsweise ohne galvanische Trennung gebil ¬ det. Die Schaltung ist dann präferentiell dem Solar- Mikroinverter vorgelagert (d.h. zwischen Spannungsquelle, z.B. Solarmodul, und Solar-Mikroinverter angeordnet). Vor ¬ zugsweise ist der Schaltkreis mit einem Schalter versehen, mit dem bei Vorliegen eines Fehlerstroms der Schaltkreis unterbrochen bzw. geöffnet werden kann.

Für die Bestimmung von für den Schaltkreis relevanter Größen kann der Schaltkreis mit dafür verwendeten Elementen weiter ¬ gebildet sein. Eine erste Weiterbildung umfaßt einen Schalter für die Herstellung einer Verbindung des Schaltkreises an ei ¬ ner einer Anschlußseite einer Spannungsquelle (z.B. ein oder mehrere Solarmodule) abgewandten Seite des zweiten Wider- Stands mit Erde. Entsprechend ist eine Weiterbildung mit ei ¬ nem Schalter für die Herstellung einer Verbindung des Schalt ¬ kreises an einer einer Anschlußseite einer Spannungsquelle abgewandten Seite des ersten Widerstands mit Erde möglich. Bei einer dritten Weiterbildung für die Bestimmung einer für den Schaltkreis relevanten Größe ist z.B. auf einer Anschluß ¬ seite einer Spannungsquelle ein Spannungsteiler zwischen An ¬ schlußbereichen für die Pole der Spannungsquelle angeordnet. Dieser Spannungsteiler kann dem ersten und dem zweiten Wider- stand vor- oder nachgelagert sein und ist mit einem dritten Widerstand und einem vierten Widerstand gebildet. Weiter ist eine Vorrichtung (z.B. Differenzverstärker) zur Ermittlung eines den Spannungsabfall bei dem vierten Widerstand charak ¬ terisierenden Wertes angeordnet bzw. geschaltet. Die Schal- tung umfaßt dann einen Mikrokontroller, der dafür ausgestal ¬ tet ist, mit Hilfe des den Spannungsabfall bei dem vierten Widerstand charakterisierende Werts eine Bestimmung der auf einer Anschlußseite der Spannungsquelle anliegenden Spannung (d.h. Spannungsdifferenz zwischen den Polen) vorzunehmen. Da- bei kann der Ausgang der Vorrichtung zur Ermittlung eines den Spannungsabfall bei dem vierten Widerstand charakterisieren ¬ den Wertes mit einem Analog-Digital-Umsetzer verbunden sein, dessen Ausgang dann wiederum mit dem Mikrokontroller verbun ¬ den wäre .

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ermittlung ei ¬ nes Fehlerstroms mit einer erfindungsgemäßen Schaltung. Dabei wird ein erster Wert für eine eine Spannungsdifferenz (bzw. einen Spannungsabfall) charakterisierende Größe bestimmt, welcher den Spannungsabfall bei dem ersten Widerstand charak ¬ terisiert. Zudem wird ein zweiter Wert für die die Spannungs ¬ differenz charakterisierende Größe ermittelt, welcher den Spannungsabfall bei dem zweiten Widerstand charakterisiert. Schließlich erfolgt die Ermittlung und Auswertung eines Wer ¬ tes einer die Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert charakterisierenden Größe.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im

von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1 Eine schematische Darstellung des Einsatzum ¬ feldes eines Solar-Mikro-Wechselrichters bei der Energieerzeugung mit Hilfe eines Solarmo ¬ duls;

Figur 2 eine erfindungsgemäße Schaltung;

Figur 3 ein erfindungsgemäßes Verfahren;

Figur 4 eine erste Illustration für das Auftreten ei ¬ nes Fehlerstromes bei der erfindungsgemäßen Schaltung von Figur 2,

Figur 5 eine zweite Illustration des Auftretens eines

Fehlerstromes bei der erfindungsgemäßen Schal ¬ tung von Figur 2;

Figur 6 die erfindungsgemäße Schaltung von Figur 2 mit

Mitteln zur Bestimmung des Erdschluß-Stromes am positiven Spannungsanschluß;

Figur 7 die erfindungsgemäße Schaltung von Figur 2 mit

Mitteln zur Bestimmung des Erdschluß-Stromes am negativen Spannungsanschluß;

Figur 8 die erfindungsgemäße Schaltung von Figur 2 mit

Mitteln zur Bestimmung von einer solarmodul- seitig anliegenden Spannung.

In Figur 1 ist schematisch die Sonne S dargestellt, die als Energielieferant Energie in Form von Sonneneinstrahlung für Solaranlagen bereitstellt. Mittels eines Solarmoduls bzw. So ¬ larpanels SP wird die Sonnenenergie in eine Spannung umge- setzt. In der Figur sind die Spannungen Upv+ und Upv- be ¬ nannt, welche an einem Solar-Mikro-Inverter bzw. Solar-Mikro- Wechselrichter MSI anliegen. Dieser Solar-Mikro-Inverter MSI ist an das Netz angeschlossen, z. B. über ein WLAN oder LAN, welches ein cloudbasiertes Monitoring und Datenmanagement (z. B. Steuerung, Festlegung von Einstellungen etc.) erlaubt. Dieses cloudbasierte Überwachen und Management von Daten wird in Figur 1 durch die Wolke mit dem Bezugszeichen COM reprä ¬ sentiert. Der Solar-Mikro-Inverter MSI liefert einen Wechsel- ström, welcher beispielsweise einen Nanogrid-Verbraucher in einem Gebäude speist oder in ein Verteilungsnetz eingekoppelt wird. Das Nanogrid, welches mit Verbrauchern bzw. Vertei ¬ lungsnetzen in Verbindung steht, ist in Figur 1 mit dem Be ¬ zugszeichen M gekennzeichnet. Zwischen dem Solar-Wechselrich- ter MSI und Netz M sind mit den Bezugszeichen LI und N ein

Phasenleiter und ein Neutralleiter angedeutet. Dies ist rein illustrativ; insbesondere ist zu berücksichtigen, daß es auch dreiphasige Mikroinverter gibt, für welche die im Folgenden anhand des Ausführungsbeispiels beschriebene Erfindung zum Einsatz kommen kann.

Die Erfindung ist primär für Solar-Mikro-Inverter gedacht, die ohne galvanische Trennung realisiert sind. Die für diesen Fall nötige Fehlerstrom-Messung wird durch die Erfindung be- reitgestellt. Eine Grundschaltung dafür ist in Figur 2 ge ¬ zeigt. Der Strom des Pluspoles Upv+ und der des Minuspoles Upv- werden jeweils mittels eines Shunt-Widerstandes gemes ¬ sen. Diese Shunt-Widerstände sind mit den Bezugszeichen

Rshunt+ und Rshunt- gekennzeichnet und hinreichend klein di- mensioniert, damit die verwendenden Differenzverstärker Ein ¬ gangsspannungen haben, die nicht den vorgegebenen Arbeitsbe ¬ reich überschreiten. Die beiden Meßwiderstände Rshunt+ und Rshunt- sind jeweils mit Anschlüssen auf beiden Seiten der Widerstände mit einem Differenzverstärker (Differenzverstär- ker Diffl für Meßwiderstand Rshunt+ und Differenzverstärker Diff2 für Meßwiderstand Rshunt-) verbunden. Hier und im Fol ¬ genden wird der Begriff „Differenzverstärker" so interpre ¬ tiert, daß eine Differenzbildung vorgenommen wird und fakul- tativ gebildete Differenzen mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert werden. Dabei ist der Gewichtungsfaktor vor ¬ zugsweise, aber nicht notwendigerweise größer eins. D.h. der Begriff „Differenzverstärker" umfaßt insbesondere auch die bloße Differenzbildung ohne weitere Gewichtung des Ergebnis ¬ ses .

Die nachgeschalteten Differenzverstärker Diffl und Diff2 re ¬ duzieren das Meß-Signal auf einen bei den Meß-Widerständen Rshunt+ bzw. Rshunt- abfallenden Spannungsabfall bzw. eine dazu proportionale Spannung. Das Ergebnis der beiden Diffe ¬ renzverstärker Diffl und Diff2 wird wiederum einem Differenz ¬ verstärker Diffl2 zugeleitet, der die (möglicherweise mit ei ¬ nem Verstärkungsfaktor multiplizierte) Differenz der von den Differenzverstärkern Diffl und Diff2 gelieferten Spannungs ¬ differenzen bestimmt. Wenn kein Fehlerstrom vorhanden ist, fließt bei geschlossenem Schaltkreis derselbe Strom über die Meßwiderstände Rshunt+ und Rshunt-. Bei gleichen Widerstands ¬ werten der beiden Meßwiderstände ist der Spannungsabfall ebenfalls gleich, und das Ergebnis für den mit dem Differenz ¬ verstärker Diffl2 ermittelte Unterschied der Spannungsabfälle ist null. Das heißt, am Ausgang des Differenzverstärkers Diffl2 wird ein Signal geliefert, welches ein Maß für den Fehlerstrom darstellt. Das von dem Differenzverstärker Diffl2 ausgegebene Signal wird mittels eines Analog-Digital-Konver- ters ADC zu einem digitalen Signal umgesetzt und an einen Mikrokontroller uC weitergegeben. Die Umwandlung zu einem di ¬ gitalen Input über den Analog-Digital-Umsetzer ADC empfiehlt sich wegen der typischerweise geringen Größe des Signals (Fehlerstrom) .

In Figur 3 ist schematisch in einfachster Form ein erfin ¬ dungsgemäßes Verfahren gezeigt, welches mit der Schaltung nach Figur 2 durchgeführt wird. Zunächst werden in den

Schritten al und a2 die Spannungsabfälle bei den Widerständen Rshunt+ und Rshunt- mit Hilfe der Differenzverstärker Diffl und Diff2 ermittelt. In einem nächsten Schritt b wird die Differenz der durch die Differenzverstärker Diffl und Diff2 ermittelten Spannungsabfälle gebildet und in einem letzten Schritt c durch den Mikrokontroller uC ausgewertet. Die reale Implementierung des Verfahrens kann komplexer sein also die obige einfache Beschreibung (z.B. Multiplikation der Ergeb- nisse der Differenzverstärker mit einem Verstärkungsfaktor, Digitalisierung von Resultaten z.B. mit dem in Figur 2 darge ¬ stellten Analog-Digital-Umsetzer ADC ...) .

Der nachgeschaltete Differenzverstärker Diffl2 reduziert also das Meß-Signal auf den Differenzstrom bzw. eine den Diffe ¬ renzstrom charakterisierende Größe. Der Differenzstrom ent ¬ spricht einem Fehlerstrom. Der nachgeschaltete Differenzver ¬ stärker Diffl2 bietet zudem den Vorteil, daß ein preisgünsti ¬ ger Analog-Digital-Konverter ADC mit weniger Dynamik (Bits) ausreicht. Es wird ja nur die Differenz digitalisiert. In der Schaltung aus Figur 1 ist typischerweise ein Schalter Son-off vorhanden, welcher in den Figuren 5 und 6 eingezeichnet ist. Im Falle des Vorliegens eines Fehlerstromes würde dann bei ¬ spielsweise der Mikrokontroller uC, z.B. mittels eines elektromechanischen Antriebes (in der Figur nicht gezeigt) , diesen Schalter Son-off öffnen, um den Stromkreis zu unter ¬ brechen. Die in Figur 1 gezeigte Fehlerstrom-Meßschaltung ist vorzugsweise dem Solar-Wechselrichter vorgelagert, d. h. in Figur 1 zwischen dem Solarmodul SP und Solar-Mikro-Inverter MSI angeordnet.

In den Figuren 4 und 5 ist jeweils eine Last RLast einge ¬ zeichnet und ein Fehlerstrom angedeutet. In Figur 4 wäre die ¬ ser Fehlerstrom FUpv+ bei dem Spannungseingang Upv+ lokali- siert und in der Figur 5 wäre der Fehlerstrom FUpv- am Span ¬ nungseingang Upv- aufgetreten. In diesen Fällen würde - wie anhand der Figur 2 beschrieben - der Mikrokontroller uC den Stromkreis unterbrechen. In den unten beschriebenen Figuren ist die Schaltung aus Fi ¬ gur 2 mit Mittel versehen, um relevante Spannungsgrößen zu bestimmen. In Figur 6 wird der Widerstand von dem Eingang Upv+ zu Erde ermittelt. Dazu wird der Schalter Son-off geöff- net . Bei geöffnetem Schalter Son-off wird auf der in Bezug auf den Eingang Upv- abgewandten Seite des Meßwiderstandes Rshunt- über den Schalter Utest- eine Verbindung zu Erde rea ¬ lisiert. Der bei dem Meß-Widerstand Rshunt- abfallende Strom entspricht dann dem Erdschluß-Strom. Mit Hilfe des Wertes für die anliegende Spannung Upv+ bzw. genauer die Spannungsdiffe ¬ renz (Upv+ - Upv-) kann der Widerstand des Einganges Upv+ zu Erde ermittelt werden.

Ein im Wesentlichen entsprechendes Vorgehen zur Ermittlung von Upv- ist in Figur 7 gezeigt. Wiederum ist der Schalter Son-off geöffnet, und es wird mittels des Schalters Utest+ die Upv+ abgewandte Seite von dem Widerstand Rshunt+ auf Erde gelegt. Das heißt, der Schalter Utest+ wird temporär bei ge ¬ öffnetem Schalter Son-off geschlossen. Der Strom im Meßwider ¬ stand Rshunt+ entspricht dann dem Erdschluß-Strom. Zusammen mit dem Wert von Upv+ bzw. von (Upv+ - Upv-) kann der Wider ¬ stand von Upv- zur Erde ermittelt werden. Figuren 6 und 7 zeigen somit die Ermittlung des Widerstandes von Upv+ bzw. Upv- zur Erde mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung.

In Figur 8 ist schließlich gezeigt, wie eine Spannungsmessung von Upv+ (zu Upv-) durchgeführt werden kann. Dabei sind die Eingänge Upv+ und Upv- über einen durch die Widerstände R3 und R4 gebildeten Spannungsteiler verbunden. Zwischen den beiden Widerständen R3 und R4 führt eine Verbindung zu einem Differenzverstärker Diff, dessen anderes Ende bei dem Eingang Upv- verbunden ist. Vorzugsweise ist der Widerstand R4 erheb ¬ lich kleiner (z.B. eine oder mehrere Größenordnungen) als der Widerstand R3, damit am Differenzverstärker Diff eine ver ¬ gleichsweise geringe Spannung anliegt. Der Differenzverstär ¬ ker Diff ist mit einem Analog-Digital-Wandler ADC(O) verbun ¬ den, welcher ein digitales Signal erzeugt, welches an einem Eingangskanal ChO des Mikrokontrollers uC anliegt. Dieses Signal ist ein Maß für die Spannung von Upv+ zu Upv-, wobei die den Spannungsteiler bildenden Widerstände R3 und R4 be ¬ kannt sind und für die Berechnung der Spannung durch den Mik- rokontroller uC verwendet werden. Parallel wird wie in Figur 1 beschrieben der Fehlerstrom gemessen und das entsprechende Signal an den Mikrokontroller uC übermittelt. Dieses Signal liegt an einem anderen Eingang bzw. Kanal des Mikrokontrol- lers uC an, welcher hier mit Chi benannt ist.

In Figur 8 ist der mit den Widerständen R3 und R4 gebildete Spannungsteiler zwischen der Energiequelle und den Meßwider ¬ ständen Rshunt+ und Rshunt- angeordnet. Der Spannungsteiler kann alternativ auch auf der anderen Seite der Meßwiderstände Rshunt+ und Rshunt- angeordnet werden.

Erfindungsgemäß ist somit eine einfache Fehlerstrommessung mit nachgeschaltetem Differenzverstärker beschrieben. Ein Ab ¬ zug des wesentlich höheren Betriebsstromes und der damit einhergehenden Ungenauigkeiten ist nicht nötig. Außerdem kann mit dieser Anordnung der Erdisolationswiderstand gemessen werden. Die Anordnung ermöglicht eine kostengünstige AD- Wandlung mit weniger Wandeltiefe (Bits) . Aufgrund dieser ein ¬ fachen Lösung ergibt sich neben einer besseren Robustheit ei- ne günstigere Kostenposition.

Die Erfindung wurde im Kontext von Solar-Mikro-Wechselrich- tern beschrieben, wo sie besonders vorteilhaft einsetzbar ist. Sie ist aber keineswegs auf dieses Einsatzgebiet be- schränkt, sondern generell für Schaltkreise geeignet, bei de ¬ nen eine Fehlerstrommessung erfolgen soll.