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In vielen Anwendungen von dreiphasig beschalteten Geräten ist es notwendig, eine Überwachung durchzuführen.
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Insbesondere bei dreiphasig betriebenen Elektromotoren wird auch die Asymmetrie der einzelnen Phasen überwacht, da hieraus Rückschlüsse über den Zustand des Motors bzw. seines Lastverhaltens folgen.
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Hierzu wurden bisher alle drei Phasen überwacht und aus den einzelnen gemessenen Phasen ein Kennwert bestimmt. Befand sich der Kennwert außerhalb eines spezifizierten Bereiches, so wurde die Abschaltung des Motors unmittelbar bewirkt.
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Ein solches Verfahren ist z. B. aus der
EP 2 083 493 bekannt. Dort wurde unter Zuhilfenahme der drei bestimmten Phasen zunächst ein Maximalstrom bestimmt und anschließend drei Asymmetriewerte bestimmt, welche gemeinsam in ein Motormodell einflossen.
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Ein solches Verfahren ist in mehrerlei Hinsicht aufwändig.
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Zum einen bedarf es Messungen aller drei Phasen, zum anderen bedarf es einer Vielzahl von Berechnungen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Stromasymmetrie bei dreiphasiger Beschaltung bereitzustellen, welches einen oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik auf erfinderische Weise löst.
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Zur Lösung schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung von Stromasymmetrie in Drehstromnetzen vor, welche eine erste Strommess-Einrichtung zur Messung einer ersten Phase und eine zweite Strommess-Einrichtung zur Messung einer zweiten Phase aufweist.
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Weiterhin weist die Vorrichtung eine Recheneinheit auf, welche aus der gemessenen ersten Phase und der gemessenen zweiten Phase einen Stromsymmetriewert der dritten Phase relativ zu der ersten Phase oder zweiten Phase bestimmt.
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In einer weiteren Ausführungsform bestimmt die Recheneinheit aus dem bestimmten Stromsymmetriewert der dritten Phase relativ zu der ersten oder zweiten Phase eine Abweichung zu einem spezifizierten Bereich.
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In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestimmt die Recheneinheit weiterhin aus der gemessenen ersten Phase und der gemessenen zweiten Phase einen Stromsymmetriewert der ersten Phase und der zweiten Phase.
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Darüber hinaus kann in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Recheneinheit aus dem bestimmten Stromsymmetriewert der ersten Phase und der zweiten Phase eine Abweichung zu einem spezifizierten Bereich bestimmt.
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In einer weiteren Fortbildung der Erfindung weist die Vorrichtung weiterhin eine Abschaltvorrichtung zur Abschaltung der ersten, zweiten und dritten Phase auf.
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In noch einer weiteren Fortbildung der Erfindung wird die Abschaltung durch die Recheneinheit bei Erkennung einer Stromasymmetrie außerhalb eines spezifizierten Bereiches bewirkt.
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Diese Abschaltung kann auch zeitversetzt bewirkt werden.
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Weiterhin kann in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Signalsierung einer erkannten Stromasymmetrie aufweist.
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Zur Lösung schlägt die Erfindung auch ein Verfahren zur Erkennung von Stromasymmetrie in Drehstromnetzen vor. Dieses Verfahren weist die Schritte des Messens eines Stroms einer ersten Phase und des Messens eines Stroms einer zweiten Phase auf.
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Weiterhin weist das Verfahren den Schritt des Bestimmens eines Stromsymmetriewertes der dritten Phase relativ zu der ersten oder zweiten Phase aus der gemessenen ersten Phase und der gemessenen zweiten Phase auf.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt des Bestimmens einer Abweichung des Stromsymmetriewertes der dritten Phase relativ zu der ersten oder zweiten Phase zu einem spezifizierten Bereich auf.
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In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren den Schritt des Bestimmens eines Stromsymmetriewertes der ersten Phase und der zweiten Phase aus der gemessenen ersten Phase und der gemessenen zweiten Phase auf.
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Darüber hinaus kann in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass das Verfahren weiterhin den Schritt des Bestimmens einer Abweichung aus dem bestimmten Stromsymmetriewert der ersten Phase und der zweiten Phase zu einem spezifizierten Bereich aufweist.
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In einer weiteren Fortbildung der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt des Abschaltens der ersten, zweiten und dritten Phase auf.
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In noch einer weiteren Fortbildung der Erfindung wird die Abschaltung bei Erkennung einer Stromasymmetrie außerhalb eines spezifizierten Bereiches bewirkt.
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Diese Abschaltung kann auch zeitversetzt bewirkt werden.
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Weiterhin kann in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass das Verfahren den Schritt des Signalisierens einer erkannten Stromasymmetrie aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert werden, in diesen zeigt
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1 eine Abbildung von Winkelbeziehungen zur Erläuterung des theoretischen Hintergrundes
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2 eine schematisch dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
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3 einen schematischen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Für das Verständnis der nachfolgenden Beschreibung wird zunächst angenommen, dass lediglich die Ströme I1 an Phase L1 und I3 an Phase L3 bestimmt werden, während eine Bestimmung des Stromes I2 an Phase L2 nicht erfolgt.
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Weiterhin wird angenommen, dass auch die Phasenlage der Ströme I1 und I3 zueinander als Phasenwinkel γ1 bereits bekannt oder bestimmt ist.
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Unter der Annahme, dass die Summe der Ströme I →1 + I →2 + I →3 = 0 ist, kann die in 1 dargestellte Winkelbeziehung aufgestellt werden, wobei Ĩ, und Ĩ lediglich Hilfsgrößen darstellen. Hierbei entspricht Ĩ mathematisch der Höhe des Dreiecks und Ĩ1 betragsmäßig der Projektion von I →3 auf I →1 .
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Physikalisch bedeutet die Annahme, dass sich die Ströme zu Null addieren, so dass kein Strom durch einen eventuell vorhandenen Erdschluss oder Neutralleiter fließt.
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Zwischen den Winkeln besteht nun die nachfolgende Beziehung: α1 + α2 = π β1 + β2 = π γ1 + γ2 = π
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Aus der Messgröße I3 und dem Winkel γ1 ergibt sich Ĩ = I3·sin(γ2) Ĩ1 = I3·cos(y2)
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Hieraus kann der messtechnisch nicht erfasste Strom I2 = √(Ĩ₁ – I₁)² + Ĩ² bestimmt werden.
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In erfassten Größen lautet diese Formel I2 = √(I₃·cos(γ₂) – I₁)² + (I₃·sin(γ₂))²
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Diese Stromgröße kann nun auf I3 normiert werden. Diese normierte Größe bezeichnet nachfolgend eine Stromasymmetrie N2,3.
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Hierbei ist ersichtlich, dass für den Fall, dass I3 = 0 ist, eine gesonderte Betrachtung nötig wäre.
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Für den Fall, dass I3 = 0 ist, ergibt sich I2 = √(0·cos(γ₂) – I₁)² + (0·sin(γ₂))² = I1.
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In gleicher Weise könnte auch eine Stromasymmetrie N1,2; N1,3 angegeben werden.
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Ausgehend von den anhand 1 dargestellten Überlegungen ist es nun möglich, eine Vorrichtung 10 zur Erkennung von Stromasymmetrie bei dreiphasiger Beschaltung L1, L2, L3 anzugeben.
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Diese weist wie in 2 dargestellt eine erste Strommess-Einrichtung S1 zur Messung einer ersten Phase 11, und eine zweite Strommess-Einrichtung S3 zur Messung einer zweiten Phase 13 auf. Natürlich kann auch jedes andere Phasenpaar zur Messung herangezogen werden.
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Geeignete Strom-Messeinrichtungen können induktiver oder ohmscher Natur sein.
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Weiterhin weist die Vorrichtung eine Recheneinheit ALU auf, welche aus der gemessenen ersten Phase und der gemessenen zweiten Phase einen Stromsymmetriewert N1,2 der dritten Phase L2 bezüglich der ersten Phase L1 oder Stromsymmetriewert N2,3 der dritten Phase L2 bezüglich zweiten Phase L3 wie zuvor dargestellt bestimmt.
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Eine solche Recheneinheit kann ein Microcontroller oder aber ein Mikroprozessor, ein ASIC oder ein FPGA sein.
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Weiterhin kann die Recheneinheit ALU zusätzlich aus dem bestimmten Stromsymmetriewert N1,2; N2,3 der dritten Phase bezüglich der ersten oder zweiten Phase eine Abweichung zu einem spezifizierten Bereich bestimmen.
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Diese Abweichung kann z. B. auf Ebene des Stromsymmetriewertes oder aber aus dem sich hieraus ergebenden Winkel bestimmt werden.
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Überschreitet oder unterschreitet der bestimmte Phasenwinkel γ eine bestimmte obere bzw. untere Grenze, so kann dies als Indiz für eine Fehlfunktion herangezogen werden.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Stromsymmetriewert N in einem Bereich von 0,75 < N < 1,25 oder 0,7 < N < 1,3 oder 0,8 < N < 1,2 oder 0,8 < N < 1,1 oder dergleichen sein soll.
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Weiterhin kann die Recheneinheit ALU aus der gemessenen ersten Phase und der gemessenen zweiten Phase einen Stromsymmetriewert N1,3 der ersten Phase und der zweiten Phase bestimmen.
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Mit Hilfe dieser Berechnung, welche direkt aus den Messwerten vorgenommen werden kann, ist bereits eine erste Symmetriebestimmung möglich. So kann bereits hier vorgesehen sein, dass der Stromsymmetriewert N in einem Bereich von 0,75 < N < 1,25 oder 0,7 < N < 1,3 oder 0,8 < N < 1,2 oder 0,8 < N < 1,1 oder dergleichen sein soll.
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Wird dergestalt eine Einschränkung des Wertebereiches durch N1,3 vorgenommen, ergibt sich auch eine Einschränkung des möglichen Wertebereiches für N1,2 bzw. N2,3.
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Eine solche Einschränkung erlaubt es auch den Stromsymmetriewert N1,2 N2,3 der dritten Phase bezüglich der ersten oder zweiten Phase anhand eines erlaubten Wertebereiches für 72 bestimmen.
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So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass γAP – 15° < γ2 < γAP + 15° oder γAP – 10° < γ2 < γAP + 10° oder aber γAP – 5° < γ2 < γAP ± 5° gewählt ist, wobei γAP ein zulässiger Phasenwinkel im Arbeitspunkt ist.
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Es versteht sich von selbst, dass der erlaubte Winkelbereich auch eine Funktion von N1,3 sein kann. So kann z. B. der Bereich auch dadurch ermittelt werden, dass die Grenzen in einem gewählten Arbeitsbereich als lineare Näherung der Cosinus-Funktion dargestellt werden können.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 10 eine Abschaltvorrichtung, z. B. in Form eines Öffners U1 für die Phase L1, eines Öffners U2 für die Phase L2 und eins Öffners U3 für die Phase L3 zur Abschaltung der jeweiligen Phase L1, L2, L3 aufweist.
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Ein solcher Öffner U1, U2, U3 kann beispielsweise als Schütz ausgeführt sein.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Abschaltung durch die Recheneinheit ALU bei Erkennung einer Stromasymmetrie außerhalb eines spezifizierten Bereiches – wie zuvor aufgezeigt – bewirkt wird.
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Diese Abschaltung kann auch zeitversetzt bewirkt werden. Hierdurch kann ein gewisser Nachlauf zur Verfügung gestellt werden. Auch ist es denkbar, den Zeitversatz als Funktion der Asymmetrie auszugestalten, so dass bei einer starken Asymmetrie eine eher zeitnahe bis unmittelbare Abschaltung bewirkt wird, während bei einer geringen Asymmetrie, z. B. bei leichter Überschreitung der Grenzen, z. B. im Bereich von 5%, eine bis in den Minutenbereich zeitverzögerte Abschaltung bewirkt wird.
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Auch ist es möglich, die Abschaltung von einem Andauern einer Asymmetrie abhängig zu machen, so dass kurzfristige Grenzüberschreitungen nicht als Fehler erkannt werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 10 über eine Einrichtung zur Signalsierung SIG einer erkannten Stromasymmetrie verfügt. Eine solche Einrichtung zur Signalsierung kann sowohl optischer, akustischer oder elektrischer Natur sein.
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Eine optische Einrichtung zur Signalsierung SIG kann beispielsweise eine opto-mechanische Anzeige, z. B. ein Anzeigefeld welches einen Farb- oder Kontrastwechsel aufweist, oder eine Kontrollleuchte sein.
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Eine akustische Einrichtung zur Signalsierung SIG kann beispielsweise ein Lautsprecher oder akustischer Signalgeber sein.
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Eine elektrische Einrichtung zur Signalsierung SIG kann beispielsweise eine Schnittstelle zu einem Bussystem, wie z. B. ein Feldbussystem, oder IP-Netz oder dergleichen sein.
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Aus dem zuvor Beschriebenen ergibt sich auch ohne Weiteres ein erfinderisches Verfahren zur Erkennung von Stromasymmetrie bei dreiphasiger Beschaltung. Dieses wird nachfolgend näher erläutert, wobei die Abfolge der Schritte soweit nicht anders angegeben grundsätzlich in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden kann.
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Ein solches Verfahren weist zunächst die Schritte des Messens 100 eines Stroms einer ersten Phase und Messens 200 eines Stroms einer zweiten Phase auf.
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Anschließend wird in einem Schritt 300 aus der gemessenen ersten Phase und der gemessenen zweiten Phase ein Stromsymmetriewert der dritten Phase relativ zu der ersten oder zweiten Phase bestimmt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird in einem Schritt 350 eine Abweichung des Stromsymmetriewertes der dritten Phase relativ zu der ersten oder zweiten Phase zu einem spezifizierten Bereich bestimmt.
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Optional kann das Verfahren auch in einem Schritt 400 einen Stromsymmetriewert der ersten Phase und der zweiten Phase aus der gemessenen ersten Phase und der gemessenen zweiten Phase bestimmen.
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Dieser Schritt
400 kann auch vor der Bestimmung des Schrittes
300 ausgeführt werden. Dann ergibt sich beispielsweise
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Zeitlich nachfolgend zu Schritt 400 kann auch in einem Schritt 450 eine Abweichung aus dem bestimmten Stromsymmetriewert der ersten Phase und der zweiten Phase zu einem spezifizierten Bereich bestimmt werden. Dieser Schritt 450 kann auch vor der Bestimmung des Schrittes 300 ausgeführt werden.
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So kann bereits hier vorgesehen sein, dass der Stromsymmetriewert N in einem Bereich von 0,75 < N < 1,25 oder 0,7 < N < 1,3 oder 0,8 < N < 1,2 oder 0,8 < N < 1,1 oder dergleichen sein soll.
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Wird dergestalt eine Einschränkung des Wertebereiches durch N1,3 vorgenommen ergibt sich auch eine Einschränkung des möglichen Wertebereiches für N1,2 bzw. N2,3.
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Eine solche Einschränkung erlaubt es auch den Stromsymmetriewert N1,2; N2,3 der dritten Phase bezüglich der ersten oder zweiten Phase anhand eines erlaubten Wertebereiches für γ2 bestimmen.
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So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass γAP – 15° < γ2 < γAP + 15° oder γAP – 10° < γ2 < γAP + 10° oder aber γAP – 5° < γ2 < γAP + 5° gewählt ist.
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Es versteht sich von selbst, dass der erlaubte Winkelbereich auch eine Funktion von N1,3 sein kann. So kann z. B. der Bereich auch dadurch ermittelt werden, dass die Grenzen in einem gewählten Arbeitsbereich als lineare Näherung der Cosinus Funktion dargestellt werden können.
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Das Verfahren kann auch vorsehen, dass in einem Schritt 600 die Phasen L1, L2 und L3. abgeschaltet werden.
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Diese Abschaltung 600 kann abhängig von der Erkennung einer Stromasymmetrie sein, welche in einem Schritt 500 erkannt wird.
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Diese Abschaltung 600 kann auch zeitversetzt bewirkt werden. Hierdurch kann ein gewisser Nachlauf zur Verfügung gestellt werden. Auch ist es denkbar, den Zeitversatz als Funktion der Asymmetrie auszugestalten, so dass bei einer starken Asymmetrie eine eher zeitnahe bis unmittelbare Abschaltung bewirkt wird, während bei einer geringen Asymmetrie, z. B. bei leichter Überschreitung der Grenzen, z. B. im Bereich von 5%, eine bis in den Minutenbereich zeitverzögerte Abschaltung bewirkt wird.
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Auch ist es möglich, die Abschaltung 600 von einem Andauern einer Asymmetrie abhängig zu machen, so dass kurzfristige Grenzüberschreitungen nicht als Fehler erkannt werden.
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In einem weiteren Schritt 700 kann vorgesehen sein, dass eine erkannte Stromasymmetrie durch geeignete Maßnahmen signalisiert wird.
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Eine solche Signalsierung kann sowohl optischer, akustischer oder elektrischer Natur sein.
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Eine optische Signalsierung kann beispielsweise eine opto-mechanische Anzeige, z. B. ein Anzeigefeld welches einen Farb- oder Kontrastwechsel aufweist, oder eine Kontrollleuchte sein.
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Eine akustische Signalsierung kann beispielsweise ein Signalton sein.
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Eine elektrische Signalsierung kann beispielsweise das Absetzen einer Meldung in einem geeigneten Bussystem, wie z. B. ein Feldbussystem, oder IP-Netz oder dergleichen sein oder aber eine Zustandsmeldung sein, welche aus der Ferne abgefragt wird.
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Es versteht sich von selbst, dass die vorbezeichneten Gedanken auch in anderen Anwendungsbereichen verwendet werden können und die Symmetrieerkennung nicht auf Ströme beschränkt ist, sondern beispielsweise auch auf Spannungen angewendet werden kann.
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Gleichermaßen ist die Erfindung – obwohl sie anhand eines Elektromotors eingeführt wurde – nicht auf den Schutz von Energieverbrauchern limitiert, sondern kann in gleicher Weise auch für Stromerzeuger eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung zur Erkennung von Stromasymmetrie
- L1, L2, L3
- Phase
- S1, S3
- Strommess-Einrichtung
- ALU
- Recheneinheit
- U1, U2, U3
- Abschaltvorrichtung
- SIG
- Einrichtung zur Signalsierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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