WO2009030305A1 - Device for identifying an asymmetrical load in a three-phase system - Google Patents

Device for identifying an asymmetrical load in a three-phase system Download PDF

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WO2009030305A1
WO2009030305A1 PCT/EP2008/005712 EP2008005712W WO2009030305A1 WO 2009030305 A1 WO2009030305 A1 WO 2009030305A1 EP 2008005712 W EP2008005712 W EP 2008005712W WO 2009030305 A1 WO2009030305 A1 WO 2009030305A1
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WO
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voltage information
module
proportional
information
auxiliary voltage
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Application number
PCT/EP2008/005712
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ingo Baetz
Waldemar Lau
Original Assignee
Abb Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/16—Measuring asymmetry of polyphase networks

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting a load unbalance in a three-phase network, wherein the rectified time course of a three-phase electric current is provided by a three-phase three-phase line as a proportional input voltage information.
  • the load of a power supply network is symmetrical, that is, the alternating currents through the individual supply lines have the same frequency, are equal in magnitude and between the individual supply lines in each case by 120 ° against each other.
  • the voltage is characterized in a symmetrical power supply network, namely that the voltages of the three supply lines at a measuring point with respect to a reference point the same frequency, the same amplitude, however, have a phase shift of 120 ° to each other.
  • the currents of the three supply lines add up to zero through a common return conductor.
  • the unbalanced state of a power supply network is usually caused by a load imbalance, that is, the three individual supply lines are flowed through by different amounts of currents, which possibly leads to undesirable balancing effects.
  • the currents through the three supply lines no longer add up to zero in their common return line.
  • Such an asymmetrical state is in any case undesirable in a pure energy supply network, but tolerable to a certain extent, for example if the currents through the various supply lines do not differ in magnitude by more than 20%.
  • An asynchronous motor is a three-phase electrical load which, due to the symmetrical mechanical construction of the windings, is considered to be ideally symmetrical.
  • a load imbalance in an asynchronous motor is therefore a criterion for the presence of an error.
  • asynchronous motors are fed via adapted to them three-phase inverter, which generate three mutually offset by 120 ° sinusoidal voltages, which are variable in their frequency and their amplitude depending on the operating condition of the A synchronous motor to be achieved.
  • Asynchronous motors can have rated values of a few kW up to several MW. The rated speeds at which the maximum frequency of the supply voltage to be generated is indirectly oriented are within a speed range of up to 10000 min -1 .
  • asynchronous motors can also be connected to the electrical supply network with, for example, a frequency of 50 Hz or 60 Hz without using an inverter be, with the control options are then very limited.
  • thermal overload relays For fault detection in asynchronous motors, various protective devices are customary according to the prior art, in particular thermal overload relays. These are usually based on the phased measurement of the current through the three-phase supply lines of an asynchronous motor, wherein the error detection criterion is that the rms value of the current over a certain period of time exceeds a predetermined limit. This can be achieved, for example, by heating a bimetallic strip in which a thermal input takes place through a current flow.
  • a disadvantage of this approach is in particular that only the exceeding of a limiting current is detected, so that any errors with a fault current below the limit current, which may occur, for example, in a little loaded asynchronous motor, are not recognized.
  • the error detection according to the prior art in an unregulated asynchronous motor proves to be difficult, since this requires during startup an increased starting current, which can significantly exceed its rated current.
  • a increased threshold of the current and / or an extended time constant chosen so that the sensitivity of the protection is thereby adversely reduced.
  • the input voltage information has an approximately piecewise sinusoidal course and is composed in the symmetrical load case over a period which results from the reciprocal of the signal frequency, for example, 20ms at 50Hz, from the stringing together of 6 summits of a sine function.
  • the number 6 results from the phase shift of 120 ° of the individual currents and the rectification of the respective negative half-wave of the sine function, so that the 6 peaks each have a distance of 60 ° to each other.
  • a drop below the input voltage information below the value of 85% of the respective maximum value can be considered as a criterion for a possible unbalanced load, as will be explained later in an example.
  • the maximum value of the first voltage information finds its equivalent in the first auxiliary voltage information formed by the maximum value module.
  • the maximum value module downstream of a proportional module, with the aid of one of the first auxiliary voltage information proportional second auxiliary voltage information is available, for example, 50% of the second auxiliary voltage information ,
  • a first voltage information value is obtained if the input voltage information falls below the second auxiliary voltage information, this being a criterion for the presence of an unbalanced load. If there is no shortfall, a second voltage information value is provided by the comparison module.
  • the three phase currents can be detected in phases by means of a three-phase current line by means of a measuring module and converted into a respective first, second and third proportional measuring current information.
  • a downstream rectifier module converts this measuring current information into a fourth measuring current information.
  • the respectively largest measurement current information values of the first, second and third measurement current information are provided as fourth measurement current information. This is by means of a turn downstream converter module in a proportional thereto Span- conversion information and is the above-mentioned maximum value module or the comparison module as an input variable available.
  • real voltages can be used as voltage information and real currents as current information.
  • the measurement current and voltage information is exchanged as data values between the modules. This is particularly advantageous when programmable electrical circuits or data processing systems are available on which the modules can be realized at least partially in the form of program modules. This also allows the simple integration of additional functionalities, such as the model-based determination of the heating of an asynchronous motor based on measured currents.
  • a proportionality factor of the proportionality module can be set, which is formed by the ratio of its output voltage information values to its input voltage information values.
  • a second proportional module which has an adjustable proportionality factor, is connected upstream of the one input of the comparison module to which the input voltage information has originally been supplied. In this way, another possibility is realized to vary the sensitivity of the device.
  • the comparison module is followed by an evaluation module, which analyzes the time profile of the output voltage information over a certain period of time and initiates a switch-off process of at least one load supplied by the supply line upon detection of a unbalanced load.
  • the modular design of the device in a plurality of housings if further functionalities are to be realized for the further protection and / or monitoring of one or more electrical loads.
  • These functionalities rely on part of the measurement current and / or voltage information present in the device, for example the output of the maximum value module.
  • a device in which the module for current detection is arranged in a separate housing and the measuring current information via a plug-in connection to other modules are transferable, for example, on the one hand an inventively consisting of the described modules device and also one arranged in a separate housing and not described in detail for determining the thermal heating of a load, while For example, an asynchronous motor, but such devices are known in the art.
  • Such a construction reduces the number of required individual modules and / or components in the overall system.
  • additional functionalities are integrated into the same housing as the device according to the invention. This is particularly favorable if several functionalities are desired together, for example, a load unbalance protection and protection against thermal heating in an asynchronous motor.
  • the number of housings used is further reduced in a favorable manner.
  • the housing in which individual and / or a plurality of modules and / or components are arranged as flexible connection options for example, at least one screwable and / or clampable connection option.
  • a common, pluggable connection bus system for information, power and / or voltage transmission is conceivable.
  • the modular design makes it possible to further reduce the handling of one or more housings.
  • FIG. 2 shows a further detail circuit of a device according to the invention for detecting a load imbalance based on standard components
  • Fig. 3 shows an example of the course of an input voltage information over time at a symmetrical load and a frequency of 50Hz and
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a device 10 according to the invention, which represents the signaling connection between the individual, even adjacent, modules.
  • a three-phase supply line 99 connects an electrical load, not shown, with an electrical energy source, not shown.
  • a module for current detection 11, for example a current transformer generates a first 31, a second 32 and a third 33 measuring current information in accordance with the currents flowing through the three phases of the supply line 99.
  • these three measuring current information have a sinusoidal course over time, are equal in magnitude and shifted with respect to their phase angle by 120 ° to each other.
  • the frequency of the measuring currents represented by the measuring current information can be between less than 10 Hz and more than 10 kHz.
  • measuring current information 31, 32, 33 are fed to a rectifying module 12, which at its output in the form of a fourth measuring current information 34 provides the respectively highest measured current information value.
  • a rectifying module 12 which at its output in the form of a fourth measuring current information 34 provides the respectively highest measured current information value.
  • this is done for example via a B6 rectifier.
  • the fourth measuring current information 34 is converted in a converter module 13 into a proportional voltage information 35.
  • a proportional voltage information 35 In the case of a real electric current, this can be done for example via a measuring resistor through which a real measuring current 34 flows and generates a proportional voltage drop across the measuring resistor.
  • the voltage information 35 are digitized values, ie pure data values, purely mathematical multiplication by means of a programmable integrated circuit is possible, as described below.
  • These data values are then processed, for example, in the form of integrated, programmable circuits, so-called ASICS, in which case the described functionalities of a plurality of individual modules can advantageously be combined.
  • the voltage information 35 is supplied to a maximum value module 14, which as an output variable in the form of a first auxiliary voltage information 36 provides a maximum value of the input voltage information 35 over an immediately preceding period of, for example, a few seconds.
  • This voltage information value is a measure of how high the maximum value of one of the three measuring current information 31, 32, 33 is over a previously considered period of time and serves as a reference value in order to make possible any differences in the magnitude of the individual measuring current information to one another. In the case of real voltage values, this can be achieved, for example, by means of a capacitor, a discharge resistor and a diode. The discharge resistor serves to realize the time window within which the maximum value tion, for example a few seconds.
  • a further embodiment of a further maximum value module is explained below by means of an example.
  • the first auxiliary voltage information 36 is converted into a proportional second auxiliary voltage information 37 in a proportional module 15 and supplied to a comparison module 16 together with the input voltage information 35.
  • the ratio of the second auxiliary voltage information 37 to the first auxiliary voltage information 36 is predetermined by the proportional module 15, for example between the values 50% and 85% and influences the error sensitivity of the device 10 according to the invention. The lower this ratio, the less sensitive is the sensitivity to errors compared to a possible one unbalanced load.
  • the comparison module 16 outputs as output an output voltage information 38, from which then a possible unbalance of the load or a unbalanced load can be derived, as will be shown later by way of example.
  • FIG 2 shows an embodiment 20 of the device according to the invention for detecting a consumer unbalance with a further maximum value module 24, a further proportional module 25 and a further comparison module 26.
  • the modules 14, 15 and 16 which are shown in FIG are.
  • the individual modules in this example have electronic standard components, for example a resistor, a capacitor, a diode or a differential amplifier.
  • a resistor for example a resistor, a capacitor, a diode or a differential amplifier.
  • the input variable is a real input voltage 45, which is supplied to the further maximum value module 24.
  • This consists of three resistors R1, R2 and R3, a diode D1, a capacitor C1 and a first differential amplifier N1, wherein the maximum value determination via the capacitor C1 and the diode D1 is realized.
  • the output of the further maximum value module 24 is a real first auxiliary voltage 46.
  • the real voltages which are part of the input variable.
  • the further proportional module 25 is realized as shown in FIG. 2 as a voltage divider, which consists of the two resistors R4 and R5 and whose output is a real second auxiliary voltage 47.
  • the ratio of the resistance R5 to the sum value of R4 and R5 describes the ratio between the second auxiliary voltage 47 and the first auxiliary voltage 46.
  • the resistors R4 and R5 are identical to choose, for example, 100 k ⁇ .
  • the further comparison module 26 consists in this example of two resistors R6 and R7 and a second differential amplifier N2 in a standard interconnection.
  • the output of the device shown here is a real voltage 48, which can assume a respectively first voltage value or a second voltage value and from which the presence of a load imbalance can be derived.
  • FIG. 3 shows the time profile of the rectified input voltage information 35 in the case of a symmetrical load at a frequency of 50 Hz according to the example from FIG. 1. This results in a period length of 20 ms for this example, which corresponds to a phase angle of 360 °.
  • the minimum voltage information value over the time period shown is approximately 85% of the maximum value over the time period shown. This corresponds to the cosine function of the angle of 30 °, since the input voltage information 35 over a period length is composed of 6 summits of a sine function, each peak covering a range of 60 °. The angular distance of a summit maximum to the adjacent minimum value thus results in 30 °.
  • 11 4 schematically shows the time course of the input voltage information 35, the second auxiliary voltage information 37 and the output voltage information 38 in the event of a phase failure according to the example of FIG. 1.
  • Minimum voltage information in this example is approximately 50% of the maximum value, which is the value is the cosine function of 60 °, where 60 ° is the angular distance from the center of a sine group to the adjacent minimum value.
  • the second auxiliary voltage information is set by means of the proportional module to also about 50% of the maximum value of the input voltage information 35.
  • a load imbalance is detected because the input voltage information 35 takes partially smaller values than the approximately constant second auxiliary voltage information 37.
  • the output voltage information 38 assumes a minimum first value in this case, or in the other possible case, if not underrun , a maximum value.
  • a subordinate and not shown evaluation module also evaluates the output voltage information.
  • a one-time slight undershooting of the input voltage information under the second auxiliary voltage information within a period of several seconds is not based on a real unbalanced load. This can be caused, for example, by stochastic fluctuations or measurement errors. Accordingly, to avoid possible false triggering by the possibly downstream evaluation module, it is expedient to regard a load imbalance as detected only in the case when there is at least one repeated undershoot, for example at least ten undershoots within a maximum of one second. Alternatively, such a possible false triggering can also be avoided by reducing the sensitivity of the device by means of a suitable choice of the proportionality factor of the proportional module (15, 25), for example 75% or less.
  • the voltage information values are real voltages, they preferably move within the voltage band usual for comparable circuits, for example between OV and 10V.
  • Symmetry further maximum value module further proportional module further comparison module first measuring current information second measuring current information third measuring current information fourth measuring current information

Abstract

The invention relates to a device (10) for identifying an asymmetrical load in a three-phase system, the rectified temporal course of a three-phase electric current through a three-phase system line (99) being provided as input voltage information (35, 45) proportional to said course. The device is characterised in that: the input voltage information (35, 45) is supplied to a maximum value module (14, 24); the maximum value module (14, 24) provides first auxiliary voltage information (36, 46) corresponding to an approximately constant peak value for the input voltage information (35, 45) in a predefinable interval; the first auxiliary voltage information (36, 46) is supplied to a proportional module (15, 25); the proportional module (15, 25) outputs/provides second auxiliary voltage information (37, 47) that is proportional to the first auxiliary voltage information (36, 46); the input voltage information (35, 45) and the second auxiliary voltage information (37, 47) are supplied to a comparison module (16, 26), which provides output voltage information (38, 48) containing details about the asymmetrical load.

Description

Vorrichtung zur Erkennung einer Lastunsymmetrie in einem Drehstromnetz Device for detecting a load unbalance in a three-phase network
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung einer Lastunsymmetrie in einem Drehstromnetz, wobei der gleichgerichtete zeitliche Verlauf eines dreiphasigen elektrischen Stromes durch eine dreiphasige Drehstromleitung als eine dazu proportionale Eingangsspannungsinformation bereitgestellt ist.The invention relates to a device for detecting a load unbalance in a three-phase network, wherein the rectified time course of a three-phase electric current is provided by a three-phase three-phase line as a proportional input voltage information.
Es ist allgemein bekannt, dass Drehstromnetze im Energieversorgungsbereich drei verschiedene Versorgungsleitungen aufweisen, an denen sogenannte dreiphasige Lasten angeschlossen werden. Im Idealfall ist die Belastung eines Energieversorgungsnetzes symmetrisch, das heißt, die Wechselströme durch die einzelnen Versorgungsleitungen haben dieselbe Frequenz, sind betragsmäßig gleich und zwischen den einzelnen Versorgungsleitungen jeweils um 120° gegeneinander verschoben. In analoger Weise ist die Spannung in einem symmetrischen Energieversorgungsnetz charakterisiert, nämlich dass die Spannungen der drei Versorgungsleitungen an einem Messpunkt gegenüber einem Bezugspunkt dieselbe Frequenz, dieselbe Amplitude jedoch eine Phasenverschiebung von jeweils 120° zueinander aufweisen. In diesem symmetrischen Fall addieren sich die Ströme der drei Versorgungsleitungen durch einen gemeinsamen Rückleiter zu Null.It is well known that three-phase networks in the power supply area have three different supply lines to which so-called three-phase loads are connected. Ideally, the load of a power supply network is symmetrical, that is, the alternating currents through the individual supply lines have the same frequency, are equal in magnitude and between the individual supply lines in each case by 120 ° against each other. In an analogous manner, the voltage is characterized in a symmetrical power supply network, namely that the voltages of the three supply lines at a measuring point with respect to a reference point the same frequency, the same amplitude, however, have a phase shift of 120 ° to each other. In this symmetrical case, the currents of the three supply lines add up to zero through a common return conductor.
Der unsymmetrische Zustand eines Energieversorgungsnetzes wird zumeist durch eine Lastunsymmetrie hervorgerufen, das heißt, die drei einzelnen Versorgungsleitungen werden von betragsmäßig verschiedenen Strömen durchflössen, was gegebenenfalls zu unerwünschten Ausgleichseffekten führt. Die Ströme durch die drei Versorgungsleitungen addieren sich in ihrem gemeinsamen Rückleiter nicht mehr zu null. Ein solcher unsymmetrischer Zustand ist in einem reinen Energieversorgungsnetz in jedem Fall unerwünscht, aber bis zu einem gewissen Maß tolerierbar, beispielsweise, wenn sich die Ströme durch die verschiedenen Zuleitungen betragsmäßig nicht um mehr als 20% voneinander unterscheiden. Ein Asynchronmotor ist eine dreiphasige elektrische Last, die aufgrund des symmetrischen mechanische Konstruktionsaufbaus der Wicklungen als ideal symmetrisch anzusehen ist. Eine Lastunsymmetrie bei einem Asynchronmotor ist deshalb ein Kriterium für das Vorhandensein eines Fehlers. Üblicherweise werden Asynchronmotoren über auf sie angepasste dreiphasige Wechselrichter gespeist, welche drei um jeweils 120° gegeneinander versetzte sinusförmige Spannungen erzeugen, welche in ihrer Frequenz und ihrer Amplitude je nach zu erzielendem Betriebszustand des A- synchronmotors veränderbar sind. Asynchronmotoren können Anschlusswerte von wenigen kW bis hin zu mehreren MW aufweisen. Die Nenndrehzahlen, an denen sich indirekt auch die maximale Frequenz der zu erzeugenden Versorgungsspannung orientiert, liegen in einem Drehzahlbereich von bis zu 10000 min"1. Asynchronmotoren können aber auch ohne Verwendung eines Wechselrichters an das elektrische Versorgungsnetz mit beispielsweise einer Frequenz von 50Hz oder 60Hz angeschlossen werden, wobei die Regelungsmöglichkeiten dann sehr eingeschränkt sind.The unbalanced state of a power supply network is usually caused by a load imbalance, that is, the three individual supply lines are flowed through by different amounts of currents, which possibly leads to undesirable balancing effects. The currents through the three supply lines no longer add up to zero in their common return line. Such an asymmetrical state is in any case undesirable in a pure energy supply network, but tolerable to a certain extent, for example if the currents through the various supply lines do not differ in magnitude by more than 20%. An asynchronous motor is a three-phase electrical load which, due to the symmetrical mechanical construction of the windings, is considered to be ideally symmetrical. A load imbalance in an asynchronous motor is therefore a criterion for the presence of an error. Usually, asynchronous motors are fed via adapted to them three-phase inverter, which generate three mutually offset by 120 ° sinusoidal voltages, which are variable in their frequency and their amplitude depending on the operating condition of the A synchronous motor to be achieved. Asynchronous motors can have rated values of a few kW up to several MW. The rated speeds at which the maximum frequency of the supply voltage to be generated is indirectly oriented are within a speed range of up to 10000 min -1 . However, asynchronous motors can also be connected to the electrical supply network with, for example, a frequency of 50 Hz or 60 Hz without using an inverter be, with the control options are then very limited.
Zur Fehlererkennung bei Asynchronmotoren sind entsprechend dem Stand der Technik verschiedene Schutzvorrichtungen üblich, insbesondere thermische Überlastrelais. Diese beruhen zumeist auf der phasenweisen Messung des Stromes durch die Drehstromversorgungsleitungen eines Asynchronmotors, wobei das Fehlererkennungskriterium darin besteht, dass der Effektivwert des Stromes über einen bestimmten Zeitraum einen zuvor festgelegten Grenzwert übersteigt. Dies ist beispielsweise mittels der Erwärmung eines Bimetallstreifens realisierbar, in dem durch einen Stromfluss ein thermischer Eintrag erfolgt.For fault detection in asynchronous motors, various protective devices are customary according to the prior art, in particular thermal overload relays. These are usually based on the phased measurement of the current through the three-phase supply lines of an asynchronous motor, wherein the error detection criterion is that the rms value of the current over a certain period of time exceeds a predetermined limit. This can be achieved, for example, by heating a bimetallic strip in which a thermal input takes place through a current flow.
Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist insbesondere, dass lediglich das Überschreiten eines Grenzstromes erkannt wird, so dass eventuelle Fehler mit einem Fehlerstrom unterhalb des Grenzstromes, welche beispielsweise bei einem wenig belasteten Asynchronmotor auftreten können, nicht erkannt werden. Insbesondere die Fehlererkennung gemäß dem Stand der Technik bei einem ungeregelten Asynchronmotor erweist sich als schwierig, da dieser beim Hochlauf einen erhöhten Anfahrstrom benötigt, der dessen Nennstrom deutlich übersteigen kann. Um eine mögliche Fehlauslösung der Fehlererkennung zu vermeiden, werden üblicherweise ein erhöhter Grenzwert des Stromes und/oder eine verlängerte Zeitkonstante gewählt, so dass die Empfindlichkeit des Schutzes dadurch nachteilig reduziert wird.A disadvantage of this approach is in particular that only the exceeding of a limiting current is detected, so that any errors with a fault current below the limit current, which may occur, for example, in a little loaded asynchronous motor, are not recognized. In particular, the error detection according to the prior art in an unregulated asynchronous motor proves to be difficult, since this requires during startup an increased starting current, which can significantly exceed its rated current. In order to avoid a possible false triggering of the error detection, usually a increased threshold of the current and / or an extended time constant chosen, so that the sensitivity of the protection is thereby adversely reduced.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Erkennung einer Lastunsymmetrie, insbesondere bei einem Asynchronmotor, in einem Drehstromnetz anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet und eine eventuelle Lastunsymmetrie möglichst schnell erkennt.Based on this prior art, it is an object of the invention to provide a device for detecting a load unbalance, especially in an asynchronous motor, in a three-phase network, which avoids the disadvantages mentioned and detects a possible load imbalance as quickly as possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Erkennung einer Lastunsymmetrie in einem Drehstromnetz mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.This object is achieved by a device for detecting a load unbalance in a three-phase network with the features specified in claim 1.
Demgemäß kennzeichnet sich die Vorrichtung zur Erkennung einer Lastun Symmetrie in einem Drehstromnetz der eingangs genannten Art dadurch, dass die Eingangsspannungsinformation einem Maximalwertmodul zugeführt ist, dass durch das Maximalwertmodul eine erste Hilfsspannungsinformation bereitgestellt ist, welche einem näherungsweise konstant gehaltenen Spitzenwert der Eingangsspannungsinformation in einem vorgebbaren Zeitraum entspricht, dass die erste Hilfsspannungsinformation einem Proportionalmodul zugeführt ist, dass durch das Proportionalmodul eine zu der ersten Hilfsspannungsinformation proportionale zweite Hilfsspannungsinformation ausgegeben / bereitgestellt ist, dass die Eingangsspannungsinformation und die zweite Hilfsspannungsinformation jeweils einem Vergleichsmodul zugeführt sind, durch welches eine Angabe über die Lastunsymmetrie enthaltene Ausgangsspannungsinformation bereitgestellt ist.Accordingly, the device for detecting a load symmetry in a three-phase network of the type mentioned in that the input voltage information is supplied to a maximum value module, that the auxiliary value information is provided by the maximum value module, which corresponds to an approximately constant held peak value of the input voltage information in a predetermined period in that the first auxiliary voltage information is supplied to a proportional module, in that the proportional module outputs second auxiliary voltage information proportional to the first auxiliary voltage information, that the input voltage information and the second auxiliary voltage information are respectively supplied to a comparison module, by which an output voltage information contained about the load unbalance is provided is.
Die Eingangsspannungsinformation weist einen näherungsweise stückweise sinusförmigen Verlauf auf und setzt sich im symmetrischen Lastfall über eine Periode, welche sich aus dem Kehrwert der Signalfrequenz ergibt, bei 50Hz beispielsweise 20ms, aus der Aneinanderreihung von 6 Kuppen einer Sinusfunktion zusammen. Die Anzahl 6 ergibt sich aus der Phasenverschiebung von 120° der einzelnen Ströme und dem Gleichrichten der jeweils negativen Halbwelle der Sinusfunktion, so dass die 6 Kuppen jeweils einen Abstand von 60° zueinander aufweisen. Ein Unterschreiten der Eingangsspannungsinformation unter den Wert von 85% des jeweiligen Maximalwertes kann als Kriterium für eine mögliche Schieflast gewertet werden, wie später in einem Beispiel erläutert ist.The input voltage information has an approximately piecewise sinusoidal course and is composed in the symmetrical load case over a period which results from the reciprocal of the signal frequency, for example, 20ms at 50Hz, from the stringing together of 6 summits of a sine function. The number 6 results from the phase shift of 120 ° of the individual currents and the rectification of the respective negative half-wave of the sine function, so that the 6 peaks each have a distance of 60 ° to each other. A drop below the input voltage information below the value of 85% of the respective maximum value can be considered as a criterion for a possible unbalanced load, as will be explained later in an example.
Der Maximalwert der ersten Spannungsinformation findet seine Entsprechung in der ersten Hilfsspannungsinformation, welche durch das Maximalwertmodul gebildet wird.The maximum value of the first voltage information finds its equivalent in the first auxiliary voltage information formed by the maximum value module.
Um ein eventuelles Unterschreiten eines Wertes der Eingangsspannungsinformation unterhalb eines festzulegenden Prozentsatzes ihres Maximalwertes, höchstens aber 85%, zu ermitteln, ist dem Maximalwertmodul ein Proportionalmodul nachgeschaltet, mit dessen Hilfe eine der ersten Hilfsspannungsinformation proportionale zweite Hilfsspannungsinformation zur Verfügung steht, beispielsweise 50% der zweiten Hilfsspannungsinformation.In order to determine a possible undershooting of a value of the input voltage information below a fixed percentage of their maximum value, but not more than 85%, the maximum value module downstream of a proportional module, with the aid of one of the first auxiliary voltage information proportional second auxiliary voltage information is available, for example, 50% of the second auxiliary voltage information ,
Aus einem Vergleich der Eingangsspannungsinformation mit der zweiten Hilfsspannungsinformation durch das Vergleichsmodul erhält man einen ersten Spannungsin- formationswert, wenn die Eingangsspannungsinformation die zweite Hilfsspannungsinformation unterschreitet, wobei dies ein Kriterium für das Vorhandensein einer Schieflast ist. Sofern keine Unterschreitung vorliegt, wird vom Vergleichsmodul ein zweiter Spannungsinformationswert zur Verfügung gestellt.From a comparison of the input voltage information with the second auxiliary voltage information by the comparison module, a first voltage information value is obtained if the input voltage information falls below the second auxiliary voltage information, this being a criterion for the presence of an unbalanced load. If there is no shortfall, a second voltage information value is provided by the comparison module.
Somit ist es möglich, eine eventuelle Schieflast, insbesondere bei einem Asynchronmotor, auch unterhalb seines Nennstromwertes vergleichsweise schnell zu erkennen.Thus, it is possible to detect a possible unbalanced load comparatively quickly, even in the case of an asynchronous motor, even below its nominal current value.
In vorteilhafter weise sind die drei Phasenströme durch eine Drehstromleitung mittels eines Messmoduls phasenweise messtechnisch erfassbar und in jeweils eine erste, zweite und dritte proportionale Messstrom information umwandelbar. Ein nachgeschaltetes Gleichrichtmodul wandelt diese Messstrominformationen in eine vierte Messstrominformation um. Bei dieser Umwandlung werden die betragsmäßig jeweils größten Messstrominformationswerte der ersten, zweiten beziehungsweise dritten Messstrominformation als vierte Messstrom information bereitgestellt. Diese ist mittels eines wiederum nachgeordneten Konvertermoduls in eine dazu proportionale Span- nungsinformation umwandelbar und steht dem eingangs genannten Maximalwertmodul beziehungsweise dem Vergleichsmodul als Eingangsgröße zur Verfügung.Advantageously, the three phase currents can be detected in phases by means of a three-phase current line by means of a measuring module and converted into a respective first, second and third proportional measuring current information. A downstream rectifier module converts this measuring current information into a fourth measuring current information. In this conversion, the respectively largest measurement current information values of the first, second and third measurement current information are provided as fourth measurement current information. This is by means of a turn downstream converter module in a proportional thereto Span- conversion information and is the above-mentioned maximum value module or the comparison module as an input variable available.
In vorteilhafter Weise können als Spannungsinformationen reale Spannungen verwendet werden und als Strominformationen reale Ströme.Advantageously, real voltages can be used as voltage information and real currents as current information.
Auf diese Weise ist es möglich, die genannten Module mittels elektronischer Standardkomponenten zu realisieren und es ist beispielsweise ein besonders mechanisch robuster Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht. Zudem ermöglicht dies eine besonders einfache Herstellung der Module.In this way it is possible to realize said modules by means of electronic standard components and it is for example a particularly mechanically robust construction of the device according to the invention allows. In addition, this allows a particularly simple production of the modules.
Es ist jedoch auch innerhalb des Erfindungsgedankens, wenn die Messstrom- und Spannungsinformationen als Datenwerte zwischen den Modulen ausgetauscht werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn programmierbare elektrische Schaltkreise oder Datenverarbeitungsanlagen verfügbar sind, auf denen die Module zumindest teilweise in Form von Programmmodulen realisierbar sind. Dies ermöglicht zudem die einfache Integration weiterer Funktionalitäten, wie zum Beispiel die modellbasierte Ermittelung der Erwärmung eines Asynchronmotors anhand gemessener Ströme.However, it is also within the scope of the invention if the measurement current and voltage information is exchanged as data values between the modules. This is particularly advantageous when programmable electrical circuits or data processing systems are available on which the modules can be realized at least partially in the form of program modules. This also allows the simple integration of additional functionalities, such as the model-based determination of the heating of an asynchronous motor based on measured currents.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn ein Proportionalitätsfaktor des Proportionalitätsmoduls einstellbar ist, welcher durch das Verhältnis von dessen Ausgangsspan- nungsinformationswerten zu dessen Eingangsspannungsinformationswerten gebildet ist.It proves to be advantageous if a proportionality factor of the proportionality module can be set, which is formed by the ratio of its output voltage information values to its input voltage information values.
Somit ist es nämlich möglich, die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bezüglich der Erkennung einer möglichen Schieflast zu verändern.Thus, it is in fact possible to change the sensitivity of the device according to the invention with respect to the detection of a possible unbalanced load.
In einer weiteren Ausführungsform ist dem einen Eingang des Vergleichsmoduls, welchem ursprünglich die Eingangsspannungsinformation zugeführt ist, ein zweites Proportionalmodul vorgeschaltet, welches einen einstellbaren Proportionalitätsfaktor aufweist. Auf diese Weise ist eine weitere Möglichkeit realisiert, die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu variieren.In a further embodiment, a second proportional module, which has an adjustable proportionality factor, is connected upstream of the one input of the comparison module to which the input voltage information has originally been supplied. In this way, another possibility is realized to vary the sensitivity of the device.
In einer besonders günstigen Ausführungsform ist dem Vergleichsmodul noch ein Auswertemodul nachgeschaltet, welches den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannungsinformation über einen bestimmten Zeitraum analysiert und bei Erkennung einer Schieflast einen Abschaltvorgang wenigstens einer durch die Versorgungsleitung versorgten Last initiiert.In a particularly favorable embodiment, the comparison module is followed by an evaluation module, which analyzes the time profile of the output voltage information over a certain period of time and initiates a switch-off process of at least one load supplied by the supply line upon detection of a unbalanced load.
Dadurch wird eine durch die erfindungsgemäße Vorrichtung überwachte Last vor einer möglichen Überlast geschützt und die Stabilität des gesamten Versorgungsnetzes wird in positiver Weise beeinflusst.As a result, a load monitored by the device according to the invention is protected from a possible overload and the stability of the entire supply network is influenced in a positive manner.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden ein und/oder mehrere Module zusammen mit weiterhin für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung sinnvollen Komponenten, beispielsweise einer oder mehrerer Sicherungen, Schaltvorrichtungen und/oder Anzeigevorrichtungen, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.In one preferred embodiment, one and / or a plurality of modules together with components which continue to be useful for the use of the device according to the invention, for example one or more fuses, switching devices and / or display devices, are arranged in a common housing.
Auf diese Weise ist die Anzahl der zum Schutz und/oder Überwachen einer oder mehrerer elektrischer Lasten notwendigen Gesamtkomponenten reduziert und die Montage beziehungsweise die Wartung der Vorrichtung wird vereinfacht.In this way, the number of total components required to protect and / or monitor one or more electrical loads is reduced and the assembly or maintenance of the device is simplified.
Besonders günstig ist der modulare Aufbau der Vorrichtung in mehreren Gehäusen, wenn zum weiteren Schutz und/oder Überwachen einer oder mehrerer elektrischer Lasten weitere Funktionalitäten zu realisieren sind. Diese Funktionalitäten greifen auf einen Teil der in der Vorrichtung vorhandenen Messstrom- und/oder Spannungsinformationen zurück, beispielsweise auf den Ausgang des Maximalwertmoduls. Es ist auch eine Vorrichtung denkbar, bei der das Modul zur Stromerfassung in einem separaten Gehäuse angeordnet ist und dessen Messstrominformationen über eine steckbare Verbindung an weitere Module übertragbar sind, beispielsweise einerseits einer erfindungsgemäß aus den beschriebenen Modulen bestehenden Vorrichtung und zudem einer in einem separaten Gehäuse angeordneten und nicht im Detail beschriebenen Vorrichtung zur Ermittlung der thermischen Erwärmung einer Last, bei- spielsweise eines Asynchronmotors, wobei solche Vorrichtungen dem Fachmann jedoch bekannt sind.Particularly favorable is the modular design of the device in a plurality of housings, if further functionalities are to be realized for the further protection and / or monitoring of one or more electrical loads. These functionalities rely on part of the measurement current and / or voltage information present in the device, for example the output of the maximum value module. It is also conceivable a device in which the module for current detection is arranged in a separate housing and the measuring current information via a plug-in connection to other modules are transferable, for example, on the one hand an inventively consisting of the described modules device and also one arranged in a separate housing and not described in detail for determining the thermal heating of a load, while For example, an asynchronous motor, but such devices are known in the art.
Ein derartiger Aufbau reduziert die Anzahl der benötigten Einzelmodule und/oder Komponenten im Gesamtsystem.Such a construction reduces the number of required individual modules and / or components in the overall system.
In einer weiteren Ausführungsform sind zusätzliche Funktionalitäten in dasselbe Gehäuse integriert, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung. Dies ist insbesondere günstig, wenn mehrere Funktionalitäten gemeinsam gewünscht sind, beispielsweise ein Schieflastschutz und ein Schutz vor thermischer Erwärmung bei einem Asynchronmotor.In a further embodiment, additional functionalities are integrated into the same housing as the device according to the invention. This is particularly favorable if several functionalities are desired together, for example, a load unbalance protection and protection against thermal heating in an asynchronous motor.
So ist in günstiger Weise die Anzahl der verwendeten Gehäuse weiter reduziert.Thus, the number of housings used is further reduced in a favorable manner.
In einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes weisen die Gehäuse, in denen einzelne und/oder mehrere Module und/oder Komponenten angeordnet sind, möglichst flexible Anschlussmöglichkeiten auf, beispielsweise wenigstens eine schraubbare und/oder klemmbare Verbindungsmöglichkeit. Auch ein gemeinsames, steckbares Verbindungsbussystem zur Informations-, Strom- und/oder Spannungsübertragung ist denkbar.In a further embodiment of the subject invention, the housing in which individual and / or a plurality of modules and / or components are arranged as flexible connection options, for example, at least one screwable and / or clampable connection option. A common, pluggable connection bus system for information, power and / or voltage transmission is conceivable.
So lässt sich durch den modularen Aufbau die Handhabung eines oder mehrerer Gehäuse weiter reduzieren.The modular design makes it possible to further reduce the handling of one or more housings.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Further advantageous embodiment possibilities can be found in the further dependent claims.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.Reference to the embodiments illustrated in the drawings, the invention, further embodiments and other advantages will be described in detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine erste Prinzipschaltung zur Erkennung einer Lastunsymmetrie,1 shows a first principle circuit for detecting a load unbalance,
Fig. 2 eine weitere Detailschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung einer Lastunsymmetrie basierend auf Standardkomponenten,2 shows a further detail circuit of a device according to the invention for detecting a load imbalance based on standard components,
Fig. 3 ein Beispiel für den Verlauf einer Eingangsspannungsinformation über der Zeit bei einer symmetrischen Last und einer Frequenz von 50Hz undFig. 3 shows an example of the course of an input voltage information over time at a symmetrical load and a frequency of 50Hz and
Fig. 4 ein Beispiel für einen zeitlichen Verlauf der Eingangsspannungsinformation, der Ausgangsspannungsinformation und der zweiten Hilfsspannungsinfor- mation bei Ausfall einer Phase4 shows an example of a time profile of the input voltage information, the output voltage information and the second auxiliary voltage information in the event of a phase failure
Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, welches die signaltechnische Verbindung zwischen den einzelnen, auch angrenzenden, Modulen darstellt. Eine dreiphasige Versorgungsleitung 99 verbindet eine nicht dargestellte elektrische Last mit einer nicht gezeigten elektrischen Energiequelle. Ein Modul zur Stromerfassung 11 , beispielsweise ein Stromwandler, erzeugt entsprechend den durch die drei Phasen der Versorgungsleitung 99 fließenden Ströme eine erste 31 , eine zweite 32 und eine dritte 33 Messstrominformation. Im symmetrischen Lastfall weisen diese drei Messstrominformationen einen über die Zeit sinusförmigen Verlauf auf, sind betragsmäßig gleich und bezüglich ihres Phasenwinkels um jeweils 120° gegeneinander verschoben. Bei einem geregelten Asynchronmotor kann die Frequenz der durch die Messstrom information dargestellten Messströme zwischen weniger als 10Hz bis über 1OkHz betragen.Fig. 1 shows a schematic diagram of a device 10 according to the invention, which represents the signaling connection between the individual, even adjacent, modules. A three-phase supply line 99 connects an electrical load, not shown, with an electrical energy source, not shown. A module for current detection 11, for example a current transformer, generates a first 31, a second 32 and a third 33 measuring current information in accordance with the currents flowing through the three phases of the supply line 99. In the symmetrical load case, these three measuring current information have a sinusoidal course over time, are equal in magnitude and shifted with respect to their phase angle by 120 ° to each other. In the case of a controlled asynchronous motor, the frequency of the measuring currents represented by the measuring current information can be between less than 10 Hz and more than 10 kHz.
Bei einem Phasenausfall, beispielsweise aufgrund einer defekten Versorgungsleitung 99, fließt durch die betroffene Phase der Versorgungsleitung demzufolge kein Strom und durch die verbleibenden anderen Phasen jeweils ein Strom, dessen Größe von dem speisenden Netz beziehungsweise einem speisenden Wechselrichter abhängt. Im Falle eines einpoligen Kurzschlusses fließt durch die betroffene Phase der dreiphasigen Versorgungsleitung 99 ein erhöhter Strom.In the event of a phase failure, for example because of a defective supply line 99, no current flows through the affected phase of the supply line and a current whose remaining size depends on the supplying network or on a feeding inverter, respectively, through the remaining other phases. In the case of a single-pole short circuit flows through the affected phase of the three-phase supply line 99, an increased current.
Diese drei Messstrominformationen 31 , 32, 33 werden einem Gleichrichtmodul 12 zugeführt, welches an seinem Ausgang in Form einer vierten Messstrominformation 34 den jeweils betragsmäßig höchsten Messstrominformationswert zur Verfügung stellt. Im Falle realer elektrischer Messströme erfolgt dies beispielsweise über einen B6 Gleichrichter.These three measuring current information 31, 32, 33 are fed to a rectifying module 12, which at its output in the form of a fourth measuring current information 34 provides the respectively highest measured current information value. In the case of real electrical measuring currents, this is done for example via a B6 rectifier.
Die vierte Messstrom information 34 wird in einem Konvertermodul 13 in eine proportionale Spannungsinformation 35 umgewandelt. Im Falle eines realen elektrischen Stromes kann dies beispielsweise über einen Messwiderstand erfolgen, durch den ein realer Messstrom 34 fließt und an dem Messwiderstand einen proportionalen Spannungsabfall erzeugt.The fourth measuring current information 34 is converted in a converter module 13 into a proportional voltage information 35. In the case of a real electric current, this can be done for example via a measuring resistor through which a real measuring current 34 flows and generates a proportional voltage drop across the measuring resistor.
Alternativ ist beispielsweise für den Fall, dass die Spannungsinformation 35 digitalisierte Werte, also reine Datenwerte, sind, eine rein mathematische Multiplikation mittels einer programmierbaren integrierten Schaltung möglich, wie nachfolgend beschrieben. Dann werden diese Datenwerte beispielsweise in Form von integrierten, programmierbaren Schaltkreisen, sogenannten ASICS, verarbeitet, wobei dabei die beschriebenen Funktionalitäten mehrerer Einzelmodule vorteilhaft zusammenfassbar sind.Alternatively, for example, in the event that the voltage information 35 are digitized values, ie pure data values, purely mathematical multiplication by means of a programmable integrated circuit is possible, as described below. These data values are then processed, for example, in the form of integrated, programmable circuits, so-called ASICS, in which case the described functionalities of a plurality of individual modules can advantageously be combined.
Die Spannungsinformation 35 wird einem Maximalwertmodul 14 zugeführt, welches als Ausgangsgröße in Form einer ersten Hilfsspannungsinformation 36 einen Maximalwert der Eingangsspannungsinformation 35 über einen unmittelbar zuvor liegenden Zeitraum von beispielsweise einigen Sekunden zur Verfügung stellt. Dieser Spannungsinformationswert ist ein Maß dafür, wie hoch der Maximalwert einer der drei Messstrom Informationen 31 , 32, 33 über einen zuvor betrachteten Zeitraum ist und dient im weiteren als Referenzwert, um eventuelle betragsmäßige Abweichungen der einzelnen Messstrominformationen untereinander erkennbar zu machen. Bei realen Spannungswerten kann dies beispielsweise durch einen Kondensator, einen Entladewiderstand und eine Diode realisiert werden. Der Entladewiderstand dient hierbei zur Realisierung des Zeitfensters, innerhalb dessen die Maximalwertbetrach- tung erfolgen soll, beispielsweise einige Sekunden. Eine weitere Ausfϋhrungsform eines weiteren Maximalwertmoduls ist nachfolgend anhand eines Beispiels erläutert.The voltage information 35 is supplied to a maximum value module 14, which as an output variable in the form of a first auxiliary voltage information 36 provides a maximum value of the input voltage information 35 over an immediately preceding period of, for example, a few seconds. This voltage information value is a measure of how high the maximum value of one of the three measuring current information 31, 32, 33 is over a previously considered period of time and serves as a reference value in order to make possible any differences in the magnitude of the individual measuring current information to one another. In the case of real voltage values, this can be achieved, for example, by means of a capacitor, a discharge resistor and a diode. The discharge resistor serves to realize the time window within which the maximum value tion, for example a few seconds. A further embodiment of a further maximum value module is explained below by means of an example.
Die erste Hilfsspannungsinformation 36 wird in einem Proportionalmodul 15 in eine proportionale zweite Hilfsspannungsinformation 37 umgewandelt und zusammen mit der Eingangsspannungsinformation 35 einem Vergleichsmodul 16 zugeführt. Das Verhältnis der zweiten Hilfsspannungsinformation 37 zur ersten Hilfsspannungsinformation 36 ist durch das Proportionalmodul 15 vorgegeben, liegt beispielsweise zwischen den Werten 50% und 85% und beeinflusst die Fehlerempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Je geringer dieses Verhältnis ist, desto unempfindlicher ist die Fehlerempfindlichkeit gegenüber einer möglichen Schieflast.The first auxiliary voltage information 36 is converted into a proportional second auxiliary voltage information 37 in a proportional module 15 and supplied to a comparison module 16 together with the input voltage information 35. The ratio of the second auxiliary voltage information 37 to the first auxiliary voltage information 36 is predetermined by the proportional module 15, for example between the values 50% and 85% and influences the error sensitivity of the device 10 according to the invention. The lower this ratio, the less sensitive is the sensitivity to errors compared to a possible one unbalanced load.
Das Vergleichsmodul 16 gibt als Ausgangsgröße eine Ausgangsspannungsinformation 38 aus, aus welcher dann eine mögliche Unsymmetrie der Last oder eine Schieflast ableitbar ist, wie später anhand eines Beispiels gezeigt ist.The comparison module 16 outputs as output an output voltage information 38, from which then a possible unbalance of the load or a unbalanced load can be derived, as will be shown later by way of example.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung einer Verbraucherunsymmetrie mit einem weiteren Maximalwertmodul 24, einem weiteren Proportionalmodul 25 und einem weiteren Vergleichsmodul 26. Es besteht eine funktionelle Analogie zu den Modulen 14, 15 und 16, welche in Fig. 1 dargestellt sind. In vorteilhafter Weise weisen die einzelnen Module in diesem Beispiel elektronische Standardkomponente auf, beispielsweise einen Widerstand, einen Kondensator, eine Diode beziehungsweise einen Differenzverstärker. Durch Verwendung solcher Standardkomponenten ist ein gegenüber Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise mechanischen Schwingungen oder Temperaturschwankungen, besonders robuster Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet. Die Fertigung derartiger Vorrichtungen ist darüber hinaus sehr einfach durchzuführen.2 shows an embodiment 20 of the device according to the invention for detecting a consumer unbalance with a further maximum value module 24, a further proportional module 25 and a further comparison module 26. There is a functional analogy to the modules 14, 15 and 16, which are shown in FIG are. In an advantageous manner, the individual modules in this example have electronic standard components, for example a resistor, a capacitor, a diode or a differential amplifier. By using such standard components is a relation to environmental influences, such as mechanical vibrations or temperature fluctuations, particularly robust construction of the device according to the invention ensured. The manufacture of such devices is also very easy to perform.
Im gewählten Beispiel ist die Eingangsgröße eine reale Eingangsspannung 45, welche dem weiteren Maximalwertmodul 24 zugeführt wird. Dieses besteht aus drei Widerständen R1 , R2 und R3, einer Diode D1 , einem Kondensator C1 und einem ersten Differenzverstärker N1 , wobei die Maximalwertbestimmung über den Kondensator C1 und die Diode D1 realisiert ist. Die Ausgangsgröße des weiteren Maximalwertmoduls 24 ist eine reale erste Hilfsspannung 46. Die realen Spannungen, welcheIn the example chosen, the input variable is a real input voltage 45, which is supplied to the further maximum value module 24. This consists of three resistors R1, R2 and R3, a diode D1, a capacitor C1 and a first differential amplifier N1, wherein the maximum value determination via the capacitor C1 and the diode D1 is realized. The output of the further maximum value module 24 is a real first auxiliary voltage 46. The real voltages, which
10 in diesem Beispiel verwendet werden, liegen beispielsweise in dem für solche Schaltungen üblichen Bereich von OV bis 10V.10 used in this example are, for example, in the usual range for such circuits from OV to 10V.
Das weitere Proportionalmodul 25 ist gemäß Fig. 2 als Spannungsteiler realisiert, welcher aus den beiden Widerständen R4 und R5 besteht und dessen Ausgangsgröße eine reale zweite Hilfsspannung 47 ist. Das Verhältnis des Widerstandes R5 zu dem Summenwert aus R4 und R5 beschreibt das Verhältnis zwischen der zweiten Hilfsspannung 47 und der ersten Hilfsspannung 46. Zur Realisation eines Verhältnisses von 50% sind die Widerstände R4 und R5 identisch zu wählen, beispielsweise jeweils 100 kΩ.The further proportional module 25 is realized as shown in FIG. 2 as a voltage divider, which consists of the two resistors R4 and R5 and whose output is a real second auxiliary voltage 47. The ratio of the resistance R5 to the sum value of R4 and R5 describes the ratio between the second auxiliary voltage 47 and the first auxiliary voltage 46. To realize a ratio of 50%, the resistors R4 and R5 are identical to choose, for example, 100 kΩ.
Das weitere Vergleichsmodul 26 besteht in diesem Beispiel aus zwei Widerständen R6 und R7 sowie einem zweiten Differenzverstärker N2 in einer Standardverschaltung. Die Ausgangsgröße der hier dargestellten Vorrichtung ist eine reale Spannung 48, welche einen jeweils ersten Spannungswert oder einen zweiten Spannungswert annehmen kann und aus welcher das Vorhandensein einer Lastunsymmetrie ableitbar ist.The further comparison module 26 consists in this example of two resistors R6 and R7 and a second differential amplifier N2 in a standard interconnection. The output of the device shown here is a real voltage 48, which can assume a respectively first voltage value or a second voltage value and from which the presence of a load imbalance can be derived.
Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der gleichgerichteten Eingangsspannungsinformation 35 für den Fall einer symmetrischen Last bei einer Frequenz von 50Hz gemäß dem Beispiel aus Fig. 1. Hieraus ergibt sich für dieses Beispiel eine Periodenlänge von 20ms, welche einem Phasenwinkel von 360° entspricht. Der minimale Span- nungsinformationswert über den dargestellten Zeitraum beträgt etwa 85% des Maximalwertes über den dargestellten Zeitraum. Dies entspricht der Kosinusfunktion des Winkels von 30°, da die Eingangsspannungsinformation 35 über eine Periodenlänge aus 6 Kuppen einer Sinusfunktion zusammengesetzt ist, wobei jede Kuppe einen Bereich von 60° abdeckt. Der Winkelabstand eines Kuppenmaximums zum benachbarten Minimalwert ergibt sich damit zu 30°.3 shows the time profile of the rectified input voltage information 35 in the case of a symmetrical load at a frequency of 50 Hz according to the example from FIG. 1. This results in a period length of 20 ms for this example, which corresponds to a phase angle of 360 °. The minimum voltage information value over the time period shown is approximately 85% of the maximum value over the time period shown. This corresponds to the cosine function of the angle of 30 °, since the input voltage information 35 over a period length is composed of 6 summits of a sine function, each peak covering a range of 60 °. The angular distance of a summit maximum to the adjacent minimum value thus results in 30 °.
Ein Unterschreiten des Grenzwertes von 85% des Maximalwertes ist prinzipiell als Kriterium für das Vorhandensein einer Lastunsymmetrie anzusehen. Um durch Messfehler oder stochastische Schwankungen bedingte mögliche Fehlauslösungen zu vermeiden, sollte jedoch ein Wert kleiner als 85% gewählt werden, beispielsweise 75%.Falling below the limit of 85% of the maximum value is to be considered in principle as a criterion for the presence of a load unbalance. However, to avoid possible false triggering due to measurement errors or stochastic fluctuations, a value smaller than 85% should be selected, for example 75%.
11 Fig. 4 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Eingangsspannungsinformation 35, der zweiten Hilfsspannungsinformation 37 und der Ausgangsspannungsinformation 38 bei einem Ausfall einer Phase gemäß dem Beispiel aus Fig. 1. Eine minimale Spannungsinformation beträgt in diesem Beispiel in etwa 50% des Maximalwertes, was dem Wert der Kosinusfunktion von 60° entspricht, wobei 60° der Winkelabstand von dem Mittelpunkt einer Sinuskuppe zum benachbarten Minimalwert ist. Die zweite Hilfsspannungsinformation ist mittels des Proportionalmoduls auf ebenfalls ca. 50% des Maximalwertes der Eingangsspannungsinformation 35 eingestellt. In diesem Fall wird eine Lastunsymmetrie erkannt, weil die Eingangsspannungsinformation 35 teilweise kleinere Werte annimmt, als die annährend konstante zweite Hilfsspannungsinformation 37. Demgemäß nimmt die Ausgangsspannungsinformation 38 in diesem Fall einen minimalen ersten Wert an, oder im anderen möglichen Fall, wenn keine Unterschreitung gegeben ist, einen maximalen Wert. Ein nachgeordnetes und nicht gezeigtes Auswertemodul wertet darüber hinaus die ausgegebenen Spannungsinformationen aus.11 4 schematically shows the time course of the input voltage information 35, the second auxiliary voltage information 37 and the output voltage information 38 in the event of a phase failure according to the example of FIG. 1. Minimum voltage information in this example is approximately 50% of the maximum value, which is the value is the cosine function of 60 °, where 60 ° is the angular distance from the center of a sine group to the adjacent minimum value. The second auxiliary voltage information is set by means of the proportional module to also about 50% of the maximum value of the input voltage information 35. In this case, a load imbalance is detected because the input voltage information 35 takes partially smaller values than the approximately constant second auxiliary voltage information 37. Accordingly, the output voltage information 38 assumes a minimum first value in this case, or in the other possible case, if not underrun , a maximum value. A subordinate and not shown evaluation module also evaluates the output voltage information.
Durch Messfehler oder stochastische Schwankungen ist es möglich, dass eine einmalige, geringfügige Unterschreitung der Eingangsspannungsinformation unter die zweite Hilfsspannungsinformation innerhalb eines Zeitraumes von mehreren Sekunden nicht auf einer realen Schieflast basiert. Dies kann beispielsweise durch stochastische Schwankungen oder Messfehler bedingt sein. Demgemäß ist es zur Vermeidung möglicher Fehlauslösungen durch das eventuell nachgeordnete Auswertemodul zweckmäßig, eine Lastunsymmetrie erst in dem Fall als detektiert anzusehen, wenn zumindest eine wiederholte Unterschreitung vorliegt, beispielsweise mindestens zehn Unterschreitungen innerhalb maximal einer Sekunde. Alternativ lässt sich eine solche mögliche Fehlauslösung auch durch eine Reduktion der Empfindlichkeit der Vorrichtung mittels einer geeigneten Wahl des Proportionalitätsfaktors des Proportionalmoduls (15, 25) vermeiden, beispielsweise 75% oder geringer.Due to measurement errors or stochastic fluctuations, it is possible that a one-time slight undershooting of the input voltage information under the second auxiliary voltage information within a period of several seconds is not based on a real unbalanced load. This can be caused, for example, by stochastic fluctuations or measurement errors. Accordingly, to avoid possible false triggering by the possibly downstream evaluation module, it is expedient to regard a load imbalance as detected only in the case when there is at least one repeated undershoot, for example at least ten undershoots within a maximum of one second. Alternatively, such a possible false triggering can also be avoided by reducing the sensitivity of the device by means of a suitable choice of the proportionality factor of the proportional module (15, 25), for example 75% or less.
Für den Fall, dass die Spannungsinformationswerte reale Spannungen sind, bewegen diese sich vorzugsweise innerhalb des für vergleichbare Schaltungen üblichen Spannungsbandes, beispielsweise zwischen OV und 10V.In the event that the voltage information values are real voltages, they preferably move within the voltage band usual for comparable circuits, for example between OV and 10V.
12 Bezugszeichenliste12 LIST OF REFERENCE NUMBERS
Vorrichtung zur Erkennung einer LastunsymmetrieDevice for detecting a load unbalance
Messmodulmeasurement module
GleichrichtmodulRectifier module
Konvertermodulconverter module
MaximalwertmodulMaximum value module
Proportionalmodulproportional module
Vergleichsmodulcomparison module
Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erkennung einer VerbraucherunEmbodiment of a device for detecting a consumer
Symmetrie weiteres Maximalwertmodul weiteres Proportionalmodul weiteres Vergleichsmodul erste Messstrominformation zweite Messstrominformation dritte Messstrominformation vierte MessstrominformationSymmetry further maximum value module further proportional module further comparison module first measuring current information second measuring current information third measuring current information fourth measuring current information
Eingangsspannungsinformation erste Hilfsspannungsinformation zweite HilfsspannungsinformationInput voltage information first auxiliary voltage information second auxiliary voltage information
AusgangsspannungsinformationOutput voltage information
Eingangsspannung erste Hilfsspannung zweite HilfsspannungInput voltage first auxiliary voltage second auxiliary voltage
Ausgangsspannungoutput voltage
Wert der Spannungsinformation dreiphasige VersorgungsleitungValue of the voltage information three-phase supply line
17 17

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (10) zur Erkennung einer Lastunsymmetrie in einem Drehstromnetz wobei der gleichgerichtete zeitliche Verlauf eines dreiphasigen elektrischen Stromes durch eine dreiphasige Drehstromleitung (99) als eine dazu proportionale Eingangsspannungsinformation (35, 45) bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannungsinformation (35, 45) einem Maximalwertmodul (14, 24) zugeführt ist, dass durch das Maximalwertmodul (14, 24) eine erste Hilfsspannungsinformation (36, 46) bereitgestellt ist, welche einem näherungsweise konstant gehaltenen Spitzenwert der Eingangsspannungsinformation (35, 45) in einem vorgebbaren Zeitraum entspricht, dass die erste Hilfsspannungsinformation (36, 46) einem Proportionalmodul (15, 25) zugeführt ist, dass durch das Proportionalmodul (15, 25) eine zu der ersten Hilfsspannungsinformation (36, 46) proportionale zweite Hilfsspannungsinformation (37, 47) ausgegeben / bereitgestellt ist, dass die Eingangsspannungsinformation (35, 45) und die zweite Hilfsspannungsinformation (37, 47) jeweils einem Vergleichsmodul (16, 26) zugeführt sind, durch welches eine Angabe über die Lastunsymmetrie enthaltene Ausgangsspannungsinformation (38, 48) bereitgestellt ist.1. A device (10) for detecting a load imbalance in a three-phase network, wherein the rectified time profile of a three-phase electrical current through a three-phase three-phase line (99) is provided as a proportional input voltage information (35, 45), characterized in that the input voltage information (35 , 45) is fed to a maximum value module (14, 24) in that a first auxiliary voltage information (36, 46) is provided by the maximum value module (14, 24), which holds an approximately constant peak value of the input voltage information (35, 45) within a predefinable time period corresponds to the first auxiliary voltage information (36, 46) being fed to a proportional module (15, 25) in that a second auxiliary voltage information (37, 47) proportional to the first auxiliary voltage information (36, 46) is output by the proportional module (15, 25). provided that the input voltage information (35, 45) and the second auxiliary voltage information (37, 47) is supplied in each case to a comparison module (16, 26), by means of which an output voltage information (38, 48) contained about the load unbalance is provided.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Phasenströme durch eine Drehstromleitung (99) mittels eines Messmoduls (11 ) messtechnisch erfassbar und in jeweils eine erste (31 ), zweite (32) und dritte (33) proportionale Messstrominformation umwandelbar sind, dass mittels eines Gleichrichtmoduls2. Apparatus according to claim 1, characterized in that a plurality of phase currents through a three-phase line (99) by means of a measuring module (11) can be detected metrologically and in each case a first (31), second (32) and third (33) proportional measuring current information can be converted that by means of a rectifying module
(12) aus der ersten (31 ), zweiten (32) und dritten (33) Messstrominformation eine vierte Messstrominformation (34) generierbar ist, welche durch ein Konvertermodul(12) from the first (31), second (32) and third (33) measuring current information a fourth measuring current information (34) can be generated, which by a converter module
(13) in eine dazu proportionale Eingangsspannungsinformation (35, 45) umgewandelt ist, welche als Ausgangsgröße bereitgestellt ist.(13) is converted into proportional input voltage information (35, 45) provided as an output.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Eingangsspannungsinformation (35) und/oder eine Ausgangsspannungsinformation (38) und/oder eine Hilfsspannungsinformation (36, 37) eine reale elektrische Spannung und/oder wenigstens eine Strominformation (31 - 34) ein realer elektri-3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that at least one input voltage information (35) and / or output voltage information (38) and / or auxiliary voltage information (36, 37) a real electrical voltage and / or at least current information (31 -. 34) a real electrical
13 scher Strom und/oder wenigstens eine Spannungs- und/oder Strominformation (31 - 38) ein digitalisierter Wert ist.13 current and / or at least voltage and / or current information (31-38) is a digitized value.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen zweiter Hilfsspannungsinformation (37, 47) und erster Hilfs- spannungsinformation (36, 46) ein mittels des Proportionalmoduls (15, 25) einstellbarer Proportionalitätsfaktor gebildet ist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the second auxiliary voltage information (37, 47) and the first auxiliary voltage information (36, 46) is formed by means of the proportional module (15, 25) adjustable proportionality factor.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vergleichsmodul (16, 26), welchem die Eingangsspannungsinformation (35, 45) zugeführt ist, eingangsseitig ein zusätzliches Proportionalmodul vorgeschaltet ist, dessen Eingangsgröße die Eingangsspannungsinformation (35, 45) ist und durch das eine zur Eingangsspannungsinformation (35, 45) proportionale dritte Hilfsspannungsinformation als Eingangsgröße für das Vergleichsmodul (16, 26) bereitgestellt ist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the comparison module (16, 26), to which the input voltage information (35, 45) is supplied, upstream of the input side, an additional proportional module whose input is the input voltage information (35, 45) and in that a third auxiliary voltage information, which is proportional to the input voltage information (35, 45), is provided as an input variable for the comparison module (16, 26).
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vergleichsmodul (16, 26) ein Auswertemodul nachgeschaltet ist, durch welches ein Abschaltvorgang wenigstens einer angeschlossenen Last initiierbar ist.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the comparison module (16, 26) an evaluation module is connected downstream, by which a shutdown of at least one connected load can be initiated.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der genannten Module (11 - 16) wenigstens eine elektronische Einzelkomponente aufweist und/oder dass wenigstens eines der genannten Module (11 - 16) wenigstens einen integrierten Schaltkreis aufweist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of said modules (11-16) has at least one electronic component and / or that at least one of said modules (11-16) has at least one integrated circuit.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Module der genannten Module (11 - 16) in einem einzigen gemeinsamen Modul realisiert sind.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least two modules of said modules (11-16) are realized in a single common module.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der vorgenannten Module und/oder gegebenenfalls weitere Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the aforementioned modules and / or optionally further components are arranged in a common housing.
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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Verbindungselement für eine lösbare Verbindung, insbesondere klemmbare oder steckbare Schnellverbinder, angeordnet sind.10. The device according to claim 9, characterized in that at least connecting element for a detachable connection, in particular clampable or pluggable quick connector are arranged.
11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung einer Lastunsymmetrie das Verhältnis der Werte der zweiten Hilfsspannungsinformation (37, 47) zu den Werten der ersten Hilfsspan- nungsinformation (36) im Bereich von 50% bis 85%, vorzugsweise 75%, am Proportionalmodul (15, 25) vorgegeben ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that for detecting a load imbalance, the ratio of the values of the second auxiliary voltage information (37, 47) to the values of the first auxiliary voltage information (36) in the range of 50% to 85%, preferably 75%, on the proportional module (15, 25) is specified.
12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Modul als Programmprodukt auf einem programmierbaren elektrischen Schaltkreis oder einer Datenverarbeitungsanlagen realisiert ist.12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one module is realized as a program product on a programmable electrical circuit or a data processing equipment.
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