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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Schalter und insbesondere auf
Bogenfehlerschalter. Die Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren
zum Detektieren von Bogenbildungszuständen.
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Hintergrundinformation
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Wartungspersonal
muss oftmals an unter Spannung stehenden elektrischen Niederspannungsleistungsschaltungen
arbeiten, beispielsweise dann, wenn Schalter getestet werden. Die
Schaltungsunterbrecher oder Schalter besitzen Auslösefunktionen,
die derart ausgelegt sind, dass die Leistungsschaltungen gegenüber Überlastungen
und Überströmen geschützt sind. Diese
Auslösefunktionen umfassen typischerweise eine verzögerte
Auslösefunktion, die es gestattet, dass stromabwärts
gelegene Schalter näher am Fehler als erstes ansprechen,
um die Unterbrechung der Leistungsversorgung auf diesen Kreis zu
beschränken. Die verzögerte Auslösefunktion
gestattet auch zeitweise Überlastungen wie solche, die
mit dem Startstrom von relativ großen Motoren in Verbindung
stehen.
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Die
Koordination zwischen Schaltern kann dadurch verbessert werden,
dass das sogenannte Zonenverriegeln (zone interlocking) vorgesehen
wird, bei dem ein Schalter, der niedriger in der Protektions- oder Schutzhierarchie
angeordnet ist, ein Signal dann aussendet, wenn ein Fehler in einem
stromaufwärts gelegenen Schalter auftritt, um zeitweise
den Betrieb des letztgenannten Schalters zu blockieren, was dem
stromabwärts gelegenen Schalter Zeit zum Ansprechen gibt.
Das Nicht-Vorhandensein eines Zonenverriegelungssignals von dem
stromabwärts gelegenen Schalter zeigt an, dass der Fehler oberhalb
dieses Schalters liegt, wodurch gestattet wird, dass der stromaufwärts
gelegene Schalter relativ schneller anspricht als dann wenn sein Betrieb
temporär blockiert wäre.
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Oftmals
hat ein Leistungsschalter auch eine augenblickliche Auslösefunktion
(instantaneous trip function), die ohne Verzögerung anspricht
auf relativ hohe Ströme wie beispielsweise diejenigen,
die mit einem Kurzschluss in Verbindung stehen. Diese Schalter können
eine Erdfehlerauslösefunktion (ground fault trip function)
besitzen, die typischerweise auch eine Verzögerungszeit
umfasst.
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Wartungs-
und Testpersonal kann dann lebenden, das heißt unter Spannung
stehenden Anschlüssen ausgesetzt werden, wenn an erregten
Schaltern bzw. Schaltgetrieben gearbeitet wird oder dann, wenn daran Messungen
vorgenommen werden. Das Potenzial, das ein Bogenblitz sich aus einem
zufälligen Fehler entwickelt, macht es erforderlich, dass
dieses Personal Schutzkleidung trägt.
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U.S Patent 7,203,040 offenbart
einen Bogenreduktions-Wartungsschalter (arc reduction maintenance switch
= ARMS) zur Reduktion der Bogenblitzenergie und zur Reduktion der
Stärke der Bogenblitzaussetzung. Spezielle Auslösefunktionen
werden manuell mit einer Wartungsauslösefunktion übersteuert,
welche im Fall des Auftretens eines Fehlers die Bogenenergie reduziert.
Die manuell eingeschaltete und ausgeschaltete Wartungsauslösefunktion
reduziert die ”pickup”-Ströme der spezifizierten
Auslösefunktionen und/oder reduziert oder eliminiert die
Zeitverzögerungen von spezifizierten bzw. bestimmten Auslösefunktionen.
Beispielsweise wird die augenblickliche Auslösung von dem
zehnfachen auf den zweifachen Nennstrom reduziert, die Kurzverzögerungsaufnahme
oder ”Short delay pick up” wird von dem 8-fachen
auf das 1,5-fache des Nennstroms reduziert und die Kurzzeitverzögerung
wird von 0,5 Sekunden auf 0,050 Sekunden (praktisch keine Zeitverzögerung)
reduziert, der (Geräteschutz-)Erdfehler-pickup-(ground
fault pickup current-)Strom wird von dem 0,5-fachen auf das 0,2-fache
des Nennstroms reduziert und die Erdfehlerzeitverzögerung
(ground fault time delay) wird von 0,5 Sekunden auf 0,050 Sekunden
(im Wesentlichen keine Zeitverzögerung) reduziert. Ein
weiteres Beispiel ist das folgende: Die augenblickliche Auslösung
bzw. ”trip” wird von dem zehnfachen auf das vierfache
des Nennstroms reduziert, die Kurzverzögerungsaufnahme
bzw. der ”short delay pickup” wird von dem 8-fachen
auf das 3-fache des Nennstroms reduziert, die Kurzzeitverzögerung
von 0,5 Sekunden wird auf 0,050 Sekunden (im Wesentlichen keine
Zeitverzögerung) reduziert und der (Geräteschutz-)Erdfehler-”pickup” bzw.
-Aufnahmestrom wird von dem 0,5-fachen auf das 0,2fache des Nennstroms
reduziert und schließlich wird die Erdungsfehlerzeitverzögerung
(ground fault time delay) von 0,5 Sekunden auf 0,050 Sekunden (im Wesentlichen
keine Zeitverzögerung) reduziert.
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Der
ARMS reduziert die Bogenblitzenergie durch Absenken des Auslöseniveaus
(trip level) eines Fehlers und ist begrenzt auf Fehlerniveaus oder
Ausfallpegel (fault levels), die höher liegen als das ”frame
rating” eines Schalters mit gespritztem Gehäuse.
Der ARMS detektiert keine Bogenzustände bei Fehlerniveaus
und dem ”frame rating”. Er muss auch, wenn erforderlich,
aufgebaut werden und nach dem der Service vollendet ist, abgebaut
werden.
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Erdungsfehler
bzw. ground faults (wie beispielsweise Bogenblitze) oder die meisten
parallelen Bogenausfälle sind Kurzschlussereignisse, die
konventionelle industrielle Schalter detektieren und unterbrechen
können. Solche Schalter können aber zu langsam
auslösen, und zwar weil der Schalter in einigen Fällen
der Anforderung bzw. dem Erfordernis Widerstand entgegensetzt.
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Das
ist der Grund, warum der ARMS aufgebaut bzw. ”armed” werden
muss oder warum der Auslösepegel abgesenkt werden muss,
während der Service durchgeführt wird, um so zu
ermöglichen, dass der Schalter schneller auslöst
und den Fehler schneller unterbricht.
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In
industriellen Anwendungen können Fehlerschalterunterbrecher
(arc fault circuit interrupters = AFCI's) zu schnell bei einer ”Bogenbildung” auslösen,
die sich während einer Schaltung eines konventionellen Schalters
ergibt, was bis zu einem vollen Zyklus oder ähnlichem gehen
kann.
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Es
gibt die Gelegenheit Bogenfehlerschalter zu verbessern.
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Darüber
hinaus gibt es Raum für die Verbesserung der Verfahren
zum Detektieren von Bogenbildungszuständen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Notwendigkeiten und andere erfüllen die Ausführungsbeispiele
der Erfindung, die die Identifikation und die Auflösung
von sowohl relativ niedrigen als auch hohen Strombogenzuständen
behandeln wie beispielsweise bei losen Verbindungen, Bogenbildung
zur Erde, Phase-zu-Phase-Bogenbildung, Materialzusammenbruch (tracking)
und Bogenbildung in Beziehung stehend mit dem Systembefinden. Ein
Schalter fühlt Hochfrequenzstromsignale ab, die mit der
Bogenbildung assoziiert sind, um einen Bogenfehler oder einen Bogenblitz
zu detektieren und den Schaltungsunterbrecher (circuit interrupter)
auszulösen. Dieser detektiert somit Bogenzustände
bei verschiedenen Stromniveaus oder -pegeln und muss nicht aufgebaut
(armed) oder ”entwaffnet” bzw. abgebaut (disarmed)
werden. Der Schalterunterbrecher kann bei vielen industriellen Systemspannungsanwendungsfällen
eingesetzt werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Schaltungsunterbrecher
Folgendes auf:
Eine Anzahl von Polen, wobei jeder Pol der Anzahl
von Polen ein Paar trennbarer Kontakte aufweist; einen Betriebsmechanismus
strukturiert zur Öffnung und Schließung eines
Paares der trennbaren Kontakte für die Anzahl von Polen;
und einen Auslösemechanismus, der mit dem Betriebsmechanismus
zusammenarbeitet, um die Anzahl von Polen zur Öffnung auszulösen,
wobei der Auslösemechanismus einen Prozessor aufweist und
ferner für jeden Pol der Anzahl von Polen Folgendes vorgesehen
ist: einen ersten Stromsensor strukturiert zum Abfühlen
des durch das Paar von trennbaren Kontakten eines entsprechenden
Pols der Anzahl von Polen fließenden Stroms;
eine
Anzahl von zweiten Stromsensoren strukturiert zum Abfühlen
einer Anzahl von Hochfrequenzstromsignalen von dem Strom, der durch
das Paar von trennbaren Kontakten des entsprechenden einen der Anzahl
von Polen fließt, eine Anzahl von Bandpassfiltern, wobei
jedes der Bandpassfilter einen Eingang zum Empfang von einem der
Anzahl von Hochfrequenzstromsignalen sowie einen Ausgang aufweist,
eine
Anzahl von Spitzendetektoren, deren jeder einen Eingang aufweist
zum Empfang der Ausgangsgröße eines entsprechenden
Bandpassfilters der Anzahl von Bandpassfiltern, wobei ferner ein
Ausgang vorgesehen ist, und
eine Anzahl von umhüllenden
Detektoren, wobei jeder dieser Anzahl von umhüllenden Detektoren
einen Eingang aufweist, und zwar zum Empfang der Ausgangsgröße
eines entsprechenden Bandpassfilters der Anzahl von Bandpassfiltern,
und ferner mit einem Ausgang;
wobei der Prozessor strukturiert
ist, um Folgendes auszuführen:
Zählen eines
Zählerstandes von
Auftritten bzw. Auftrittsfällen
(occurences) der Ausgangsgröße von jeder der Anzahl
von umhüllenden Detektoren, die einen der ersten vorbestimmten
Wert übersteigt,
Aufrechterhaltung einer Anzahl von
temporären Werten (temporary values) entsprechend dem Ausgang
jeder der Anzahl von Spitzendetektoren,
Bestimmen einer Bogenfehlerauslösezeit
(arc fault trip time) als eine Funktion des abgefühlten
Stroms, der durch das Paar von trennbaren Kontakten der Anzahl von
Polen fließt,
Bestimmen, ob die Ausgangsgröße
von irgendeinem der Anzahl von Spitzendetektoren größer
ist als ein zweiter vorbestimmter Wert und, wenn dies so ist, darauf
ansprechend Erhöhen eines entsprechenden Wertes einer Anzahl
von temporären Werten durch einen dritten vorbestimmten
Wert und, wenn dies nicht der Fall ist, Vermindern des entsprechenden
einen der Anzahl von temporären Werten durch einen vierten
vorbestimmten Wert,
Bestimmen, ob eine vorbestimmte Funktion
der Anzahl von temporären Werten größer
ist als ein fünfter vorbestimmte Wert und, wenn dies der
Fall ist, Hinzuaddieren für jeden Spitzendetektor der Anzahl
von Spitzendetektoren des entsprechenden einen Wertes der Anzahl
von temporären Werten zu einem Akkumulator und, wenn dies
nicht der Fall ist, Vermindern des Akkumulators um einen sechsten
vorbestimmten Wert und Bewirken, dass der Betriebsmechanismus die
Anzahl der Pole in die Öffnungsstellung auslöst,
wenn Folgendes vorliegt: (a) eine Differenz zwischen dem Zählerstand
entsprechend dem laufenden Halbzyklus der Halbzyklen mit einer Polarität
und dem Zähler entsprechend dem unmittelbar vorhergehenden
Halbzyklus der Halbzyklen, mit der gleichen Polarität ist
mindestens 2, (b) der Akkumulator ist größer als
der siebte vorbestimmte Wert und (c) die Bogenfehlerauslösezeit
ist erreicht.
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Der
Prozessor kann ferner derart aufgebaut sein, dass er die Fehlerauslösezeit
zurücksetzt und zwar entweder wenn: (1)(a) die erwähnte
Differenz nicht mindestens zwei ist, oder der erwähnte
Akkumulator nicht größer als der siebte vorbestimmte
Wert ist, oder die Bogenfehlerauslösezeit noch nicht erreicht
ist, und (b) der Akkumulator kleiner als oder gleich einem achten
vorbestimmten Wert ist; oder (2)(a) die erwähnte Differenz
nicht mindestens zwei oder der erwähnte Akkumulator nicht
größer als der siebte vorbestimmte Wert ist, und
(b) die Bogenfehlerauslösezeit erreicht ist.
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Der
durch das Paar von trennbaren Kontakten des entsprechenden einen
der Anzahl von Polen fließende Strom kann ein Wechselstrom
sein, einschließlich eine Vielzahl von Halbzyklen; der
Prozessor kann ferner strukturiert sein zur Eingabe für
jeden Halbzyklus der Halbzyklen einer Vielzahl von Tastwerten (samples)
von jedem der Anzahl von Hochfrequenzstromsignalen; und der Prozessor
kann ferner strukturiert sein zum Sammeln von sämtlichen
Tastwerten bzw. Proben bevor für jeden Spitzendetektor
aus der Anzahl von Spitzendetektoren bestimmt wird, ob der entsprechende
eine Temporärwert (temporare value) der Anzahl von Temporärwerten
größer ist als der fünfte vorbestimmte
Wert.
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Die
Anzahl der Hochfrequenzstromsignale kann eine Vielzahl von Hochfrequenzstromsignalen
sein; die Anzahl der Bandpassfilter kann eine Vielzahl von Bandpassfiltern
sein; die Anzahl der Spitzendetektoren kann eine Vielzahl von Spitzendetektoren
sein; die Anzahl von umhüllenden Detektoren kann eine Vielzahl
von umhüllenden Detektoren sein; der Prozessor kann eine
Vielzahl von Komparatoren oder Vergleichsschaltungen aufweisen,
ein ODER-Gatter und einen Zähler, wobei jede der Vergleichsschaltungen
der Anzahl von Vergleichsschaltungen einen Ausgang bzw. eine Ausgangsgröße
besitzt strukturiert zur Anzeige, wenn die Ausgangsgröße
eines der umhüllenden Detektoren größer
ist als der erste vorbestimmte Wert, wobei das ODER-Gatter eine
Ausgangsgröße besitzt, strukturiert zum Vorsehen
einer logischen ODER-Funktion von der Ausgangsgröße
jedes Komparators, wobei der Zähler strukturiert ist, um
Auftritte oder occurences vom Ausgang des ODER-Gatters zu zählen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren
von Bogenbildungszuständen, wobei Folgendes vorgesehen
ist: Abfühlen des durch eine Leistungsschaltung fließenden
Stromes; Abfühlen einer Anzahl von Hochfrequenzstromsignalen
von dem fließenden Strom;
Bandpassfilterung jedes
der Anzahl von Hochfrequenzstromsignalen und Liefern einer Anzahl
von entsprechenden bandpassgefilterten Signalen; Detektieren einer
Anzahl von Spitzensignalen aus der Anzahl von entsprechenden bandpassgefilterten
Signalen; Detektieren einer Anzahl von Umhüllenden aus
der Anzahl von entsprechenden bandpassgefilterten Signalen;
Zählen
eines Zählerstandes des Auftretens der Anzahl von Umhüllenden
die einen ersten vorbestimmten Wert übersteigen;
Aufrechterhaltung
einer Anzahl von temporären Werten entsprechend der Anzahl
von Spitzensignalen;
Bestimmen einer Bogenfehlerausfallzeit
als eine Funktion des abgefühlten Stromflusses;
Bestimmen,
ob eines der Anzahl von Spitzensignalen größer
ist als ein zweiter vorbestimmter Wert und, wenn dies der Fall ist,
darauf ansprechende Erhöhung eines entsprechenden Wertes
einer Anzahl von temporären Werten durch einen dritten
vorbestimmten Wert und, wenn dies nicht der Fall ist, Vermindern
des entsprechenden einen temporären Werts der Anzahl von
temporären Werten durch einen vierten vorbestimmten Wert;
Bestimmen,
ob eine vorbestimmte Funktion der Anzahl von temporären
Werten größer ist als ein Fünftel vorbestimmter
Werte und, wenn dies so ist, Hinzuaddieren der Anzahl von temporären
Werten zu einem Akkumulator, und wenn dies nicht der Fall ist, Vermindern
des Akkumulators um einen sechsten vorbestimmten Wert; und
Auslösen
zur Öffnungsstellung bzw. Öffnen der Leistungsschaltung
dann, wenn: (a) eine Differenz zwischen dem Zählerstand
entsprechend dem laufenden Halbzyklus der Halbzyklen einer Polarität
und dem Zählerstand entsprechend dem unmittelbar vorhergehenden
Halbzyklus der Halbzyklen mit der gleichen Polarität mindestens
zwei ist, (b) der Akkumulator größer als ein siebtel
des vorbestimmten Wertes ist und (c) die Bogenfehlerauslösezeit
erreicht ist.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht einen Schaltungsunterbrecher
vor, der Folgendes aufweist: trennbare Kontakte; einen Betriebsmechanismus
strukturiert zum Öffnen und Schließen der trennbare
Kontakte; und einen Auslösemechanismus, der mit dem Betriebsmechanismus
zusammenarbeitet, um die trennbaren Kontakte zur Öffnung
bzw. in einen Öffnungszustand auszulösen, wobei
der Auslösemechanismus Folgendes aufweist:
einen Prozessor,
einen
ersten Stromsensor strukturiert zum Abfühlen des Stromes,
der durch die trennbaren Kontakte fließt,
eine Anzahl
von zweiten Stromsensoren, strukturiert zum Abfühlen einer
Anzahl von Hochfrequenzstromsignalen aus den Strom, der durch die
trennbaren Kontakte fließt,
eine Anzahl von Bandpassfiltern,
wobei jeder der Anzahl von Bandpassfiltern einen Eingang aufweist,
der eines der Anzahl von Hochfrequenzsignalen empfängt
und mit einem Ausgang,
eine Anzahl von Spitzendetektoren, wobei
jeder der Spitzendetektoren aus der Anzahl von Spitzendetektoren einen
Eingang besitzt zum Empfangen der Ausgangsgröße
eines entsprechenden Bandpassfilters aus der Anzahl von Bandpassfiltern,
wobei der eine Spitzendetektor ferner einen Ausgang besitzt, und
eine Anzahl von umhüllenden Detektoren, wobei jeder Umhüllendetektor
aus der Anzahl von Umhüllendetektoren einen Eingang besitzt
zum Empfangen der Ausgangsgröße eines entsprechenden
Bandpassfilters aus der Anzahl von Bandpassfiltern und einen Ausgang,
wobei
der Prozessor strukturiert ist, um Folgendes auszuführen:
Zählen eines Zählerstandes von Auftrittsereignissen
der Ausgangsgröße von jeden der Anzahl von umhüllenden
Detektoren, und zwar einen ersten vorbestimmten Wert überschreitend,
Aufrechterhalten
einer Anzahl von temporären Werten entsprechend der Ausgangsgröße
jeder der Anzahl von Spitzendetektoren,
Bestimmen einer Bogenfehlerausfallzeit
als eine Funktion des abgefühlten Stromes der durch das
Paar von trennbaren Kontakten für die Anzahl von Polen
fließt,
Bestimmen, ob die Ausgangsgröße
irgendeines der Spitzendetektoren der Anzahl von Spitzendetektoren
größer ist als ein zweiter vorbestimmter Wert,
und wenn dies der Fall ist darauf ansprechendes Erhöhen
eines entsprechenden Temporärwerts aus der Anzahl von Temporärwerten
(temporary values) durch einen dritten vorbestimmten Wert, und wenn
dies nicht der Fall ist, Vermindern eines entsprechenden Temporärwerts
aus der Anzahl von Temporärwerten um einen vierten vorbestimmten
Wert,
Bestimmen, ob eine vorbestimmte Funktion der Anzahl von
Temporärwerten größer ist als ein fünfter
vorbestimmter Wert, und wenn dies der Fall ist, Hinzuaddieren, für
jeden Spitzendetektor aus der Anzahl von Spitzendetektoren, eines
Temporärwerts aus der Anzahl von Temporärwerten
zu einem Akkumulator, und wenn dies nicht der Fall ist, Vermindern
des Akkumulators um einen sechsten vorbestimmten Wert, und
Bewirken,
dass der Betriebsmechanismus ausgelöst wird, um die trennbaren
Kontakte zu öffnen, und zwar dann, wenn: (a) eine Differenz
zwischen dem Zählerstand entsprechend dem laufenden einen
der Halbzyklen mit einer Polarität und dem Zählerstand
entsprechend dem unmittelbar vorhergehenden Halbzyklus der Halbzyklen
der gleichen Polarität mindestens zwei ist; (b) der Akkumulator
größer ist als eine siebter vorbestimmter Wert
und (c) die Bogenfehlerauslösezeit erreicht ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
volles Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in Verbindung
mit den Zeichnungen beschrieben werden; in der Zeichnung zeigt:
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1A–1B ein
Blockdiagramm eines Schaltungsunterbrechers oder Schalters gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung.
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2 ein
Flussdiagramm einer Routine zur Koordination einer augenblicklichen
Auslösefunktion, der Hochfrequenzauslösefunktion,
der Standardauslösekurvenfunktion und der Erdfehlerauslösefunktion
des Schalters 1A–1B.
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3A–3C ein
Einflussdiagramm der Hochfrequenzauslösefunktionsroutine
des Schalters der 1A–1B.
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4 eine
Darstellung des Stroms abhängig von der Zeit für
eine Hochfrequenzauslösefunktion und die Standardauslösekurvenfunktion
des Schalters der 1A–1B.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele:
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Der
Ausdruck ”Prozessor” wie er hier verwendet wird,
bezieht sich auf Folgendes:
eine programmierbare, analoge und/oder
digitale Vorrichtung, die Daten speichern, entnehmen und verarbeiten
kann; einen Computer; eine Workstation; einen Personal Computer;
einen Mikroprozessor; einen Mikrokontroller; einen Mikrocomputer;
eine zentrale Verarbeitungseinheit (central processing unit);
einen
Mainframe-Computer; einen Minicomputer; einen Server; einen Networkprozessor
oder irgendeine andere geeignete Verarbeitungsvorrichtung.
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Der
Ausdruck ”Anzahl” oder ”Nummer” bedeutet
eine ganze Zahl größer als 1 (das heißt
eine Vielzahl).
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Der
Ausdruck ”Stromsensor” bezieht sich auf einen
Stromtransformator oder irgendeinen anderen geeigneten Sensor zum
Abfühlen von Strom, der durch einen Leiter fließt.
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Die
Erfindung wird zusammen mit einem dreipoligen industriellen Bogenfehlerschalter
oder Schaltungsunterbrecher für ein Dreiphasensystem beschrieben,
obwohl die Erfindung auch auf einen großen Bereich von
Bogenfehlerschaltungsunterbrechern sich bezieht und zwar mit irgendeiner
Anzahl von Polen für Systeme mit irgendeiner Anzahl von
entsprechenden Phasen.
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Unter
Bezugnahme der 1A–1B sei
Folgendes bemerkt. Ein dreipoliger Schaltungsunterbrecher (Schalter)
wie beispielsweise ein industrieller Bogenfehlerschaltungsunterbrecher
(Bogenfehlerschalter) 2 weist ein Paar von trennbaren Kontakten 4A, 4B, 4C auf
sowie einen Betriebsmechanismus (OPERATING MECHAMISM) 6,
der strukturiert ist zum Öffnen und Schließen
der trennbaren Kontakte 4A, 4B, 4C und
Sensoren 8A, 8B und 8C sind strukturiert
zum Abfühlen des Stroms, der durch die entsprechenden trennbaren Kontakte 4A, 4B, 4C zwischen
Dreiphasenleitungsanschlüssen 10 und Dreiphasenlastanschlüssen 12 fließt. Der
Schalter 2 weist auch einen Prozessor auf wie beispielsweise
einen der folgenden: Mikrocomputer (μC) 14 (beispielsweise
ohne Einschränkung, einen Microchip PIC16F685 Microcontroller
auf den Markt gebracht durch Microchip Technology Incorporated of
Chandler, Arizona), zusammenarbeitend mit den Sensoren 8A, 8B, 8C und
dem Betriebsmechanismus 6, um die trennbaren Kontakte 4A, 4B, 4C in
den Öffnungszustand auszulösen (trip open), und
eine Leistungsversorgung 16 strukturiert mindestens zur
Leistungsversorgung des μC 14. Die Leistungsversorgung 16 ist
beispielsweise eine Wechselstrom-zu-Gleichstrom(AC/DC)-Leistungsversorgung,
die beispielsweise neutral vom Knoten 27 und Leistung vom
Knoten 28 liefert. Die Leistungsversorgung 16 definiert
einen Netzanschluss (common) 22 von einem der beiden Knoten 27, 28.
Eine analoge Abfühlsensorschaltung 24 besitzt
sechs Eingänge für die drei Sensoren 8A, 8B, 8C.
Die AC/DC-Leistungsversorgung 16 liefert eine gehaltene
Gleichspannung 20 und das Netz 22 an den μC 14 und
versorgt, wenn erforderlich, beispielsweise die analoge Abfühl-
oder Sensorschaltung 24.
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Die
analoge Sensorschaltung (ANALOG SENSING CIRCUIT) 24 empfängt
Eingangsgrößen von den Knoten 27, 28 und
sechs Ausgangsgrößen von den Sensoren 8A, 8B, 8C,
aus denen die drei Ströme, die durch diese Sensoren 8A, 8B, 8C fließen,
bestimmt wird. Verschiedene Eingangsspannungssignale 29 von, beispielsweise
der analogen Sensorschaltung 24, werden durch einen Mehrkanal
Analog-zu-Digitalumwandler (ADC) 30 des μC 14 eingegeben
und werden in entsprechende Digitalwerte zur Eingabe durch den μP 32 umgewandelt.
Der μP 32 umfasst Routinen 34, 100,
was erläutert werden wird.
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Ansprechend
auf eine oder mehrere Zustände bzw. Bedingungen, abgefühlt
von den ADC-Eingangsspannungssignalen 29, erzeugt der μP 32 ein
Auslösesignal 36, das durch den μC 14 zum
Ausgang 38 läuft und die SCR 40 einschaltet.
Die SCR 40 ihrerseits erregt einen Auslöseelektromagneten
oder Solenoiden 42 und betätigt dadurch den Betriebsmechanismus 6,
um die trennbaren Kontakte 4 ansprechend darauf zu öffnen
(in die Öffnungsführung auszulösen) und
zwar ansprechend beispielsweise auf eine Überspannung,
einen Bogenfehler oder einen anderen Auslösezustand. Der
Auslöseelektromagnet 42 ist somit ein Auslöseaktuator oder
-betätiger, der mit dem μP 32 zusammenarbeitet
und auch mit dem Betriebsmechanismus 6 um die trennbaren
Kontakte 4 zu öffnen, das heißt in den Öffnungszustand
auszulösen, und zwar ansprechend auf einen der unterschiedlichen
Auslösezustände, detektiert durch den μP 32.
Ein Widerstand 44 in Serie mit der Spule des Elektromagneten 42,
begrenzt den Spulenstrom und ein Kondensator 46 schützt
das Gate des SCR 40 gegenüber Spannungsspitzen
und falschen Auslösevorgängen infolge Rauschens.
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Hochfrequenzisolatoren
(HFI's) 48A, 48B, 48C sind vorzugsweise
elektrisch zwischen die trennbaren Kontakte 4A, 4B, 4C bzw.
Sensoren 8A, 8B, 8C geschaltet. Die HFI's 48A, 48B, 48C trennen
oder isolieren die Hochfrequenzsignale erzeugt stromabwärts
gegenüber dem Isolator von dem Weg nach oben vom Isolator her
und isolieren oder trennen die Hochfrequenzsignale erzeugt stromaufwärts
vom Isolator gegenüber einem Hinunterlaufen bezüglich
des Isolators.
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In
diesem Beispiel sind für jede Phase vier Stromsensoren
gezeigt. Beispielsweise sind für die Phase A, Sensor 8A und
drei Hochfrequenz(HF)Stromtransformatoren (CT's) 50, 51, 52 gezeigt,
obwohl auch ein, zwei, drei, vier oder mehr HF-Stromsensoren verwendet
werden können. Somit gilbt für diese Phase Folgendes:
ein Stromsensor kann die analoge Abfühlschaltung 24 und
die drei Bandpassfilter 54, 55, 56 speisen.
Als ein weiteres Beispiel sei genannt: Die drei HF-CT's 50, 51, 52 messen
nicht nur die drei HF-Stromsignale von dem abgefühlten
Strom, sondern messen auch das Leistungsfrequenzsignal vom abgefühlten
Strom. Die Beispiels-HF CT's 50, 51, 52 fühlen
di/dt ab und ihre Ausgänge oder Ausgangsgrößen
werden über eine endliche Zeitperiode integriert, um das
Stromsignal zu erhalten. Die drei beispielhaften HF CT's werden
verwendet, um die Ausgangsgrößen in den gewünschten
Frequenzbereichen zu optimieren damit eine signifikante Verstärkung
der HF CT's-Ausgangsgrößen vermieden wird.
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Die
Ausgangsgrößen oder Ausgänge der HF CT's 50, 51, 52 werden
beispielsweise in Schmalbandfilter 54, 55, 56 eingegeben.
Ein nicht einschränkendes Beispiel des ersten Bereichs
der Frequenzen des ersten (f1) Filters 54 beträgt
ungefähr 80 kHz +/–10 kHz (Mittenfrequenz zu Bandbreitenverhältnis
Q von ungefähr 8); ein nicht einschränkendes Beispiel
des zweiten Frequenzbereichs des zweiten (f2) Filters 55 ist
ungefähr 600 kHz +/–75 kHz (Q von ungefähr
8); ein nicht einschränkendes Beispiel des letzten Bereiches
von Frequenzen des letzten (fn) Filters 56 bedeckt ungefähr
1,6 MHz +/–200 kHz (Q ist ungefähr 8). Vorzugsweise
besitzt jedes der Filter 54, 55, 56 ein
Mittenfrequenz-zu-Bandbreite-Verhältnis (Q), welches größer
ist als ungefähr 5. Die Filter 54, 55, 56 für
die HF-Stromsignale gestatten die Detektion von Bogenbildungszuständen
und die Unterscheidung eines Bogenfehlers von einem normalen Bogenbildungszustand
assoziiert mit normalem Schalten.
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Die
Ausgangsgrößen der Filter 54, 55, 56 werden
durch Spitzendetektoren 58, 59, 60 beziehungsweise
durch Umhüllendendetektoren 32, 33, 34 eingegeben.
Ausgangsgrößen der Spitzendetektoren 58, 59, 60 werden
durch entsprechende Eingangskanäle 239, 235, 237 der
ADC 30 eingegeben. Die Ausgangsgrößen der
Umhüllendendetektoren 62, 63, 64 werden
durch die negativen Eingänge der jeweiligen Komparatoren 66, 67, 68 eingegeben.
Diese Komparatoren 66, 67, 68 verwenden
entsprechende Referenzen REFA, REFB, REFC an ihren positiven Eingängen.
Die Ausgangsgrößen der Komparatoren 66, 67, 68 werden
durch ein verdrahtetes ODER 70 eingegeben und werden auch
durch einen Zähler (TMR1) 74 des μP 32 eingegeben.
Jeder der Komparatoren umfasst einen Ausgang strukturiert zur Anzeige,
wann die Ausgangsgröße eines entsprechenden Detektors
der Umhüllendendetektoren 62, 64, 66 größer
ist als der entsprechende vorbestimmte Wert (REFA, REFB, REFC).
Das verdrahtete ODER 70 ist strukturiert zur Lieferung
einer logischen ODER-Funktion von dem Ausgang jedes der Komparatoren 66, 67, 68.
Der Zähler 74 ist strukturiert um hoch-zu-niedrig
Auftritte von dem verdrahteten ODER 70 zu zählen.
Der μP 32 weist auch eine Zeitsteuervorrichtung
(timer; TMR0) 72 auf, was noch diskutiert wird.
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Obwohl
drei exemplarische Sätze von HF CT's 50, 51, 52,
Schmalbandfiltern 54, 55, 56, Spitzendetektoren 58, 59, 60,
Umhüllendendetektoren 62, 63, 64 und
Komparatoren 66, 67, 68 gezeigt sind,
kann irgendeine geeignete Anzahl von solchen Sätzen verwendet
werden. Wenn eine Vielzahl (beispielsweise zwei oder mehr) von solchen
Sätzen verwendet werden, so ist die Vielzahl der relativ
schmalen Hochfrequenzbänder der korrespondierenden Bandpassfilter
(beispielsweise zwei oder mehr von 54, 55, 56)
vollständig getrennt und überlappt sich nicht.
Auch gilt Folgendes: die Vielzahl der relativ schmalen Bänder
von hohen Frequenzen muss weit genug getrennt werden, damit sie
nicht Information duplizieren und auch Hochfrequenzinformation liefern
erzeugt durch Bogen in verschiedenen elektrischen Schaltungen. Die
Hochfrequenzstromsignale, die durch die entsprechenden ADC-Kanäle 239, 235, 237 eingegeben
werden, werden verwendet, um Bogenfehler zu detektieren. Die Vielzahl
der Frequenzbänder ist voneinander hinreichend getrennt,
um die Hochfrequenzsignaturen erzeugt durch Bogen basierend auf
der Hochfrequenzstromsignalspitzendetektion einzufangen. Dies berücksichtigt
das Hochfrequenzsignaturrauschen erzeugt durch den Bogen, während
Signalrauschen erzeugt durch die Last (nicht gezeigt, aber elektrisch
verbunden mit den Beispielsanschlüssen 12 und 26) in gewissen
Frequenzbändern eliminiert wird und auch der Einfluss überwunden
wird, der hervorgerufen wird durch die Signalstärkedämpfung
infolge von Lasten mit kapazitiver Impedanz in der Schaltung wie
beispielsweise EMI-Filter (beispielsweise ohne Einschränkung,
Corcom® Filter) (nicht gezeigt).
-
Die
Filter 54, 55, 56 können entsprechende
Frequenzbänder (Bereiche) abdecken, wobei jedes Band einen
unterschiedlichen Mittelpunkt besitzt, der größer
ist als oder gleich ungefähr 10 kHz und der kleiner ist oder
gleich ungefähr 20 MHz. Die Ausgangsgrößen
dieser relativ schmalen Bandpassfilter 54, 55, 56 der
entsprechenden Hochfrequenz (detektiert durch die entsprechenden
Umhüllendendetektoren) werden ge ”ODER” ed
(einer Oderverknüpfung unterworfen) und zwar durch das
verdrahtete ODER 70. Der erste Umhüllendendetektor 62 arbeitet
mit dem ersten Filter 54 zusammen, um eine Vielzahl von
ersten Auftritten von demjenigen ersten Pass- oder Durchgangsband
zu detektieren, welches innerhalb eines ersten vorbestimmten Bereichs
von Größen (beispielsweise ohne Einschränkung,
ungefähr 2,652 V und höher; irgendein geeigneter Wert
liegt). Der zweite Umhüllendendetektor 63 arbeitet
mit dem zweiten Filter 55 zusammen, um eine Vielzahl von
zweiten Auftritten von diesem zweiten Pass- oder Durchgangsband
zu detektieren, welches innerhalb eines zweiten vorbestimmten Bereichs
von Größen liegt (beispielsweise ohne Einschränkung,
ungefähr 2,756 V und höher; irgendein geeigneter
Wert). Der dritte umhüllendedetektor 64 arbeitet
mit dem dritten Filter 56 zusammen, um eine Vielzahl von
dritten Auftritten von diesem dritten Pass- oder Durchgangsband
zu detektieren, welches in einem dritten vorbestimmten Bereich von
Größen liegt (beispielsweise ohne Einschränkungen ungefähr
2,756 V und höher; irgendein geeigneter Wert).
-
Ein
Auslösemechanismus oder eine Auslöseeinheit wie
beispielsweise eine geeignete Auslösetripschaltung 76 arbeitet
mit dem Betriebsmechanismus 6 zusammen, um die trennbaren
Kontakte 4A, 4B, 4C der drei Beispielspole
in die Öffnungsstellung auszulösen. Die Auslöseschaltung 76 weist
den μC 14 auf, ferner die Sensoren 8A, 8B, 8C,
die HF CT's 50, 51, 52, die Filter 54, 55, 56,
die Spitzendetektoren 58, 59, 60, die Sensoren 8A, 8B, 8C,
die HF CT's 50, 51, 52, die Filter 54, 55, 56,
die Spitzendetektoren 58, 59, 60, die
Umhüllendendetektoren 62, 63, 64,
die Komparatoren 66, 67, 68, das verdrahtete
ODER 70 und den Auslöseelektromagneten 42.
-
Unter
Bezugnahme auf 2 sei Folgendes ausgeführt:
Die Routine 100 koordiniert eine augenblickliche Auslösefunktion,
die Hochfrequenzauslösefunktionsroutine 34 (3A–3C),
eine Standardauslösekurvenfunktion und eine Erdungsfehlerauslösefunktion
des Schalters 2 der 1A–1B.
Die Routine 100 läuft mindestens einmal während
jedes Leitungszyklus. Als erstes, bei 102, liest der μP 32 (1A)
die Dreiphasenstromsignale (IA, IB, IC von dem ADC 30 als
Eingangsgrößen von der Analogabfühlschaltung 24 von
den Sensoren 8A, 8B, 8C. Als nächstes,
bei 104, wird bestimmt, ob die Summe der Dreiphasenstromsignale
(IA + IB + IC) gleich oder hinreichend nahe 0 ist, um
zu überprüfen, ob ein konventioneller Erdfehlerauslösezustand vorhanden
ist. Wenn dies der Fall ist, so beginnt die Ausführung
bei 106. Ansonsten wird der Schalter 2 durch Erzeugung
eines Auslösesignals 36 ausgelöst, wobei
dieses Auslösesignal 36 durch den μC 14 zum
Ausgang 38 läuft und den SCR 40 einschaltet.
Bei 106 wird bestimmt, ob irgendeines der Dreiphasenstromsignale
(IA oder IB oder
IC) größer ist als ein
vorbestimmter Wert, (beispielsweise ohne Einschränkung, 15; 13;
irgendein geeigneter Wert), und zwar multipliziert mit dem Nennstrom
(INenn = Irated). Wenn dies der Fall ist, dann wird der Schalter 2 augenblicklich
bei 110 ausgelöst, und zwar in der gleichen Art
und Weise wie dies bei 108 diskutiert wurde. Andererseits,
wenn alle drei Phasenstromsignale (IA und
IB und IC) kleiner
sind als oder gleich dem vorbestimmten Wert (beispielsweise, ohne
Einschränkung, 15; 13; irgendein geeigneter
Wert) multipliziert mit dem Nennstrom (INenn oder Irated) dann wird
bei 112 bestimmt, ob der HF-Algorithmus der Routine 34 der 3A–3C bereit
ist, den Schaltungsunterbrecher oder Schalter 2 auszulösen
(beispielsweise, wenn ein bogenbildendes Hochfrequenzstromsignal
sich für mehr als eine vorbestimmte Auslösezeit
erstreckt). Wenn dies so ist, dann wird der Schalter 2 bei 114 ausgelöst,
was bei 108 diskutiert wurde. Wie in Verbindung mit den 3A–3C und 4 diskutiert
werden wird, bestimmt die Routine 34 eine entsprechende
Bogenfehlauslösezeit, wenn der Test bei 106 nicht
erfüllt wird. Dort wird die konventionelle Auslösekurve 118 übersteuert,
wenn der HF Algorithmus der Routine 34 einen Bogenfehler
bestätigt, in welchem Falle der Schalter 2 auslöst,
und zwar entsprechend der Bogenfehlerauslösezeit definiert
bei 252 der 3C.
-
Andererseits
gilt Folgendes: Wenn der HF Algorithmus der Routine 34 der 3A–3C nicht
bereit ist, den Schalter 2 auszulösen, dann wird
bei 116 bestimmt, ob alle der Dreiphasenstromsignale (IA und IB und IC) kleiner sind als der vorbestimmte Wert
(beispielsweise, ohne Einschränkung, 15; 13;
irgendein geeigneter Wert) multipliziert mit dem Nennstrom (Irated
bzw. INenn) und auch größer als der Nennstrom
(Irated). Wenn dies der Fall ist, dann wird bei 118 der
Schalter ausgelöst und zwar, wenn zutreffend, wie bestimmt
durch Betrachtung einer konventionellen Auslösekurve wie
sie in 4 bei 119 gezeigt ist, wobei diese Auslösekurve definiert
wird durch die Zeit und abgefühlten Strom. Andererseits,
wenn der Test von 116 nicht erfüllt wird, dann wird
die Routine 100 bei 120 verlassen.
-
Die
Routine 100 wird vorzugsweise verwendet, um die selektive
Koordination ”der Mehrfachschalter” zu ermöglichen
oder zu verbessern. Bei einer derartigen selektiven Koordination
ist ein Hauptschalter in der Lage entweder geschlossen zu verbleiben
oder momentan zu öffnen, um Zweigschaltern zu helfen, einen
Fehler zu unterbrechen, wenn ein Fehlerereignis in einer Zweigschaltung
auftritt, um so andere Zweigschaltungen nicht zu beeinflussen.
-
Wenn
andererseits ein Fehler zwischen dem Hauptschalter und den Zweigschaltern
auftritt, dann sollte der Hauptschalter unmittelbar auslösen.
-
Unter
Bezugnahme auf die 3A–3C ist
die Hochfrequenzauslösefunktionsroutine 34 gezeigt. Die
Routine 34 läuft 8 mal pro Leitungs-Halbzyklus.
Nach dem Starten bei 200, liest bei 202, der μP 32 (1A)
die HF-Stromsignale von der ADC 30 als Eingangsgröße
von den Spitzendetektoren 58, 59, 60.
Aus Gründen der Klarheit gilt für das Beispiel
des Dreiphasenschalters 2 mit einer Anzahl ”n” von
Sätzen von HF CT's 50, 51, 52,
Schmalbandfiltern 54, 55, 56 und Spitzendetektoren 58, 59, 60 das
dies ”3n” HF-Stromsignale einschließt.
Wenn somit ”n” beispielsweise drei ist (was nicht
mit den drei Phasen zu verwechseln ist), dann gibt es neun (3n =
3 × 3) HF-Stromsignale.
-
Als
nächstes werden bei 204 ”noise baselines” bzw.
Rauschbasislinien für die HF-Stromsignale erhalten, beispielsweise
ein 8-Punkt sich bewegender Durchschnitt auf den HF-Stromsignalen
unterhalb entsprechender vorbestimmter Schwellen (T1(n)). Hier können
unterschiedliche vorbestimmte Schwellen (T1(1), T1(2), ... T1(n))
(beispielsweise: ohne Begrenzung 120, 100, 80;
irgendwelche geeigneten Werte) für die unterschiedlichen
HF-Stromsignale vorliegen, die durch die unterschiedlichen Filter
wie beispielsweise 54, 55, 56 laufen.
Wenn ein spezielles HF-Stromsignal oberhalb der entsprechenden vorbestimmten
Schwelle liegt, so wird es ignoriert. Somit wird der beispielsweise
8-Punkt bewegende Durchschnitt für jedes unterschiedliche HF-Stromsignal
basierend auf den letzten acht Tastungen dieses HF-Stromsignals
bestimmt, die unterhalb der entsprechenden vorbestimmten Schwelle
liegen. Beispielsweise sind für ein HF-Stromsignal die
vorhergehenden acht Tastungen von diesem HF-Stromsignal alle unterhalb
der entsprechenden vorbestimmten Schwelle und die entsprechende
Basislinie ist der Durchschnitt dieser Signale. Beispielsweise gilt
für ein anderes HF-Stromsignal, dass die vorhergehenden
20 Tastungen von diesem HF-Stromsignal zwölf Tastungen
oberhalb und acht Tastungen unterhalb der entsprechenden vorbestimmten
Schwelle sind und die entsprechende Basislinie ist der Durchschnitt
dieser acht Tastungen. Beispielsweise haben für ein weiteres
HF-Stromsignal die vorherigen neuen Tastungen von diesem HF-Stromsignal
eine Tastung oberhalb und acht Tastungen unterhalb der entsprechenden
vorbestimmten Schwelle und die entsprechende Basislinie ist der
Durchschnitt dieser acht Tastungen.
-
Als
nächstes, bei 206, werden die verschiedenen HF-Stromsignale
korrigiert, und zwar durch Subtrahieren der entsprechenden Basislinien
(NBn) von diesen HF-Stromsignalen. Dies stellt die HF-Stromsignale zur
Entfernung des Basislinienrauschens ein. Sodann bei 208 wird
bestimmt, ob irgendeines der korrigierten HF-Stromsignale oberhalb
der entsprechenden vorbestimmten Schwellen (T1(n)) liegt. Wenn dies
so ist, dann wird eine Bogenfehlerauslösezeit (oben in
Verbindung mit 252 diskutiert) zurückgesetzt,
wenn ein Auslösebucket (Y) (diskutiert unten in Verbindung 220)
kleiner als oder gleich Null ist. Als nächstes bei 212,
wird für diejenigen HF-Stromsignale die oberhalb der entsprechenden
vorbestimmten Schwellen (T1(n)) bei 208 liegen, ein temporärer
Bucket (X(n)) auf der entsprechenden Frequenz erhöht, und
zwar um einen entsprechenden vorbestimmten Wert (C1(n)) (beispielsweise
ohne Einschränkung, 15, 10, 5;
irgendwelche geeigneten Werte), und zwar bei dieser entsprechenden
Frequenz. Sodann bei 214 wird eine variable Tastung dekrementiert.
Diese Variable wird bei 236 initialisiert, und zwar auf ”N – 1”,
wobei, beispielsweise und ohne Einschränkung, N gleich
8, das heißt für acht Beispielsproben pro Halbzyklus.
Als nächstes wird bei 216, wenn die dekrementierte
variable Tastung oder Probe gleich Null ist sodann bei 218 die
Ausführung wieder aufgenommen.
-
Bei 218 wird
bestimmt, ob eine vorbestimmte Funktion (F2(fn)) der temporären
Bucketwerte (X(n)) eine vorbestimmte Schwelle (T2) (beispielsweise,
ohne Einschränkung, Null; irgendein anderer Wert) erfüllt. Als
ein nicht einschränkendes Beispiel sei angegeben: F2 =
X(1)·X(2)...·X(n) > T2 = 0. Dies wird für alle der drei
Phasen wiederholt. Wenn dieser Test erfüllt ist, dann werden
bei 220 die Werte von sämtlichen der temporären
Buckets (X(n)) dem Auslösebucket (Y) hinzuaddiert. Dies
wird wiederum für alle drei Phasen wiederholt.
-
Als
Nächstes wird bei 222 bestimmt, ob drei Kriterien
erfüllt sind:
(i) die Differenz in dem Wert des Zählers 74 (TMR1)
der 1A von den zwei am kürzlichsten aufgetretenen Halbzyklen
mit der gleichen Polarität (positiv oder negativ) ist größer
als 1; (ii) der Auslösebucket (Y) ist größer als
ein vorbestimmter Wert (T3) (beispielsweise ohne Einschränkung 300;
irgendein geeigneter Wert); und (iii) die Bogenfehlerauslösezeit
ist kleiner als oder gleich Null. Wenn dieser Test erfüllt
wird, dann wird der Schaltungsunterbrecher oder Schalter 2 bei 224 aufgelöst,
und zwar in der Art und Weise wie dies oben in Verbindung mit dem
Schritt 108 der 2 beschrieben wurde. Als nächstes,
bei 225 wird der Auslösebucket (Y) die verschiedenen
temporären Bucketwerte (X(n)) und der Zähler 74 (TMR1)
(1A) sämtlich auf Null gestellt und die
Bogenfehlerauslösezeit wird zurückgesetzt (wie
dies bei 252 diskutiert wurde). Hier erfolgt die Rücksetzung,
wenn der Schalter zurückgesetzt wird.
-
Wenn
der Test bei 208 nicht erfolgreich war, dann werden bei 226 die
verschiedenen temporären Bucketwerte (X(n)) bei den entsprechenden
Frequenzen verringert, und zwar durch vorbestimmte Werte (S1(n)) (beispielsweise
ohne Einschränkung 5, 10, 15;
irgendwelche geeigneten Werte), und zwar bei den entsprechenden
Frequenzen. Wenn hier irgendein temporärer Bucketwert (X(n))
kleiner wäre als 0, dann wird er auf Null gesetzt. Sodann,
bei 222 wird die variable Tastung dekrementiert. Als nächstes,
bei 230, wird, wenn die dekrementierte variable Tastung
gleich Null ist, sodann bei 232 die Ausführung
wieder aufgenommen.
-
Bei 232 wird
die Bogenfehlerauslösezeit zurückgesetzt, wenn
entweder: (i) der Auslösebucket kleiner oder gleich Null
ist; oder (ii) die Bogenfehlerauslösezeit kleiner als oder
gleich Null ist. Ansonsten wird die Bogenfehlerauslösezeit
vermindert, und zwar durch eine geeignete vorbestimmte Zeit (beispielsweise,
ohne Einschränkung, 8,333 mS/(N – 1), wobei N
= 8 für acht Tastungen oder Unterbrechungen pro Halbzyklus
oder ungefähr 1,19 mS; irgendeine andere geeignete Zeit).
Sodann, bei 234 werden die verschiedenen temporären Bucketwerte
(X(n)) und der Zähler 74 (TMR1) (1A)
alle auf Null zurückgesetzt. Als nächstes, bei 236,
werden ”interrupts” bzw. Unterbrechungen verarbeitet,
um die Daten von dem vorhergehenden Halbzyklus zu verarbeiten, die
nächste TMR0 interrupt oder Unterbrechung vorzubereiten
und die variable Tastung auf ”N – 1” zu
initialisieren. Sodann, bei 238 wird die zweite Unterbrechung
(interrupt), wie durch die Zeitsteuervorrichtung 72 (TMR0)
definiert in Gang gesetzt. Diese Einstellung erfolgt auf eine Periode
geeignet zum Vorsehen der beispielhaften acht Tastungen pro Halbzyklus.
Nach 238, wird die Ausführung bei 202 wieder
aufgenommen, und zwar mit der nächsten Unterbrechen (interrupt).
Dieses nicht einschränkende Beispiel verwendet eine anfängliche
Unterbrechung ungefähr bei dem Nulldurchgang, und zwar
gefolgt von sieben weiteren Unterbrechungen, was eine Gesamtzahl
von acht Unterbrechungen bedeutet.
-
Wenn
der Test bei 218 fehl geht, dann wird bei 240 der
Auslösebucket (Y) um einen vorbestimmten Wert (S2) (beispielsweise
ohne Einschränkung, 8; irgendein geeigneter Wert)
vermindert. Hier gilt Folgendes: Wenn der Auslösebucket
Y weniger als 0 wäre, dann wird er auf 0 zurückgesetzt.
Sodann, bei 242 wird die Bogenfehlerauslösezeit
zurückgesetzt, wenn die Bogenfehlerauslösezeit
kleiner als oder gleich Null ist. Ansonsten wird die Bogenfehlerauslösezeit
vermindert, und zwar um eine geeignete vorbestimmte Zeit (beispielsweise
ohne Einschränkung, 8,333 mS/(N – 1), wobei N
= 8 für acht Proben oder Tastungen pro Halbzyklus oder
ungefähr 1,19 mS; irgendeine geeignete Zeit).
-
Selbst
die Schritte 244–248 (gezeigt in der
der Zeichnung mit gestrichelter Linie) werden nicht durch die ”firmware” der
Routine 34 ausgeführt und stattdessen vorgesehen
durch die Umhüllendendetektoren 62, 63, 64,
die Komparatoren 66, 67, 68, das verdrahtete
ODER 70 und den Zähler 74 (TMR1) der 1A.
Bei 244 werden die verschiedenen Hochfrequenzzählerstände
Mn bei verschiedenen Frequenzen entsprechend den
Filtern 54, 55, 56 bestimmt. Sodann,
bei 246, wird eine vorbestimmte Funktion (F1(M)) der Zählerstände 244 bestimmt
(beispielsweise, ohne Einschränkung, F1 = M1 +
M2 + M3). Sodann
bei 248 wird der Zähler 74 durch die
Größe F1 inkrementiert.
-
Selbst
Schritte 250 und 252 bzw. gleichmäßige
Schritte 250 und 252 zeigen die Bestimmung der
Bogenfehlerauslösezeit. Diese Schritte werden nach Bedarf,
für Schritte 210, 232 und/oder 242 ausgeführt,
die die Bogenfehlerauslösezeit zurücksetzen. Bei 250 liest
der μP 32 die Drei-Phasenstromsignale (IA, IB, IC)
aus der ADC 30 als Eingangsgröße von
der Analogabfühlschaltung 24 von den Sensoren 8A, 8B, 8C.
Sodann, bei 252 wird die Bogenfehlerauslösezeit
gesetzt oder eingestellt, und zwar basierend auf beispielsweise
den Stromniveaus oder Pegeln von 250, dem Nennstrom (rated
current) und, wenn zweckmäßig, der ”selektiven Koordination”.
Als ein nicht einschränkendes Beispiel wird die Bogenfederauslösezeit
eingestellt, bzw. gesetzt, wenn sämtliche Stromsignale
(IA, IB, IC) kleiner sind als ein vorbestimmter Wert,
(beispielsweise, ohne Einschränkung, 15, 13;
irgendein geeigneter Wert) mal dem Nennstrom bzw. rated current
(Irated), auf 1000 – 60·I, wobei I vorzugsweise
der Dreiphasen-RMS-Durchschnittswert ist. Alternativ kann ”I” beispielsweise
ein Dreiphasenspitzendurchschnittswert sein, irgendeiner der drei
Dreiphasenströme (IA, IB, IC) oder das Maximum der
drei Dreiphasenströme. Dies sieht dann das Beispiel der
industriellen Bogenfehlerschaltungsunterbrecherauslösekurve 121 der 4 vor.
Diese Auslösekurve 121 wird verwendet um Bogenbedingungen
oder Bogenzustände zu detektieren, und zwar bei einer Vielzahl
von unterschiedlichen Werten der abgefühlten beispielsweisen
Dreiphasenströme.
-
Beispiel 1
-
Der
offenbarte Schaltungsunterbrecher (Schalter) 2 kann beispielsweise
und ohne Einschränkung ein in einem geformten Gehäuse
untergebrachter Schalter (MCCB = molded case circuit breaker) für
industrielle Anwendungsfälle sein.
-
Beispiel 2
-
Für
ein Einphasensystem ist anstelle der Überprüfung
hinsichtlich eines Dreiphasenstromungleichgewichts für
ein Dreiphasensystem (bei 104 in 2) ein konventioneller
Check oder eine konventionelle Überprüfung vorgesehen,
ob die Differenz zwischen dem Laststrom und dem Lastenneutralstrom
signifikant unterschiedlich von Null ist (beispielsweise, ohne Einschränkung,
irgendein geeigneter Geräteschutzerdungsfehlerauslösepegel;
ungefähr 30 mA oder höher).
-
Beispiel 3
-
Für
jedes Hochfrequenzstromsignal der Anzahl von Hochfrequenzstromsignalen
gibt es ein schmales Bandfilter (Schmalbandfilter) (54, 55 oder 56),
einen Spitzendetektor (58, 59 oder 60),
einen Umhüllendendetektor (62, 63 oder 64)
und einen entsprechenden Komparator (66, 67 oder 68).
Da ein oder mehrere Hochfrequenzstromsignale vorhanden sein können,
kann irgendeine Anzahl von Sätzen von Schmalbandfiltern,
Spitzendetektoren, Umhüllendendetektoren und den entsprechenden
Komparatoren vorgesehen sein.
-
Beispiel 4
-
Es
kann ein Hochfrequenzstromtransformator (CT) (50, 51, 52)
für jedes Hochfrequenzstromsignal vorliegen. Alternativ
kann ein CT für mehrere unterschiedliche Hochfrequenzstromsignale
verwendet werden.
-
Beispiel 5
-
Der
Beispielsbereich von 100 ms ist 1000 ms für die Bogenfehlerauslösezeit
der 3A–3C und 4 kann
irgendein geeigneter Bereich sein. Solange der Bereich keine fehlerhafte
oder nutzlose Auslösung verursacht, kann die Bogenfehlerauslösezeit
so kurz als möglich sein.
-
Beispiel 6
-
Obwohl
ein MCCB offenbart ist, kann ein großer Bereich von Schaltungsunterbrechern
verwendet werden (beispielsweise, ohne Einschränkungen,
ein Luftschalter (air circuit breaker = ACB); ein Leistungsschalter (power
circuit breaker = PCB)).
-
Beispiel 7
-
Obwohl
die 1B drei (n = 3) Bandpassfilter 54, 55, 56 zeigt,
ist die Erfindung anwendbar auf irgendeine geeignete Anzahl (n)
von Bandpassfiltern. Nicht einschränkende Beispiele sind:
wenn n = 1, dann ist die Frequenz (f1) des Einzelbandpassfilters:
100 kHz < f1 < 1 MHz;
wenn
n = 2, dann sind die Frequenzen (f1 und f2) der zwei Bandpassfilter
die folgenden: 80 kHz < f1 < 300 kHz und 700
kHz y f2 y 1 MHz; und
wenn n = 3, dann sind die Frequenzen
(f1, f2 und f3) der drei Bandpassfilter die folgenden: 80 kHz < f1 < 300 kHz, 400 kHz < f2 < 600 kHz und 700
kHz < f3 < 2 Mhz.
-
Beispiel 8
-
Für
n = 1 sollte die Einzelfrequenz (f1) in der Lage sein eine adäquate
Anzeigen zu liefern für die Detektion eines Bogenfehlers,
wobei keine unnötige Auslösung bei elektrischen
Lasten erfolgt. In dem Zwei-Frequenzen (n = 2)-Fall werden Signale
bei sowohl f1 und f2 verwendet, um den Schalter 2 auszulösen
oder unter Verwendung einer ”ODER”-Funktion. Wenn
n = 1 dann wird nur von dem Signal bei f1 abhängen, um
den Schalter 2 auszulösen.
-
Beispiel 9
-
Für
n = 3 können drei geeignete Frequenzbereiche für
die Frequenzen (f1, f2 und f3) verwendet werden. Als ein weiteres,
nicht einschränkendes Beispiel gilt: 10 kHz < f1 < 80 kHz, 800 kHz < f2 < 1 MHz und 1,9 MHz < f3 < 2 MHz.
-
Beispiel 10
-
Die
beispielhafte Auslöseschaltung 76 der 1A–1B kann
mit einer existierenden elektronischen Auslöseeinheit integriert
werden, und zwar unter Verwendung der Stromtransformatoren von einer
derartigen elektronischen Auslöseeinheit für Hochfrequenzstromabfühlung.
-
Obwohl
trennbare Kontakte 4A, 4B, 4C offenbart
sind, können geeignete trennbare Festkörperkontakte
verwendet werden. Beispielsweise verwendet der offenbarte Schalter 2 einen
geeigneten Schalter oder Schaltungsunterbrechnungsmechanismus derart,
dass die trennbaren Kontakte 4A, 4B, 4C,
die durch den Betriebsmechanismus 6 geöffnet und
geschlossen werden, ist die Erfindung anwendbar in einem weiten
Bereich von Schaltungsunterbrechungsmechanismen (beispielsweise,
ohne Einschränkung, Festkörper- oder FET-Schalter;
Kontaktvorrichtungskontakte) und/oder bei auf Festkörpertechnik
basierenden Steuer-/Schutzvorrichtungen (beispielsweise, ohne Einschränkungen,
Antriebe, Weichstarter.
-
Obwohl
spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen
beschrieben wurden, erkennt der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen
und Alternativen dieser Einzelheiten entwickelt werden könnten,
und zwar im Lichte der gesamten Lehre der Offenbarung. Demgemäß sollen
die speziellen Anordnungen, die hier offenbart sind, nicht einschränkend
hinsichtlich des Rahmens der Erfindung betrachtet werden, die durch
die volle Breite der angefügten Ansprüche auch
hinsichtlich jedweder und aller Äquivalente definiert ist. ÜBERSETZUNG
DER BESCHRIFTUNGEN IN DER ZEICHNUNG
| | Fig.
1A | |
| | NEUTRAL | Neutral |
| | GROUND | Erde |
| | OPERATING
MECHANISM 6
| Betriebsmechanismus 6
|
| | POWER
SUPPLY 16
| Leistungsversorgung 16
|
| | ANALOG
SENSING CIRCUIT 24
| Analogabfühlschaltung 24
|
| | TRIP
OUTPUT | Auslöseausgang |
| | COUNTER
(TMR1) 74
| Zähler
(TMR1) 74
|
| | ADC 30
| Analog/Digital-Wandler |
| | Fig.
1B | |
| | NARROW
BAND FILTER 54, 55, 56
| Schmalbandfilter 54, 55, 56
|
| | PEAK
DETECTOR 58, 59, 60
| Spitzendetektor 58, 59, 60
|
| | ENVELOPE
DETECTOR 62, 63, 64
| Umhüllender
Detektor 62, 63, 64
|
| | Fig.
2 | |
| 102 | READ
THREE-PHASE CURRENT SIGNALS IA, IB, IC | Lese
Drei-Phasen Stromsignale IA, IB, IC |
| 108 | TRIP
THE BREAKER Irated | Löse
den Schalter aus Inenn |
| 110 | TRIP
THE BREAKER | Löse
den Schalter aus |
| 112 | HF
ALGORITHM READY TO TRIP THE BREAKER | Ist
der HF Algorhytmus bereit zur Auslösung des Schalters? |
| 114 | TRIP
THE BREAKER | Löse
den Schalter aus |
| 116 | 15 × Irated > IA AND
IB AND IC > Irated? | 5 × Inenn > IA und
IB und IC > (nenn? |
| 118 | TRIP
BREAKER ACCORDING TO STANDARD TRIP CURVE | Löseschalter
entsprechend der Standardauslösekurve aus |
| | Fig.
3A | |
| 202 | OBTAIN
HIGH FREQUENCY SIGNALS AT MULTIPLE FREQUENCIES | Hochfrequenzsignale
bei Mehrfachfrequenzen |
| 204 | OBTAIN
NOISE BASELINES FIR HIGH FREQUENCY SIGNALS USING 8-POINT MOVING AVERAGE
ON HIGH FREQUENCY SIGNALS BELOW PREDEFINED THRESHOLDS T1(n) | Erhalte
Rauschgrundlininen für Hochfrequenzsignale unter Verwendung
eines 8-Punkt-beweglichen Durchschnitts mit Hochfrequenzsignalen
unterhalb vorbestimmter Schwellen T1(n) |
| 206 | CORRECT
HIGH FREQUENCY SIGNALS BY SUBTRACTING BASELINES FROM HIGH FREQUENCY
SIGNALS | Korrigiere
Hochfrequenzsignale durch Subtrahieren der Basis- bzw. Grundlinien
von den Hochfrequenzsignalen |
| 208 | ARE
ANY CORRECTED HIGH FREQUENCY SIGNALS ABOVE PREDEFINED THRESHOLDS T1(n)? | Sind
irgendwelche korrigierten Hochfrequenzsignale oberhalb vorbestimmter
Schwellen T1(n)? |
| 236 | PROCESS
INTERRUPTS SET SAMPLE = (N – 1) | Verarbeite
Unterbrechungen (interrupts), Setze Tastung = (N – 1) |
| 238 | ENABLE
NEXT TMRO INTERRUPT | Ermögliche
nächste TMRO Unterbrechung |
| 244 | OBTAIN
HIGH REQUENCY COUNTS Mn AT MULTIPLE FREQUENCIES | Erhalte
Hochfrequenzzählerstände Mn bei Mehrfachfrequenzen |
| 246 | DETERMINE
PREDEFINED FUNCTION F1(M) OF THE COUNTS | Bestimme
vordefinierte Funktion F1(M) der Zählerstände |
| 248 | COUNTER
= COUNTER + F1 | Zähler
= Zähler + F1 |
| 226 | DECREASE
TEMPORARY BUCKET X(n) AT THAT FREQUENCY BY A PREDEFINED VALUE S1(n);
SET X(n) = 0 IF X(n) < 0 | Vermindere
den Temporärbehälter bzw. Bucket X(n) bei dieser
Frequenz um einen vorbestimmten Wert S1(n); setze X(n) = 0 wenn
X(n) < 0 |
| | Fig.
3B | |
| 210 | RESET
TRIP TIME IF TRIP BUCKET Y IS ZERO OR LESS THAN ZERO | Setze
die Auslösezeit zurück wenn der Auslösebucket
Y Null oder kleiner als Null ist. |
| 212 | INCREASE
TEMPORARY BUCKET X(n) AT THAT FREQUENCY BY C1(n) | Erhöhe
den temporären Bucket X(n) bei dieser Frequenz um C1(n) |
| 214 | SAMPLE
= SAMPLE – 1 | Tastung
= Tastung – 1 |
| 216 | SAMPLE
= 0? | Tastung
= 0? |
| 218 | DOES
THE PREDEFINED FUNCTION F2(fn) OF THE TEMPORARY BUCKET VALUES MEET
A PREDEFINED THRESHOLD T2? | Erfüllt
die vordefinierte Funktion F2(fn) der temporären Bucketwerte
eine vordefinierte Schwelle T2? |
| 228 | SAMPLE
= SAMPLE – 1 | Tastung
= Tastung – 1 |
| 230 | SAMPLE
= 0 | Tastung
= 0 Y = Ja, N = Nein |
| 240 | DECREASE
BREAKER TRIP BUCKET Y BY A PREDEFINED VALUE 82; SET Y = 0 IF Y < 0 | Verringere
Schalterauslösebucket Y um einen vorbestimmten Wert S2;
Setze Y = 0 wenn Y > 0 |
| 242 | RESET
TRIP TIME IF TRIP TIME < =
0; OTHERWISE, TRIP TIME = (TRIP TIME-8.3/(N – 1))ms | Setze
die Auslösezeit zrück wenn die Auslösezeit < = 0 ansonsten,
Auslösezeit = (Auslösezeit – 8,3/(N – 1))mS |
| | Fig.
3B | |
| 220 | ADD
VALUES OF TEMPORARY BUCKETS X(n) TO BREAKER TRIP BUCKET Y | Addiere
Werte der temporären Buckets X(n) zu dem Schalter- bzw.
Unterbrecher-Auslösebucket |
| 222 | ARE
ALL OF THE FOLLOWING MET: | Sind
sämtliche folgende Bedingungen erfüllt: |
| | • THE
DIFFERENCE BETWEEN THE COUNTER FORM THE TWO MOST RECENT HALF-CYCLES
WITH SAM PLARITY IS GREATER THAN 1 | • Die
Differenz zwischen dem Zählerstand von den zwei kürzlichsten
Halbzyklen mit der gleichen Polarität ist größer
als 1 |
| | • BREAKER
TRIP BUCKET VALUE IS LARGER THAN A PREDEFINED VALUE T3 | • Der
Schalteauslösebucketwert ist größer als
ein vorbestimmter Wert T3 |
| | • TRIP
TIME < = 0 | • Auslösezeit > = 0 |
| 224 | TRIP
THE BREAKER | Löse
den Schalter aus |
| 225 | RESET: | Zurücksetzung: |
| | • BREAKER
TRIP BUCKETS Y = 0 | • Schalterauslösebuckets
Y = 0 |
| | • TEMPORARY
BUCKET X(n) = 0 | • Temporärer
Bucket X(n) = 0 |
| | • COUNTER
= 0 | • Zähler
= 0 |
| | • TRIP
TIME | • Auslösezeit
(TRIP TIME) |
| 232 | RESET
TRIP TIME IF: | Setze
die Auslösezeit zurück wenn: |
| | • BREAKER
TRIP BUKCET Y < =
0 OR | • Der
Schalterauslösebucket Y < =
0 oder |
| | • TRIP
TIME < = 0; OTHERWISE,
TRIP TIME = (TRIP TIME-8:3/(N – 1))ms | • Auslösezeit < = 0; ansonsten,
Auslösezeit = (Auslösezeit-8,3/(N – 1))mS |
| 234 | RESET: | Rücksetzung: |
| | • TEMPORARY
BUCKETS X(n) = 0 | • Temporäre
Buckets X(n) = 0 |
| | • COUNTER
= 0 | • Zähler
= 0 |
| 250 | CURRENT
SIGNALS FROM CTs AT PHASE A, B AND C | Stromsignale
von CTs bei Phase A, B und C |
| 252 | SET
ARC FAULT TRIP TIME | Setze
Bogenfehlerauslösezeit |
| | Fig.
4 | |
| | Irated | Inenn |
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Zusammenfassung
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Ein
Verfahren zum Detektieren von Bogenzuständen umfasst das
Abfühlen von Strom und von HF-Signalen daraus; die Bandpassfilterung
der HF-Signale und das Vorsehen gefilterter Signale;
das Detektieren
von Spitzensignalen und Umhüllungen aus den gefilterten
Signalen; das Zählen von Auftritten der Umhüllungen,
die einen ersten Wert übersteigen; das Aufrechterhalten
von temporären Werten entsprechend den Spitzensignalen;
das Bestimmen einer Auslösezeit als eine Funktion des Stroms;
das Bestimmen, ob irgendein Spitzensignal größer
ist als eine zweite Währung und das darauf ansprechendes
Erhöhen eines temporären Wertes und ansonsten
Verminderung des temporären Werts; Bestimmen, ob eine vorbestimmte Funktion
von temporären Werten größer ist als
ein fünfter Wert und Hinzuaddieren der temporären
Werte zu einem Akkumulator und ansonsten Verringern des Akkumulators;
Auslösen in den Öffnungszustand der Leistungsschaltung
dann, wenn: eine Differenz zwischen den Auftritten des Stroms und
dem unmittelbar vorhergehenden Halbzyklus mit der gleichen Polarität
mindestens zwei ist, der Akkumulator größer ist
als ein siebter Wert und die Auslösezeit erreicht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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