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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln und Begrenzen
eines Überstromes
in zumindest einer Wicklung in einem 3-phasigen oder mehrphasigen
elektrischen Motor, der über
einen Frequenzumrichter oder einen Wechselrichter mit gesteuerten
Halbbrücken,
die aus einem Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist werden, bestromt wird,
wobei der Strom an einem gemeinsamer Pol aus dem Gleichspannungszwischenkreis
durch die Vorrichtung erfassbar und auswertbar ist. Die Erfindung
betrifft ferner ein Verfahren zum Ermitteln eines Überstromes
in zumindest einer Wicklung in einem 3-phasigen oder mehrphasigen
elektrischen Motor, der über
einen Frequenzumrichter oder einen Wechselrichter mit gesteuerten
Halbbrücken,
die aus einem Gleichspannungszwischenkreis gespeist werden, bestromt
wird, wobei der Strom an einem gemeinsamer Pol aus dem Gleichspannungszwischenkreis
durch die Vorrichtung erfasst und ausgewertet wird.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus der
DE 101 19 201 A1 bekannt. Die offenbarte
Vorrichtung ist Bestandteil eines Frequenzumrichters, mit dem ein 3-phasiger
Asynchronmotor als Antrieb für
eine Waschmaschinentrommel bestromt wird. Um sicherzustellen, dass
sich im Motor keine zu hohen Temperaturen in den Wicklungen einstellen,
misst die Vorrichtung den Widerstand der einzelnen Wicklungen, in
dem diese einzeln mit einem bekannten Strom bestromt werden. Aus
der Änderung
des Stromflusses und der Kenntnis des Widerstandes der Wicklung wird
die Temperaturänderung
der Wicklung ermittelt. Hierbei wird eine Temperaturüberwachung über eine Messung
der Wicklungswiderstände
des geregelten Motors vorgenommen, durch einen Vergleich zwischen
einem Wert eines jeweiligen Kaltwiderstands und einem aktuellen
Widerstand im erwärmten
Zustand. Als Ergänzung
zu der reinen Temperaturüberwachung
kann auch der durch den Umrichter zufließende Strom überwacht
werden. Dazu sind zwei Messschwellen, eine Vorwarnschwelle und eine
darüber
liegende Notabschaltschwelle, in einer Stromauswerteschaltung definiert.
Dabei kann die Stromauswerteschaltung beispielsweise durch Rückgriff auf
einen Spannungsabfall in dem allen Halbbrücken des Umrichters gemeinsamen
Shunt in jedem Betriebszustand erfolgen.
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Bei
dieser Art der Ermittlung von Überlastzuständen müssen die
Parameter der Motorwicklung, wie Widerstand und Temperaturkoeffizient
der Wicklung genau vorbekannt sein und in der Vorrichtung zur Vorgabe
des Referenzwertes genau eingestellt werden. Hierbei muss sichergestellt
werden, dass der Referenzwert im Betrieb nicht ungünstig driftet, damit
der Motor bei Überlast
nicht zu früh
oder zu spät
abgeschaltet wird.
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Aus
der
US 5,378,952 A ist
ein Antriebssystem bekannt, bei dem die Wicklung des Stators im Motor
mit Hilfe eines Temperatur-Sensors überwacht wird. Diese Art der
Ermittlung einer zu hohen Temperatur ist zwar sehr zuverlässig und
genau auf den Motor abzustimmen, es sind jedoch zusätzliche
Komponenten im Motor selbst und weitere Signalleitungen zwischen
Motor und der Vorrichtung zur Überwachung
der Motortemperatur notwendig. Eine nachträgliche Bestückung eines Motors mit einem
Sensor ist in der Regel nicht durchführbar. Bei einer ungünstigen
Lage des Sensors kann es auch zu Fehlinterpretationen kommen. Wenn
der Sensor beispielsweise an einer sehr kalten Seite des Motors
angeordnet ist, könnte
es im Überlastfall
zu einer verspäteten
Abschaltung des Motors führen.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Überwachung und Begrenzung eines Überstromes
in zumindest einer Wicklung in einem 3-phasigen oder mehrphasigen
elektrischen Motor der eingangs genannten Art hinsichtlich der Zuverlässigkeit
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch
1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
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Zur
Lösung
wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der zu messende Strom
mit einem Referenzwert verglichen und beim Erreichen oder Überschreiten
des Referenzwertes ein Ausgangssignal für die Abschaltung der Bestromung
des Motors aktiviert wird, wobei der Referenzwert aus der Summe des
Gleichanteils des zu messenden Stromes und einem fest voreingestellten
Wert gebildet wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die einen Komparator umfasst,
durch den der zu messende Strom am gemeinsamen Pol im Gleichspannungszwischenkreis
mit einem Referenzwert vergleichbar ist, wobei bei der Überschreitung
des Referenzwertes ein Ausgangssignal für die Abschaltung der Bestromung
des Motors aktivierbar ist. Der Referenzwert, wird aus der Summe
des Gleichanteils oder zumindest eines Teils des Gleichanteils des
zu messenden Stromes mit einem fest voreingestellten Wert gebildet.
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Die
mit der Erfindung erreichbaren Vorteile bestehen darin, dass mit
einfachen Mitteln unzulässige
Betriebszustände
des Motors anhand des Signalverlaufs des Stromes im Gleichspannungszwischenkreis
erkannt werden, die beim weiteren Betrieb zu einer unzulässigen Überhitzung
des Motors führen würde. Hierbei
wird eine Überlastung
sowohl bei drehendem als auch bei stillstehendem Motor erkannt. Hierzu
wird im laufenden Betrieb ständig
der Mittelwert des Stromsignals im Gleichspannungszwischenkreis,
der als Maß für den Effektivwert
oder herangezogen wird, mit dem Referenzwert verglichen. Bei normal
drehendem Motor, in bestimmungsgemäßen Zustand, hat das Stromsignal
einen hohen Gleichanteil. Der Überlastfall
darf erst bei einem Gleichanteil erkannt werden, der deutlich vom
Normalbetrieb erhöht
ist. In diesem Fall muss als Referenzwert am Komparator ein hoher
Stromwert bzw. Spannungswert eingestellt werden. Bei einer Bestromung
mit Gleichstrom, beispielsweise bei stillstehendem Motor, ergibt
sich aufgrund der Verschaltung der Halbbrücken mit den Statorwicklungen
im Motor ein Stromsignal, welches einen sehr kleinen Gleichanteil bzw.
einen kleinen Mittelwert aufweist. In diesem Fehlerfall muss als
Referenzwert am Komparator ein geringer Stromwert bzw. Spannungswert
eingestellt werden, da der tatsächlich
durch die Wicklungen fließende
Strom wesentlich höher
ist, als der Mittelwert an dem Messpunkt im Gleichspannungszwischenkreis.
Deshalb wird der Referenzwert für
den Komparator für
diese beiden möglichen
Betriebsfälle
jeweils optimal eingestellt.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
wird als Referenzwert ein Spannungssignal verwendet, wobei der fest
voreingestellte Wert aus einem Spannungsteiler abgeleitet wird.
Mit dieser Anordnung kann der fest voreingestellte Wert einfach
auf den zu betreibenden Motor abgestimmt werden. Zu dem fest voreingestellten
konstanten Spannungswert wird ein veränderlicher Wert addiert, welcher
sich aus dem Mittelwert des zu messenden Stromsignals im Gleichspannungszwischenkreis
zusammensetzt. Im Komparator werden somit Spannungswerte verarbeitet,
die sich jedoch auf Stromwerte beziehen, wobei der zu messende Strom
mit Hilfe eines Widerstandes (shunt) zwischen einem Pol, beispielsweise
zwischen dem Minus-Pol im Gleichspannungszwischenkreis und dazugehörigen gemeinsamen
Pol des Wechselrichters, als Spannungswert dem Komparator zugeführt wird.
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Es
ist dabei zweckmäßig, dass
zur Ermittlung des Gleichanteils des zu messenden Stromes ein Tiefpass
verwendet wird, dessen Ausgangspannung mit dem fest voreingestellten
Wert gekoppelt ist oder zu diesem addiert wird. Ein Tiefpass ist
einfach aufgebaut, wobei sich am Ausgang des Tiefpasses zuverlässig der
Gleichanteil oder Effektivwert des zu messenden Signals, hier ein
als Spannung umgewandeltes Stromsignal, bereitgestellt wird. Die
Kopplung mit dem konstanten oder fest voreingestellten Wert erfolgt
zweckmäßigerweise
mit einer Schaltungsanordnung, die beispielsweise aus Widerständen und
Kapazitäten
aufgebaut ist und eine Addition der Spannungswerte bewirkt.
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In
einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung ferner eine Einrichtung
zur Verzögerung
des Ausgangssignals, durch die das Ausgangssignal erst nach einer
vorbestimmbaren Dauer für
die Überschreitung
des Referenzwertes aktivierbar ist. Damit wird verhindert, dass
kurzzeitige Überschreitungen der
Stromaufnahme in den Motorwicklungen als Überlast detektiert werden und
eine ungewollte Abschaltung des Motors bewirkt wird. Kurzzeitige Überlastzustände, wie
beispielsweise beim Einschalten des Motors sind keine kritischen
Zustände,
die zu einer Überhitzung
der Wicklungen führen.
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In
einer zweckmäßigen Ausführung wird
der Strom beim laufenden Betrieb des Motors gemessen. Auf diese
Weise kann auf separate Messzyklen verzichtet werden, wodurch der Betrieb
nicht beeinträchtigt
wird. Es werden ferner reale Umstände des Betriebes erfasst,
so dass beispielsweise ein Blockierung der Drehbewegung der Trommel
oder eine Überlast
aufgrund einer überladenen
Trommel erkannt wird.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Strom zumindest im wesentlichen
kontinuierlich gemessen. Somit können
aufgrund von Veränderungen im
Stromsignal mögliche
unzulässige
Betriebssituationen oder Beschädigungen
von Teilen, die mit dem Motor in Wirkverbindung stehen, erkannt
werden.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ferner ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der
zu messende Strom mit einem Referenzwert verglichen und beim Erreichen
oder Überschreiten
des Referenzwertes ein Ausgangssignal für die Abschaltung der Bestromung
des Motors aktiviert wird, wobei der Referenzwert aus der Summe
des Gleichanteils des zu messenden Stromes und einem fest voreingestellten Wert
gebildet wird.
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In
einer Weiterbildung wird das Ausgangssignal erst nach einer vorbestimmbaren
Dauer für
die Überschreitung
des Referenzwertes aktiviert. Mit dieser Maßnahme wird verhindert, dass
bei kurzzeitig auftretenden zu hohen Strömen, die noch nicht zu einer
gefährlichen Überhitzung
der Motorwicklungen führen,
eine Abschaltung der Motorströme
erfolgt.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
wird der Strom im laufenden Betrieb des Motors gemessen. Hierdurch
werden zumindest nahezu alle Einflüsse auf den Motor, die zur
hohen Belastung führen
können,
berücksichtigt.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Strom kontinuierlich
gemessen. Auf diese Weise werden über die gesamte Betriebszeit
des Motors zumindest nahezu alle Betriebsfälle erfasst und ausgewertet.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt
und wird nachfolgend näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
skizzierte Waschmaschine in einer Schnittdarstellung;
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2:
eine Skizze des Frequenzumrichters;
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3:
eine skizzierte Schaltungsanordnung zum Ermitteln und Begrenzen
von zu hohen Strömen;
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4, 5:
Diagramme für
die messende Spannung im Zeitverhalten und
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6, 7:
Diagramme für
die messende Spannung in Abhängigkeit
des Phasenstromes.
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In 1 ist
eine Waschmaschine 1 in einer Schnittdarstellung in der
betriebsgemäßen Lage
aufskizziert. Die Waschmaschine 1 umfasst einen Laugenbehälter 19,
in dem eine im wesentlichen horizontal drehende Trommel 18 angeordnet
ist. Die Trommel, wird mit Hilfe eines Motors 3 und eines
Antriebssystems 2 angetrieben. Der Motor 3 wird
durch einen Frequenzumrichter 4, angesteuert und ist mittels
eines Kabels 25 an dem Frequenzumrichter 4 angeschlossen.
In diesem Beispiel wird ein bürstenloser Synchronmotor
verwendet, wobei der Frequenzumrichter 4 die Leistung oder
Bestromung für
den Motor 3 bereitstellt.
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In
der 2 ist die Anordnung des Frequenzumrichters 4 zur
Bestromung des Motors 3 aufskizziert. Die angelegte Versorgungsspannung 5 (beispielsweise
230V~) wird mit einem Gleichrichter 6 in eine Gleichspannung
mit einem Pluspol 9 und einem Minuspol 10 gleichgerichtet.
Die Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis 7 liegt
hierbei im Bereich von 230 V bis 300 V. Bei anderen Werten für die zugeführte Versorgungsspannung 5 würden sich
entsprechend andere Werte für
die gleichgerichtete Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 7 einstellen.
An dem Gleichspannungszwischenkreis 7 ist der Wechselrichter 12 angeschlossen,
der für
jede Phase U, V, W des Motors jeweils eine sogenannte Halbbrücke 14u, 14v, 14w besitzt.
Die Halbbrücken 14u, 14v, 14w schalten
mit Hilfe von Transistoren T1 bis T6 den Motorstrom in den Phasen
U, V, W, wobei eine Pulsweitenmodulation verwendet wird, die zur Bereitstellung
von sinusförmigen
Strömen
oder Gleichströmen
in den Phasen U, V, W dient. Als Motor 3 wird in diesem
Beispiel ein 3-Phasen Motor mit einer 3-strängigen Statorwicklung 16 verwendet,
die sternförmig
ausgeführt
ist. Im Gleichspannungszwischenkreis 7 ist die Vorrichtung 11 zur
Erkennung von zu hohen Strömen
in der Motorwicklung 16 angeordnet, die den Stromverlauf
am Minuspol 10 auswertet. Hierzu wird mit Hilfe eines Messwiderstandes 8 aus
dem Strom I≃ ein
Spannungssignal U≃ abgeleitet,
welches in der Vorrichtung 11 zur Erkennung von zu hohen
Strömen
ausgewertet wird.
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In 3 sind
die wesentlichen funktionalen Komponenten aufskizziert, die zur
Erkennung von zu hohen Strömen
notwendig sind. Hierbei wird das Spannungssignal U≃ einem Komparator 23 zugeführt, der
das Spannungssignal U≃ mit
dem Referenzwert Uref vergleicht. Sobald der zugeführte Wert U≃ den Referenzwert
Uref überschreitet,
wird der Ausgang 24 aktiv, dem ein Zeitverzögerungsglied 25 nachgeschaltet
ist. Wenn das Ausgangssignal 24 länger aktiviert ist, als die
voreingestellte Zeit im Zeitverzögerungsglied 25,
wird der Ausgang A aktiviert, der zur Abschaltung der Phasen U.
V, W für
die Bestromung des Motors dient. Gemäß 2 ist zwischen
dem Frequenzumrichter 4 und dem Motor 3 als Abschaltmittel 15 ein
dreiphasiges Trennrelais zwischengeschaltet, welches die Bestromung
Iu, Iv, Iw zu der Motorwicklungen 16u, 16v, 16w (2)
unterbricht, sobald der Ausgang A der Vorrichtung 11 zur Erkennung
von zu hohen Strömen
aktiviert wird. Diese Anordnung ist nur ein Beispiel, wie die Abschaltung
erfolgen kann. Es kann alternativ die Ansteuerung der Halbbrücken 14u, 14v, 14w derart
beeinflusst werden, dass die Bestromung des Motors 3 unterbrochen
wird.
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In 3 ist
ferner dargestellt, dass für
die Bereitstellung des Referenzwertes Uref für den Komparator 23 besondere
Maßnahmen
getroffen werden. Hierbei wird ein konstanter Wert Uk mit Hilfe
eines Spannungsteilers 22 voreingestellt, wobei Ub die
interne konstante Versorgungsspannung der Komponenten darstellt.
Alternativ kann diese Voreinstellung auch mit einer Konstantspannungsquelle,
die aus Zener-Diode oder einer Bandgag besteht, bereitgestellt werden.
Diesem konstanten Wert Uk wird mit Hilfe eines Addierers 21 der
weitere variable Wert Uvar, dazuaddiert, um anschließend als
Referenzwert Uref dem Komparator 23 zugeführt zu werden.
Der Variable Wert Uvar ist der Gleichanteil des über den Tiefpass 20 gewandelten
Spannungssignals U≃.
Auf diese Weise wird der Referenzwert Uref in Abhängigkeit von
der Signalform des zu messenden Spannungssignals U≃ eingestellt.
Es ist hierbei anzumerken, dass ein Spannungssignal gemessen und
ausgewertet wird, dieses lässt
sich über
die Beziehung U = R × I (Ohmsches
Gesetz) auf den zu messenden Strom I≃ abbilden. Entsprechendes gilt
für die
Bereitstellung des Referenzwertes, der aus einem konstanten Anteil
Uk und einem variablen Anteil Uvar besteht.
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In 4 ist
der Signalverlauf des zu messenden Spannungssignals U≃ für den Fall
aufskizziert, wenn eine 3-phasige sinusförmige Bestromung für den Motor 3 erfolgt.
Die pulsartige Signalform der Spannung U≃ entspricht dem Strom im Gleichspannungszwischenkreis 7 (2)
der sich aufgrund des Schaltverhaltens der Transistoren T1 bis T6
ergibt. Hierbei werden die Transistoren T1 bis T6 durch eine Steuereinheit
(nicht dargestellt) so geschaltet, dass sich in den Phasen U. V,
W sinusförmige
Ströme
ausbilden. Ein Stromverlauf in der Phase U ist mit Iu dargestellt,
wobei hier nur ein kleiner zeitlicher Ausschnitt von 1 ms dargestellt
ist.
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In 5 ist
der Signalverlauf des zu messenden Spannungssignals U≃ für den Fall
aufskizziert, wenn eine Bestromung mit Gleichstrom für den Motor 3 erfolgt.
Die pulsartige Signalform der Spannung U≃ entspricht dem Strom im Gleichspannungszwischenkreis 7 (2)
der sich aufgrund des Schaltverhaltens der Transistoren T1 bis T6
ergibt. Hierbei werden die Transistoren T1 bis T6 durch eine Steuereinheit
(nicht dargestellt) so geschaltet, dass sich in einer Phase, beispielsweise
Phase U ein Gleichstrom mit voller Stromstärke ausbildet, die sich über die
beiden anderen Phasen V, W mit jeweils halber Stromstärke verzweigt.
Ein Stromverlauf in der Phase U ist mit Iu dargestellt, wobei auch
hier nur ein kleiner zeitlicher Ausschnitt von 1 ms dargestellt
ist.
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Hierbei
ist zu erkennen, dass bei sinusförmiger
Bestromung gemäß 4 der
Gleichanteil Uvar des Spannungssignals U≃ höher ist, als bei einer Bestromung
mit Gleichstrom (5) In 6 ist beispielhaft
der Verlauf des Referenzwertes Uref bei einer 3-phasigen sinusförmigen Bestromung
dargestellt. Zum konstanten Wert Uk wird der variable Teil Uvar
addiert, wodurch sich ein stark ansteigender Verlauf für den Referenzwert
Uref in Abhängigkeit des
dem Motor zugeführten
Stromes Iu ergibt, wobei hier der Effektivwert für die Phase U auf der horizontalen
Achse dargestellt ist. Das Spannungssignal U≃ steigt in Abhängigkeit
des dem Motor zugeführten Stromes
Iu an, wobei am Schnittpunkt des U≃ Verlaufes mit der Verlaufslinie Uref
die Abschaltung erfolgt bzw. ein zu hoher Effektivwert des Stromes
in den zumindest einer der drei Phasen U, V oder W erkannt wird.
In diesem Beispiel wird bei einem effektiven Phasenstrom IA = 3,5
A abgeschaltet. Bei diesem Strom entspricht der Wert des Spannungssignals
U≃ dem
Wert UA. Entsprechendes gilt für
die anderen Phasen V und W.
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In 7 ist
beispielhaft der Verlauf des Referenzwertes Uref bei einer 3-phasigen
Bestromung mit Gleichstrom dargestellt. Zum konstanten Wert Uk wird
der variable Teil Uvar addiert, wodurch sich hierbei bei dieser
Bestromungsart nur ein leicht ansteigender Verlauf für den Referenzwert
Uref in Abhängigkeit
des dem Motor zugeführten
Stromes ergibt. In diesem Beispiel ist der Gleichstrom mit dem vollen Wert
für die
Phase Iu dargestellt. Das Spannungssignal U≃ steigt in Abhängigkeit
des dem Motor zugeführten
Stromes an, wobei am Schnittpunkt A des U≃ Verlaufes mit der Verlaufslinie
Uref die Abschaltung erfolgt bzw. ein zu hoher Wert des Stromes
Iu in der Phase U erkannt wird. In diesem Beispiel wird bei einem
Phasenstrom IA = 3,5 A (Gleichstrom) abgeschaltet, bei einer Phasenspannung
im Bereich zwischen 230 V und 300 V. Bei diesem Strom entspricht der
Wert des Spannungssignals U≃ dem
Wert UA. Entsprechendes gilt für
die anderen Phasen V und W.
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Die
oben genannte Vorrichtung zum Ermitteln und Begrenzen von zu hohen
Strömen
ist auch für
andere Motoren geeignet, die mittels Frequenzumrichter bestromt
werden. Dies sind beispielsweise Motoren in Laugenpumpen von Geschirrspülmaschinen
oder Waschmaschinen. Bei diesen Pumpenmotoren würde die Abschaltung bei einem
Phasenstrom von etwa 350 mA bei einer Phasenspannung von 230 V bis
300 V erfolgen.