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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schutz eines über einen
Leistungsschalter gespeisten Systems gegen elektrische Überlasten,
welche Einrichtung Meßmittel
zur Messung des Versorgungsstroms des Systems sowie einen Auslöser umfaßt, der
mit den Meßmitteln
verbunden ist und Verarbeitungsmittel umfaßt, um nach einer Zeitverzögerung ein
Auslösesignal
zur Abschaltung des Leistungsschalters zu erzeugen, wenn der Strom
einen bestimmten Stromansprechwert überschreitet, wobei die Verarbeitungsmittel
Bestimmungsmittel mit einer ersten festgelegten Zeitkonstante zur
Bestimmung einer den thermischen Zustand des Systems abbildenden
Größe sowie
Vergleichsmittel zum Vergleich der genannten Größe mit einem festgelegten Auslöseansprechwert
umfassen, derart daß eine
bestimmte Zeit-/Strom-Schutzfunktion realisiert wird.
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In
Verarbeitungsschaltungen von Auslösern bekannter Art wird in
die Berechnung der den thermischen Zustand des zu schützenden
Systems abbildenden Größe eine
Zeitkonstante einbezogen. Die dabei zur Zeit verwendeten Modelle
führen
zu einer Verringerung der Warmauslösezeit im Verhältnis zur
Kaltauslösezeit.
Bei Leistungsschaltern beträgt
das Verhältnis
zwischen Kaltauslösezeit
und Warmauslösezeit
typischerweise vier, was den tatsächlichen physikalischen Verhältnissen
bei der Erwärmung
von Kabeln entspricht. Bei bestimmten Anwendungen, insbesondere
beim Motorschutz, darf das Verhältnis
zwischen Kalt- und Warmauslösekurven nicht
zu groß sein,
um unbeabsichtigte Auslösungen
zu vermeiden.
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Mit
bestimmten Auslösern
läßt sich
dieses Problem teilweise lösen.
Eine in 7 genauer dargestellte Einrichtung
führt zwei
Verarbeitungen parallel mit unterschiedlichen Zeitkonstanten durch.
Eine solche Einrichtung benötigt
eine große
Rechenleistung und ist daher nicht wünschenswert.
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In
der Patentschrift
US 5.418.677 wird
eine Einrichtung beschrieben, bei der die thermische Größe auf einen
Maximalwert begrenzt ist, der einem Bruchteil von beispielsweise
2/3 des Auslöseansprechwerts
entspricht, solange der Strom einen bestimmten Schwellwert nicht überschreitet.
Bei einer solchen Einrichtung läßt sich
feststellen, daß das
Verhältnis
zwischen Kaltauslösezeit
und Warmauslösezeit
kleiner wird.
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Ziel
der Erfindung ist eine Einrichtung, die eine Anpassung des Verhältnisses
zwischen Kaltauslösezeit
und Warmauslösezeit
an eine bestimmte Anwendung erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Bestimmungsmittel Mittel
zum Vergleich der genannten Größe mit einem
Schwellwert sowie Mittel umfassen, die dazu dienen, eine über der
ersten Zeitkonstante liegende zweite Zeitkonstante zu bestimmen,
wenn die Größe den genannten
Schwellwert überschreitet.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung umfassen die Bestimmungsmittel
Rechenmittel zur Berechnung von die genannten Zeitkonstanten abbildenden
Koeffizienten, welche Koeffizienten von den Bestimmungsmitteln zur
Bestimmung der Größe verwendet
werden.
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Die
Rechenmittel zur Berechnung der Koeffizienten berücksichtigen
die gewünschte
Kaltauslösezeit sowie
ein bestimmtes Verhältnis
zwischen der Kaltauslösezeit
und der Warmauslösezeit
des Auslösers
bei einem bestimmten Stromwert.
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Mehrere
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer
Vorteile und Merkmale näher
erläutert.
Dabei zeigen
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1 eine
stark vereinfacht dargestellte Schutzeinrichtung nach dem bisherigen
Stand der Technik, in der die Erfindung zum Einsatz gebracht werden
kann;
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2 und 3 eine
genauere Darstellung von zwei Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Verarbeitungsschaltung
einer Schutzschaltung;
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4 bis 6 die Änderung
des Stroms (4) bzw. der thermischen Größe (5)
in Abhängigkeit
von der Zeit sowie die Auslösekurven
(6) der bekannten Einrichtungen.
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7 eine
andere besondere Ausgestaltung der Verarbeitungsschaltung einer
Schutzeinrichtung nach dem bisherigen Stand der Technik;
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8 und 9 die Änderung
der thermischen Größe in Abhängigkeit
von der Zeit bzw. die Auslösekurven
der Einrichtung aus 7;
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10 die Änderung
der thermischen Größe in Abhängigkeit
von der Zeit bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung;
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11 eine
besondere Ausgestaltung der Verarbeitungsschaltung einer erfindungsgemäßen Einrichtung;
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12 eine
besondere Ausgestaltung eines für
eine erfindungsgemäße Einrichtung
verwendbaren Funktionsablaufdiagramms.
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Die
in 1 gezeigte Schutzeinrichtung umfaßt einen
Auslöser
mit einer Mikroprozessor-Verarbeitungsschaltung 1,
deren Eingang mit den Strom bzw. die Ströme im zu schützenden
System abbildenden Signalen I beaufschlagt wird. Bei diesem System
handelt es sich beispielsweise um einen Motor 2. Stromwandler 3 liefern
die Ströme
abbildende Signale I an den Auslöser.
Im Fehlerfall liefert die Verarbeitungsschaltung 1, gegebenenfalls
nach einer geeigneten Zeitverzögerung,
Auslösesignale
Sd an ein Relais 4, das die Abschaltung eines Leistungsschalters 5 und
die Unterbrechung der Stromversorgung des zu schützenden Systems bewirkt.
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Bei
der besonderen Ausgestaltung nach dem bisherigen Stand der Technik
entsprechend 2 umfaßt die Verarbeitungsschaltung
ein Digitalfilter 6 mit unendlicher Impulsantwort, ein
sogenanntes IIR-Filter. Die Stromsignale I werden dem Eingang einer
Abtastschaltung 7 zugeführt,
die am Ausgang Stromabtastwerte Ik liefert.
Der Eingang des IIR-Filters ist über
eine Quadrierschaltung 8 mit dem Ausgang der Abtastschaltung 7 verbunden.
Die Ausgangssignale θ des
IIR-Filters bilden den thermischen Zustand des zu schützenden
Systems ab und werden dem Eingang einer Komparatorschaltung 9 zugeführt, in
der sie mit Auslöseansprechwerten verglichen
werden. Die Schaltung 9 umfaßt gegebenenfalls Zeitverzögerungsglieder
und liefert ein Auslösesignal
Sd, wenn die Größe θ während der
Dauer der entsprechenden Zeitverzögerung über einem festgelegten Schwellwert
liegt.
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3 zeigt
eine vorzugsweise Ausgestaltung der Verarbeitungsschaltung eines
langzeitverzögerten Auslösers, in
dem die Erfindung zum Einsatz kommen kann. Die besondere Ausgestaltung
gemäß 3 wurde
in der am 23.12.1996 eingereichten französischen Patentanmeldung Nr.
9616152 der Anmelderin beschrieben, die der vorliegenden Anmeldung
zur Information beigefügt
ist. Sie umfaßt
eine Abtast- und Quadrierschaltung 10, die von den Stromwandlern 3 mit
Stromsignalen I beaufschlagt wird. Die Quadrate Ik 2 der Stromabtastwerte werden dem Eingang
eines Digitalfilters mit endlicher Impulsantwort 11, eines
sogenannten FIR-Filters zugeführt.
Die Ausgangssignale des FIR-Filters 11 bilden das Quadrat
des Effektivwerts des gemessenen Stroms Ieff2 ab.
Ein Digitalfilter mit unendlicher Impulsantwort 12, ein
sogenanntes IIR-Filter, ist mit dem FIR-Filter 11 in Reihe
geschaltet. Der Eingang des IIR-Filters 12 wird mit den
Ieff2-Signalen beaufschlagt und liefert
am Ausgang eine Größe 81,
die den thermischen Zustand des zu schützenden Systems abbildet. Ein Komparator 13 vergleicht
diese Größe θ1 mit einem
Langzeitverzögerungs-Auslöseansprechwert
SLR1 und liefert ein Auslösesignal
Sd1, wenn θ1
größer oder
gleich dem Schwellwert SLR1 ist.
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Der
Warm- und Kaltbetrieb bekannter Einrichtungen ist in den 4 bis 6 dargestellt.
In den genannten Figuren wird das Kaltbetriebsverhalten durch einen
Strom I dargestellt, der bis zu einem Zeitpunkt t1, an dem der Leistungsschalter 5 eingeschaltet
wird, null ist. Beim Einschalten des Leistungsschalters tritt eine Überlast
auf, d.h. der Strom I übersteigt
einen bestimmten Stromansprechwert von beispielsweise 1,25 Ir, wobei
Ir dem Einstellstrom des Auslösers
entspricht. In 4 beträgt der Überlaststrom 2 Ir.
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Die
den thermischen Zustand im Kaltbetrieb abbildende, zugeordnete Größe θf ist in 5 dargestellt. Diese
Größe, die
bis zum Zeitpunkt t1 null ist, steigt mit einer Zeitkonstante τ in Richtung
des Werts 4 Ir2 an. Nach einer Auslösezeit Td
erreicht die Größe θf den Schwellwert
SLR1. Der Schwellwert SLR1 beträgt vorzugsweise
(1,125 Ir)2.
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Die
entsprechende Kaltauslösekurve
Cf ist in
6 dargestellt. Diese Kurve hat
für alle
oben beschriebenen Einrichtungen (
2 und
3,
Patentschrift
US 5.418.677 )
prinzipiell den gleichen Verlauf.
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Das
Warmbetriebsverhalten ist in 4 durch
einen Strom I = Ir zwischen den Zeitpunkten t0 entsprechend dem
Einschaltmoment des Leistungsschalters und t1 entsprechend dem Auftreten
einer Überlast
mit Ansteigen des Stroms auf 2 Ir dargestellt.
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Bei
den in 2 und 3 gezeigten Einrichtungen entspricht
die den thermischen Zustand im Warmbetrieb abbildende Größe θc1 dem in 5 gezeigten
Verlauf. Sie steigt mit der gleichen Zeitkonstante τ wie die
Größe θf beim Kaltbetrieb
bis zum Erreichen von Ir2 zwischen den Zeitpunkten
t0 und t1 an. Ab dem Zeitpunkt t1 steigt sie dann erneut mit der
gleichen Zeitkonstante τ an
und erreicht nach einer Auslösezeit
von Td/4 den Auslöseansprechwert
SLR1. Die entsprechende Warmauslösekurve
Cc1 ist in 6 dargestellt.
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Das
Verhältnis
zwischen der Kaltauslösezeit
und der Warmauslösezeit
von vier ist für
bestimmte Anwendungen, insbesondere für den Motorschutz, zu groß.
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Bei
der in der Patentschrift
US 5.418.677 beschriebenen
Einrichtung ist die den thermischen Zustand im Warmbetrieb abbildende
Größe θc2 (
5)
auf einen Maximalwert begrenzt, solange keine Überlast auftritt. Nach einer
vorzugsweisen Ausgestaltung beträgt
dieser Grenzwert 2/3 des Auslöseansprechwerts,
d.h. 2S
LR1/3. Der in
5 gezeigte
Verlauf von θc2
zeigt, daß dies
zu einem Anstieg der Warmauslösezeit
im Vergleich zu θc1
führt.
Zum Zeitpunkt t1 ist die Größe θc2 nämlich kleiner
als θc1
und braucht daher bei der gleichen Zeitkonstante τ länger, um
ab dem Zeitpunkt t1 entsprechend dem Auftreten der Überlast
den Schwellwert S
LR1 zu erreichen. In
5 beträgt die der
Größe θc2 zugeordnete
Warmauslösezeit
etwa Td/2.
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Bei
der bekannten Ausgestaltung gemäß 7 sind
zwei Rechenschaltungen parallel geschaltet. Die den Strom I abbildenden
Signale werden gleichzeitig einer Rechenschaltung 14 zur
Berechnung einer thermischen Größe θ3 mit einer
Zeitkonstante t3 sowie einer Rechenschaltung 15 zur Berechnung
einer thermischen Größe θ4 mit einer
Zeitkonstante 24 zugeführt.
Gemäß einer
vorzugsweisen Ausgestaltung ist τ3
= τ4. Die
Zeitkonstante τ3
entspricht in der Praxis etwa der genannten Zeitkonstante τ, die repräsentativ
für die
Zeitkonstante der Erwärmung
von Kupfer ist, so daß die
thermische Größe der Erwärmung der
Elektrokabel des Netzes entspricht. Die Zeitkonstante τ4 hingegen
ist repräsentativ
für die
Erwärmungszeitkonstante
von Eisen und entspricht damit eher den Bedingungen für den Motorschutz.
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Die
Ausgangssignale θ3
und θ4
der Schaltungen 14 und 15 werden durch die Komparatoren 16 und 17 mit
Auslöseansprechwerten
SLR3 bzw. SLR4 verglichen.
Diese Komparatoren liefern dann ein Signal D1 bzw. D2 an eine ODER-Schaltung 18,
wenn einer der Auslöseansprechwerte überschritten
wird. Die Schaltung 18 sendet ein Auslösesignal Sd aus, wenn sie ein
Signal D1 oder D2 erhält.
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Nach
einer vorzugsweisen Ausgestaltung betragen SLR3 =
(1,125 Ir)2 und SLR4 =
(1,4 Ir)2. Die 8 und 9 zeigen
jeweils die Größen θf3 und θf4 für den Kaltbetrieb
sowie θc3
und θc4
für den
Warmbetrieb des ersten Zweigs 14, 16 bzw. des
zweiten Zweigs 15, 17 der Schaltung aus 7,
bzw. die Kaltauslösekurven Cf3
und Cf4 sowie die Warmauslösekurven
Cc3 und Cc4. Aus diesen Figuren geht hervor, daß der erste Zweig (14, 16)
Kaltauslösezeiten
Td3 bzw. Warmauslösezeiten
Td3/4 zur Folge hat, die mit den in 5 und 6 gezeigten
Zeiten vergleichbar sind. Im zweiten Zweig (15, 17)
jedoch kommt es zu kürzeren
Auslösezeiten
Td4 und Td4/2 mit einem maximalen Verhältnis von 2 zwischen den Kalt-
und den Warmauslösekurven.
Für die kleineren
Stromwerte bestimmt zunächst
der erste Zweig die Auslösezeit,
während
anschließend
der zweite Zweig schneller anspricht. Auf diese Weise können Fehlauslösungen verhindert
werden.
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Eine
Einrichtung dieser Art weist den Nachteil auf, daß sie eine
hohe Rechenleistung benötigt.
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Mit
Hilfe der Erfindung lassen sich spezifische Auslösezeiten sowohl für Kalt-
als auch für
Warmbetrieb erzielen, die an eine bestimmte Anwendung angepaßt sind,
ohne die erforderliche Rechenleistung wesentlich zu erhöhen.
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10 zeigt
den Verlauf der thermischen Größe θ5 in Abhängigkeit
von der Zeit bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung. In dieser
Figur sind der Verlauf im Kaltbetrieb θf5 und im Warmbetrieb θc5 sowie
eine herkömmliche
Kaltbetriebskurve θf
entsprechend der in 5 gezeigten Kurve dargestellt.
Bei der gezeigten Ausgestaltung beträgt die Kaltauslösezeit wie
in 5 dem Wert Td und die Warmauslösezeit Td/2.
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Hierzu
weisen die Kurven für θ5 (t) zwei
verschiedene, aufeinanderfolgende Zeitkonstanten auf. Solange θ5 kleiner
oder gleich einem, unter dem Auslöseansprechwert SLR1 liegenden
festgelegten Schwellwert S (in 10 S =
Ir2) ist, beträgt die Zeitkonstante sowohl
für die
Warmauslösekurve
(θc5) als
auch für
die Kaltauslösekurve
(θf5) τ5a. Überschreitet θ5 diesen
Schwellwert S, wird die Zeitkonstante auf einen über τ5a liegenden
Wert τ5b angehoben. Auf diese Weise wird die Anstieg
der Größe θc5 im Warmbetrieb
verringert. Damit die Auslösezeit
Td unverändert
bleibt, werden die Zeitkonstanten τ5a und τ5b so gewählt,
daß τ5a < τ < τ5b, wobei τ der
gewünschten
Zeitkonstante für
die herkömmliche
Kaltauslösekurve θf ist.
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Die
Erfindung kann in jeder bekannten Verarbeitungsschaltung zum Einsatz
kommen. 11 zeigt ihre Anwendung in einer
Schaltung der in 3 gezeigten Art. Das IIR-Filter 12 aus 3 ist
hier durch ein IIR-Filter 19 ersetzt, das einen zusätzlichen
Steuereingang aufweist. Dieser Eingang erlaubt die Steuerung eines
Koeffizienten α,
wie z.B. α =
Te/τ, wobei τ die Zeitkonstante
des IIR-Filters und Te die Abtastperiode der Eingangssignale des
Filters 19 ist. Der Koeffizient α wird über den Ausgang eines Komparators 20 gesteuert, dessen
Eingänge
mit den Signalen θ5
und dem Schwellwert S beaufschlagt werden.
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Das
Ablaufdiagramm aus 12 zeigt eine andere Ausgestaltung
der Erfindung, die in Form einer Software in ein IIR-Filter 12 einer
Einrichtung gemäß 3 integriert
ist. Bei dieser Ausgestaltung wird nach einem ersten Schritt F1,
in dem der zuvor berechnete Wert θi-1 der
Größe θ5 auf null
gesetzt wird, nach jeder Neuberechnung des Quadrats Ieff2 des Effektivwerts durch das FIR-Filter 11 ein
neuer Wert θi der Größe θ5 berechnet.
Nach dem Einlesen von Ieff2 (Schritt F2)
wird der Wert θi-1 mit dem Schwellwert S verglichen. Wenn θi-1 ≤ S
(Ausgang JA in Schritt F3), wird der Koeffizient α (Schritt
F4) auf einen ersten Wert αa entsprechend der Zeitkonstante τ5a gesetzt. Im anderen Fall (Ausgang NEIN
in Schritt F3), wird der Koeffizient α (Schritt F5) auf einen zweiten
Wert αb entsprechend der Zeitkonstante τ5b gesetzt. Nach den Schritten F4 bzw. F5
geht das IIR-Filter zu einem Schritt F6 zur Berechnung des neuen
Werts θ;
von θ5 über. θi= θi-1 + α(Ieff2 – θi-1) (1)
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Anschließend (Schritt
F7) wird der Wert θ;
mit dem Schwellwert S
LR1 verglichen. Wird
dieser Schwellwert erreicht oder überschritten (Ausgang JA in
Schritt F7), wird ein Auslösesignal
Sd erzeugt (Schritt F8). Andernfalls wird der Wert θ; zum neuen
Wert θ
i-1(Schritt F9), und das Programm verzweigt
erneut zum Einlesen des neuen Werts Ieff (Schritt F2). Bei jedem
Stromwert gehen beide Zeitkonstanten in die Auslösezeit ein, die sich aus folgender
Gleichung ergibt:
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Bei
einem bestimmten Stromwert wird die Kaltauslösezeit Tdf gemäß Tdf =
Td bestimmt, und das Verhältnis
x zwischen der Kaltauslösezeit
Tdf und der Warmauslösezeit
Tdc wird ebenfalls bestimmt.
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Anschließend können die
Werte τ5a
und τ5b,
und somit auch die Werte der Koeffizienten α
a et α
b aus Gleichung
(2) abgeleitet werden, da
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Bei
den oben beschriebenen Ausgestaltungen wird die Auslösezeit Td
für I =
2Ir festgelegt. In der Praxis kann jeder andere Wert des Überlaststroms
verwendet werden, und beim Motorschutz wird normalerweise die Auslösezeit Td
für einen
Wert von 7,2 Ir entsprechend dem Einstellwert der Zeitverzögerung des
Langzeitverzögerungsschutzes
des Auslösers
zugrunde gelegt.
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Somit
ergeben sich für α
a und α
b die
nachstehenden Werte, wenn S = Ir
2 und S
LR1 = (1,125Ir)
2:
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Nach
einer vorzugsweisen Ausgestaltung beträgt der Wert x beim Motorschutz
etwa 2, vorzugsweise x = 2,1, so daß x / x–1 ≈ 1,9
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Die
Wahl der Werte für
x und Td ist anwendungsabhängig,
und die Erfindung erlaubt die einfache Bestimmung der den Zeitkonstanten τ5a und τ5b entsprechenden Koeffizienten αa und αb anhand
dieser Werte.
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Die
Schaltung umfaßt
Rechenmittel zur Berechnung von αa und αb aus den Einstellwerten für Td und
x.
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In 11 entsprechen
die Eingangssignale des IIR-Filters 19 den Ieff2 -Ausgangssignalen des FIR-Filters 11.
Die Erfindung ist auch auf eine Schaltung gemäß 2 anwendbar,
bei der die Eingangssignale des IIR-Filters 6 den Stromabtastwerten
I 2 / k entsprechen. Die zur Berechnung von αa und αb verwendete
Abtastperiode Te entspricht nämlich
der Dauer der Einwirkung einer neuberechneten Größe (je nach Fall I 2 / k bzw. Ieff2) auf den Eingang des IIR-Filters.
