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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft industrielle Maschinen und genauer Systeme zur Überwachung von Leckströmen, die mit industriellen Maschinen in Zusammenhang stehen können.
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Bestimmte Synchron- und/oder Asynchronmaschinen, wie etwa elektrische Motoren und Generatoren, können während des Betriebes der Maschinen Leckströmen auf den Statorwicklungen ausgesetzt sein. Insbesondere können die Statorwicklungen des Motors einer Eigenkapazität unterworfen sein, weil die Statorwicklungen metallische Windungen in enger Nachbarschaft aufweisen (z. B. kapazitiver Leckstrom). Elektrische Maschinen können auch wegen geringerer als der optimalen oder einer ineffektiven Isolierung, die die Statorwicklungen schützt, Leckströmen ausgesetzt sein (z. B. resistiver Leckstrom). Sensoren können vorhanden sein, die die Leckströme detektieren. Unglücklicherweise können die Sensoren sehr empfindlich sein gegenüber Temperaturveränderungen der Umgebung und/oder beim Betrieb und können daher gestörte Werte für die detektierten Leckströme erzeugen. Daher kann es wünschenswert sein, verbesserte Sensoren zur Detektierung von Leckströmen bereitzustellen.
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Kurze Beschreibung
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Bestimmte Ausführungsbeispiele in Übereinstimmung mit dem Schutzbereich der ursprünglich beanspruchten Erfindung sind nachstehend zusammengefasst. Diese Ausführungsbeispiele sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung zu beschränken, sondern sind vielmehr nur dazu bestimmt, eine kurze Zusammenfassung von möglichen Ausführungen der Erfindung bereitzustellen. Tatsächlich kann die Erfindung eine Vielzahl von Ausführungen umfassen, die gleichartig oder verschieden von den Ausführungsbeispielen sein können, die nachstehend erläutert sind.
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In Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel weist ein System einen Sensor auf, der dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Leckstrom zu detektieren, der mit einem Betrieb von einer industriellen Maschine in Zusammenhang steht. Der Sensor enthält einen Kern und eine erste Wicklung, die einen ersten Abschnitt des Kerns umschließt. Die erste Wicklung enthält eine erste Anzahl von Windungen. Die erste Wicklung ist dazu eingerichtet, eine Gruppe von elektrischen Strommessungen zu erhalten, die mit dem Betrieb der industriellen Maschine in Zusammenhang stehen. Der Sensor enthält eine zweite Wicklung, die einen zweiten Abschnitt des Kerns umschließt. Die zweite Wicklung weist eine zweite Anzahl von Windungen auf. Die zweite Wicklung ist dazu eingerichtet, eine Gruppe von elektrischen Strommessungen zu erhalten, die in Zusammenhang mit dem Betrieb der industriellen Maschine stehen. Die erste Wicklung und die zweite Wicklung sind jeweils dazu eingerichtet, entsprechende Ausgangssignale basierend auf der Gruppe von elektrischen Strommessungen zu erzeugen. Die jeweiligen Ausgangssignale sind dazu eingerichtet, verwendet zu werden, um das Auftreten von Störungen der Gruppe von elektrischen Strommessungen basierend auf der Temperatur des Kerns zu reduzieren.
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Die erste Anzahl von Windungen der ersten Wicklung ist nicht gleich wie die zweite Anzahl von Windungen der zweiten Wicklung.
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Die erste Anzahl von Windungen der ersten Wicklung und die zweite Anzahl von Windungen der zweiten Wicklung von irgendeinem vorstehend erwähnten System können ein Verhältnis von etwa 3:2 oder etwa 2:1 aufweisen.
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Der Sensor von irgendeinem vorstehend erwähnten System kann einen Stromtransformator mit hoher Empfindlichkeit (HSCT) aufweisen.
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Der Kern von irgendeinem vorstehend erwähnten System kann ein magnetischer Kern mit hoher Permeabilität sein.
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Der magnetische Kern mit hoher Permeabilität von irgendeinem vorstehend erwähnten System kann Nickel mit einem hohen Anteil, Eisen, eine Supermalloy oder eine Kombination davon sein.
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Die erste Wicklung und die zweite Wicklung von irgendeinem vorstehend erwähnten System können dazu eingerichtet sein, mit einem Signalverarbeitungsschaltkreis verbunden zu werden, wobei der Signalverarbeitungsschaltkreis einen Multiplexer aufweist, der dazu eingerichtet ist, die entsprechenden Ausgangssignale zeitlich nacheinander zur Weiterverarbeitung zu übertragen.
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Die erste Wicklung und die zweite Wicklung von irgendeinem vorstehend erwähnten System können dazu eingerichtet sein, unabhängig voneinander betrieben zu werden.
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Das System von irgendeiner vorstehend erwähnten Art kann einen zweiten Sensor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine mit dem Betrieb der industriellen Maschine in Zusammenhang stehende elektrische Spannung zu detektieren.
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Die industrielle Maschine von irgendeinem vorstehend erwähnten System kann einen Synchronmotor, einen Induktionsmotor oder einen Generator aufweisen.
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Das System von irgendeiner vorstehend erwähnten Art kann einen zweiten Sensor und einen dritten Sensor aufweisen, die einem jeweiligen Leiter entsprechen, der mit der industriellen Maschine gekoppelt ist, und wobei sowohl der zweite Sensor als auch der dritte Sensor eine jeweilige erste Wicklung und eine jeweilige zweite Wicklung aufweisen.
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In Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel hat ein nicht flüchtiges computerlesbares Medium computerausführbaren Code darauf gespeichert, wobei der Code Instruktionen enthält, um eine Netzspannungsmessung in Verbindung mit einer ersten Wicklungsanordnung und einer zweiten Wicklungsanordnung zu empfangen, die um einen Kern eines Stromsensors gewickelt sind, um eine Mehrzahl von elektrischen Leckstrommessungen über den Stromsensor zu empfangen und um eine Amplitude und einen Phasenwinkel einer jeweiligen Ausgangsspannung sowohl der ersten Wicklungsanordnung als auch der zweiten Wicklungsanordnung zu berechnen. Die Amplitude und die Phase der betreffenden Ausgangsspannungen werden in Bezug gesetzt zur Netzspannungsmessung. Der Code enthält Befehle zur Berechnung eines Phasenverschiebungswinkels und eines Wertes einer magnetischen Permeabilität, der sowohl der ersten Wicklungsanordnung als auch der zweiten Wicklungsanordnung entspricht basierend zumindest teilweise auf dem Phasenwinkel der entsprechenden Ausgangsspannungen, und zur Ableitung von einem oder mehreren Korrekturfaktoren, basierend auf dem Phasenverschiebungswinkel und dem Wert der magnetischen Permeabilität. Der eine oder die mehreren Korrekturfaktoren sind dazu eingerichtet, eine temperaturbasierte oder altersbasierte Störung der elektrischen Leckstrommessungen zu korrigieren.
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Der Code des nicht flüchtigen computerlesbaren Mediums kann Befehle aufweisen, um die Mehrzahl von elektrischen Leckstrommesswerten über einen hochempfindlichen Stromwandler (HSCT) zu empfangen.
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Der Code von irgendeinem vorstehend erwähnten nicht flüchtigen computerlesbaren Medium kann Befehle aufweisen, um eine jeweilige Ausgangsspannung sowohl der ersten Wicklungsanordnung als auch der zweiten Wicklungsanordnung basierend auf einer Übertragungsfunktion zu berechnen, die sowohl der ersten Wicklungsanordnung als auch der zweiten Wicklungsanordnung entspricht.
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Der Code von irgendeinem vorstehend erwähnten nicht flüchtigen computerlesbaren Medium kann Befehle aufweisen, um den einen oder die mehreren Korrekturfaktoren basierend auf den Phasenverschiebungswinkeln und dem Wert der magnetischen Permeabilität zu ermitteln, um eine Störung basierend auf einer Temperaturveränderung des Kerns des Stromsensors zu korrigieren.
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Der Code von irgendeinem vorstehend erwähnten nicht flüchtigen computerlesbaren Medium kann Befehle enthalten, um den einen oder die mehreren Korrekturfaktoren basierend auf dem Phasenverschiebungswinkel und dem Wert für die magnetische Permeabilität für jeden der Mehrzahl von Stromsensoren abzuleiten.
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Der Code von irgendeinem vorstehend erwähnten nicht flüchtigen computerlesbaren Medium kann Befehle aufweisen, um die jeweiligen Ausgangsspannungen einmal pro Zeitperiode zu verarbeiten.
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In Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel weist ein System einen Prozessor auf, der dazu eingerichtet ist, einen Netzspannungsmesswert zu empfangen, der mit einer ersten Wicklungsanordnung und einer zweiten Wicklungsanordnung in Zusammenhang steht, die um einen Kern eines Stromsensors herum gewickelt sind, um eine Mehrzahl von elektrischen Leckstrommesswerten über den Stromsensor zu empfangen und um eine Amplitude und einen Phasenwinkel einer jeweiligen Ausgangsspannung von jeder der Wicklungen der ersten Wicklungsanordnung und der zweiten Wicklungsanordnung zu berechnen. Die Amplitude und die Phase der entsprechenden Ausgangsspannungen sind in Bezug gesetzt mit dem Netzspannungsmesswert. Der Prozessor ist dazu eingerichtet, einen ersten Phasenverschiebungswinkel zu berechnen, der der ersten Wicklungsanordnung entspricht und einen zweiten Phasenverschiebungswinkel, der der zweiten Wicklungsanordnung entspricht, basierend zumindest zum Teil auf de, Phasenwinkel der jeweiligen Ausgangsspannungen, um einen Wert der magnetischen Permeabilität des Kerns des Stromsensors basierend zumindest zum Teil auf dem Phasenwinkel der jeweiligen Ausgangsspannungen zu berechnen und um einen oder mehrere Korrekturfaktoren basierend auf den Phasenverschiebungswinkeln und dem Wert der magnetischen Permeabilität abzuleiten. Der eine oder die mehreren Korrekturfaktoren sind dazu eingerichtet, eine temperaturbasierte oder altersbasierte Störung der elektrischen Leckstrommesswerte zu korrigieren.
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Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, eine Angabe bereitzustellen, ob die elektrischen Leckstrommesswerte einen kapazitiven Leckstrom oder einen resistiven Leckstrom aufweisen basierend zumindest zum Teil auf dem ersten Phasenverschiebungswinkel und dem zweiten Phasenverschiebungswinkel.
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Das System von irgendeiner vorstehend erwähnten Art kann eine Mehrzahl von Stromsensoren aufweisen, wobei jeder Stromsensor der Mehrzahl von Stromsensoren eine erste Wicklungsanordnung und eine zweite Wicklungsanordnung aufweist und wobei eine Anzahl von Windungen, die der ersten Wicklungsanordnung entspricht ungleich ist mit einer Anzahl von Windungen, die der zweiten Wicklungsanordnung entspricht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden werden, wenn die nachfolgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in der gleiche Bezugszeichen durchgängig durch die Zeichnungen gleiche Teile darstellen, wobei:
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1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer industriellen Maschine und eines eine Steuereinheit enthaltenden Steuersystems in Übereinstimmung mit vorliegenden Ausführungsbeispielen ist;
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2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Ersatzschaltbildes des Systems nach 1 mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung in Übereinstimmung mit vorliegenden Ausführungsbeispielen ist;
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3 ein detailliertes Blockschaltbild des Ersatzschaltbildes nach 2 mit einem Signalverarbeitungsschaltkreis in Übereinstimmung mit vorliegenden Ausführungsbeispielen ist; und
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4 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens ist, das verwendbar ist zum Korrigieren von temperaturbasierten Störungen von detektierten Leckstromsignalen, in Übereinstimmung mit vorliegenden Ausführungsbeispielen.
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Detaillierte Beschreibung
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Eine oder mehrere konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben. In dem Versuch eine prägnante Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele bereitzustellen, können nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung wiedergegeben werden. Es sollte verstanden werden, dass bei der Entwicklung von irgendeiner derartigen tatsächlichen Implementierung, wie bei jedem Ingenieurs- oder Konstruktionsprojekt, eine Vielzahl von implementierungsspezifischen Entscheidungen getroffen werden muss, um die konkreten Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie etwa die Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Bedingungen die von Implementierung zu Implementierung variieren können. Außerdem sollte es verstanden werden, dass eine solche Entwicklungsleistung komplex und zeitaufwendig sein kann, jedoch nichts desto trotz ein Routinevorhaben der Konstruktion, Fabrikation und Herstellung für die Fachleute mit durchschnittlichen Kenntnissen sein kann, die Nutzen aus dieser Offenbarung ziehen.
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Wenn Elemente verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, beabsichtigen die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel anzuzeigen, dass eine oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Ausdrücke „aufweisen”, „enthalten” und „mit” beabsichtigen inklusiv zu sein und bedeuten, dass dort zusätzliche Elemente als die angegebenen Elemente sein können.
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Die vorliegenden Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Konfiguration des Stromsensors mit zwei Wicklungen, die verwendet werden kann, um genaue Messwerte von detektierten Messströmen bereitzustellen, z. B. durch das Korrigieren und Kompensieren von Umgebungstemperaturänderungen und/oder Betriebstemperaturänderungen des Sensors und/oder mechanischen Belastungen des Kerns des Sensors. In einem Ausführungsbeispiel kann der Sensor einen Stromwandler mit hoher Empfindlichkeit (HSCT) aufweisen. Insbesondere kann der Sensor eine erste Wicklungsanordnung mit einer ersten Anzahl von Windungen und eine zweite Wicklungsanordnung mit einer zweiten Anzahl von Windungen aufweisen. Die erste Wicklungsanordnung und die zweite Wicklungsanordnung können unabhängig voneinander auf den Kern des Sensors gewickelt sein, so dass der Sensor zumindest zwei Ausgangsspannungen bereitstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel können die beiden Ausgänge an den Eingang eines Signalverarbeitungsschaltkreises mit einer Multiplexer-Funktionalität angeschlossen sein, um sicherzustellen, dass nur ein Signal der beiden Ausgangsspannungen des Sensors pro Zeiteinheit elektrisch verbunden und weiterverarbeitet wird. Basierend auf den beiden Ausgangsspannungen (und anderen durch den Stromsensor und den Hochspannungssensor erhaltenen Messwerten) und den Parametern des Sensors, können die jeweiligen Phasenverschiebungen entsprechend der ersten Wicklungsanordnung und der zweiten Wicklungsanordnung und die momentane Permeabilität (z. B. entsprechend zu der momentanen Umgebungstemperatur und/oder Betriebstemperatur) des Kerns des Sensors berechnet und dazu verwendet werden, um irgendwelche Fehler zu kompensieren oder zu korrigieren, die aufgetreten sein können, z. B. in den detektierten Leckströmen. Außerdem kann eine Angabe bereitgestellt werden, ob die detektierten Leckströme kapazitive Leckströme, resistive Leckströme oder eine Kombination von kapazitiven Leckströmen und resistiven Leckströmen enthalten, basierend auf den beiden Ausgangsspannungen und in Erweiterung den jeweiligen Phasenverschiebungen der ersten Wicklungsanordnung und der zweiten Wicklungsanordnung. Tatsächlich, obwohl die vorliegenden Ausführungsbeispiele primär in Bezug auf einen Stromsensor erläutert werden können, sollte verstanden werden, dass sich die hierin beschriebenen Techniken auch auf irgendeinen Kernbasierenden Sensor und/oder eine Kern-basierte Einrichtung angewendet werden können.
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Unter Beachtung des Vorstehenden kann es zweckmäßig sein, eine industrielle Maschine und ein Steuersystem zu beschreiben, wie etwa eine beispielhafte industrielle Maschine und ein in 1 veranschaulichtes Steuersystem. Wie dargestellt kann das System 10 eine industrielle Maschine 12 mit einer Anzahl von Statorwicklungen 14, einer Anzahl von Leckstromsensoren 16, 18 und 20 und einer Anzahl von Spannungssensoren 22, 24 und 25 aufweisen, die alle kommunikationsverbunden sind mit einer Steuereinheit 26. Die industrielle Maschine 12 kann irgendeine einphasige oder mehrphasige Synchronmaschine, Asynchronmaschine oder Induktionsmaschine sein, die zur Umwandlung von elektrischer Leistung in eine mechanische Leistung zum Antreiben eines anderen Systems oder einer anderen Einrichtung verwendbar ist. Z. B. kann die industrielle Maschine 12 ein einphasiger oder mehrphasiger elektrischer Motor, ein Induktionsmotor oder bei einigen Ausführungsbeispielen ein Generator sein. Daher kann die industrielle Maschine 12, wie veranschaulicht, die Statorwicklungen 14 aufweisen. Es versteht sich, dass die Statorwicklungen 14 einphasige oder mehrphasige Leiter (z. B. Phasen a, b, c) aufweisen können, die um einen magnetischen Eisenkern gewickelt sein können, um magnetische Pole zu bilden, wenn sie mit einem elektrischen Strom erregt werden. Obwohl es nicht dargestellt ist, sollte verstanden werden, dass das magnetische Feld, das durch die Windungen der Statorwicklungen 14 gebildet ist, eine Welle antreiben kann.
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Wie vorstehend angegeben, können eine Anzahl von Leckstromsensoren 16, 18 und 20 mit jeder der drei Phasen (z. B. Phasen a, b, c) der Statorwicklungen 14 und in Erweiterung der Maschine 12 kommunikationsverbunden sein. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen können die Leckstromsensoren 16, 18 und 20 z. B. Stromwandler mit hoher Empfindlichkeit (HSCTs) oder andere Stromwandler (CTs) oder irgendwelche Einrichtungen aufweisen, die ein Signal (z. B. AC/DC-Spannung oder -Strom) ausgeben, das proportional ist zu einem detektierten elektrischen Strom, der durch die elektrisch gekoppelten und/oder kommunikationsgekoppelten Phasenleiter 27 fließt. Wie es ebenfalls veranschaulicht ist, kann eine Anzahl von Spannungssensoren 22, 24 und 25 mit jeder der drei Phasen (z. B. Phasen a, b, c) der Statorwicklungen 14 und in Erweiterung der Maschine 12 kommunikationsverbunden sein. Die Spannungssensoren 22, 24 und 25 können z. B. irgendwelche von verschiedenen Hochspannungssensoren (HVSs) (z. B. Hochspannungsteiler) sein, die zur Erzeugung einer Spannung verwendbar sind, die proportional zu einer detektierten Spannung an den Drei-Phasen-Leitern 27 ist.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen, können die Leckstromsensoren 16, 18 und 20 mit zugeordneten Leckstromschnittstellenmodulen 28, 30 und 32 kommunikationsverbunden sein, die jedem der Drei-Phasen-Leiter 27 (z. B. Phasen a, b, c) der Statorwicklung 14 entsprechen. Die Leckstromschnittstellenmodule 28, 30 und 32 können bei der Verarbeitung von Ausgangssignalen der Leckstromsensoren 16, 18 und 20 (z. B. vor Ort) verwendbar sein und anschließend die Leckstromsensorausgangssignale an die Steuereinheit 26 übermittelt. Die Leckstromsensoren 16, 18 und 20 können auch einen Prozessor (z. B. einen Mikrocontroller) aufweisen, um eine oder mehrere Verarbeitungsoperationen an den Leckstromsensorausgangssignalen auszuführen, bevor die Ausgangssignale zu den Stromsensorschnittstellenmodulen 28, 30 und 32 übermittelt werden. Gleichermaßen können die Spannungssensoren 22, 24 und 25 mit korrespondierenden Spannungssensorschnittstellenmodulen 34, 35 und 36 kommunikationsverbunden sein, die den Drei-Phasen-Leitern 27 (z. B. den Phasen a, b, c) der Statorwicklung 14 entsprechen. Die Spannungssensorschnittstellenmodule 34, 35 und 36 können bei der Verarbeitung von Ausgangssignalen der Spannungssensoren 22, 24 und 25 (z. B. vor Ort) verwendbar sein und anschließend die Spannungssensorausgangssignale an die Steuereinheit 26 übermitteln. Daher sollte verstanden werden, dass die Stromsensorschnittstellenmodule 28, 30 und 32 und die Spannungssensorschnittstellenmodule 34, 35 und 36 einen oder mehrere Prozessoren (wie z. B. einen Prozessor 37) und einen Speicher (wie z. B. einen Speicher 39) aufweisen, um die vorstehenden Funktionen und/oder Operationen ausführen zu können.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die Steuereinheit 26 geeignet sein, um verschiedene Steueralgorithmen und Steuertechniken auszuführen bzw. zu implementieren, um den Strom und/oder die Spannung der Statorwicklung 14 und in Erweiterung des Ausgangs (z. B. Geschwindigkeit, Drehmoment, Frequenz, usw.) der Maschine 12 zu steuern. Die Steuereinheit 26 kann auch eine Bedienerschnittstelle aufweisen, durch die ein Ingenieur oder Techniker die Komponenten des Systems 10 überwachen kann, wie etwa die Komponenten (z. B. Leckstromsensoren 16, 18 und 20 und Spannungssensoren 22, 24 und 25) der Maschine 12. Wie es weiter verstanden werden wird, kann die Steuereinheit 26 daher einen oder mehrere Prozessoren 37, die für die Verarbeitung von lesbaren und ausführbaren Computerbefehlen verwendbar ist, und einen Speicher 39 aufweist, der zum Speichern von lesbaren und ausführbaren Computerbefehlen und anderen Daten verwendbar ist. Diese Befehle können in Programmen codiert sein, die in einem materiellen, nicht flüchtigen, computerlesbaren Medium, wie etwa dem Speicher 39 und/oder einem anderen Speicher der Steuereinheit 26 gespeichert sind. Außerdem können es der eine oder die mehreren Prozessoren 37 und der Speicher 39 der Steuereinheit 26 ermöglichen, durch Programmierung nachgerüstet zu werden mit den Befehlen, um die eine oder mehreren der vorliegend offenbarten Techniken auszuführen ohne die Notwendigkeit, z. B. zusätzliche Hardwarekomponenten vorzusehen.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann die Steuereinheit
26 auch verschiedene industrielle Steuersoftware, wie etwa eine Mensch-Maschine-Schnittstellensoftware (HMI), ein Produktionsleitsystem („Manufacturing Execution System” MES), ein verteiltes Steuersystem (DCS) und/oder ein „Supervisory Control and Data Acquisition” (SCADA)-System beinhalten). Z. B. kann die Steuereinheit
26 bei einem Ausführungsbeispiel ein Motor Stator Insulation Monitor (MSIM)
TM sein, der bei General Electric Co., in Schenectady, New York verfügbar ist. Daher kann das Steuersystem ein eigenständiges Steuersystem oder eines von mehreren Steuer- und/oder Überwachungssystemen sein, die bei der Überwachung und Regelung von verschiedenen Betriebsparametern der Maschine
12 verwendbar sind. Es wird ferner verstanden werden, dass die Steuereinheit
26 dazu verwendet werden kann, um Leckströme
and
und/oder einem Verlustfaktor (DF), der mit der dreiphasigen (z. B. Phasen a, b, c) Statorwicklung
14 zusammenhängen kann, verwendet werden. Insbesondere können die Leckströme
and
in einen oder mehreren Phasen der Statorwicklung
14 in Form von kapazitiven Leckströmen und/oder resistiven Leckströmen auftreten. Der Gesamtleckstrom (z. B. die Vektorsumme der kapazitiven Leckströme und der resistiven Leckströme) kann möglicherweise mechanischen Schaden oder thermischen Schaden an der Statorwicklung
14 verursachen, wenn er bestehen bleibt.
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2 zugewandt ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Sensors 16 veranschaulicht. Zum Zweck der Veranschaulichung können fortan die Sensoren 16, 18 und 20 mit Bezug nur auf den Sensor 16 (z. B. die Phase a) erläutert werden. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die vorliegenden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf jeden der Sensoren 16, 18 und 20 oder andere Sensoren 16, 18 und 20 implementiert werden können, die in dem System 10 vorhanden sein können. Außerdem ist in 2 zumindest eine der Phasen (z. B. die Phase a) der industriellen Maschine 12 als eine Ersatzlast 14 dargestellt und ein Pfad in einem Isolationsmaterial ist als ein Ersatzschaltkreis 40 veranschaulicht, einschließlich einer Kapazität CLeckage und einem Widerstand RLeckage. Das System 10 nach 2 kann auch eine Ersatzspannungsquelle 41 aufweisen, die eine Phase einer mehrphasigen Spannungsquelle (z. B. einphasige oder mehrphasige Netzleistung) sein kann, die dazu verwendet werden kann, um die industrielle Maschine 12 und/oder die Ersatzlast 14 mit Energie zu versorgen.
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Wie vorstehend mit Bezug auf 1 bemerkt, kann der Sensor 16 irgendeine Einrichtung sein, die bei der Messung von einem Leckstrom auf niedrigem Niveau der Maschinenstatorwicklung 14 verwendbar ist. Insbesondere, wie in 2 veranschaulicht, kann der Sensor 16 bei bestimmten Ausführungsbeispielen ein auf einer magnetischen Spule basierender Stromwandler sein, der einen Kern 42 und Kernwicklungen 44, 46 aufweist. Der Kern 42 des Sensors 16 kann magnetische Materialien mit hoher Permeabilität aufweisen, wie etwa z. B. Nickel mit einem hohen Anteil, Eisen, Supermalloy oder andere gleichartige magnetische Materialien mit hoher Permeabilität, die eine hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Belastung zeigen können. Wie ferner verstanden werden wird, kann die Erfassungsfunktionalität des Sensors 16 sehr empfindlich sein gegenüber Umgebungstemperaturschwankungen und/oder Betriebstemperaturschwankungen. Insbesondere kann der thermische Einfluss auf die Kernwicklungen 44, 46 des Sensors 16 eine erhebliche mechanische Belastung auf den Kern 42 des Sensors 16 ausüben. Tatsächlich kann die Antwort des Sensors 16 aufgrund von Temperaturschwankungen und in Ergänzung die mechanische Belastung stark nicht-linear sein. Das kann dazu führen, dass der Sensor 16 gestörte Leckstrommesswerte erzeugt, die unerwünscht entsprechend der Umgebungstemperatur und/oder der Betriebstemperatur des Sensors 16 variieren.
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Insbesondere kann der Sensor 16 eine stark nicht lineare Temperaturantwort aufweisen und daher kann der Sensor 16 sehr empfindlich gegenüber Umgebungstemperaturveränderungen und/oder Betriebstemperaturveränderungen sein. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die stark nicht lineare Temperaturveränderung innerhalb eines bestimmten Betriebstemperaturbereichs liegen. Z. B. kann die Signalphase der Ausgangsspannung des Sensors 16 um ungefähr 20% zwischen 70°C bis 0°C und um bis zu ungefähr 80% zwischen 0°C bis –20°C variieren. Insbesondere können niedrige Umgebungstemperaturen (z. B. kühle oder kalte Temperaturen) den Kern 42 des Sensors 16 veranlassen, sich zusammenzuziehen und eine signifikante mechanische Belastung zu erfahren. Der Kern 42 kann auch eine Materialveränderung erfahren (z. B. eine Veränderung in molekularen und/oder Einrichtungseigenschaften). Das kann zu einer Abnahme der Permeabilität des magnetischen Materials des Kerns 42 führen und daher die Induktivität der Kernwicklungen 44 und 46 verringern.
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Daher kann der Sensor 16 bei bestimmten Ausführungsbeispielen zumindest zwei Kernwicklungen 44, 46 aufweisen, die jeweils um den Kern 42 gewickelt sind, um die mechanische Belastung und Kernmaterialveränderungen zu kompensieren. Die Kernwicklungen 44, 46 können dazu verwendet werden, den Leckstrom zu sensieren und zu messen durch die Messung des Differenzstroms zwischen dem elektrischen Versorgungseingangsstrom Iein und dem Ausgangsstrom Iaus. Basierend auf den Messwerten des Vektors des Eingangsstroms Iein, des Ausgangsstroms Iaus und der Netzspannung, kann die Permeabilität des Kerns 42 berechnet werden (z. B. berechnet durch das Stromsensorschnittstellenmodul 28 oder einen anderen Prozessor, der als Teil des Sensors 16 enthalten sein kann). Die Phasenverschiebung des Ausgangssignals des Sensors 16 kann umgekehrt proportional zu der Induktivität (z. B. L1, L2) der Kernwicklungen 44, 46 und proportional zu dem Lastwiderstand (z. B. RL) sein.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen können die Kernwicklungen 44, 56 dazu verwendet werden, den Betrag und die Phase des Eingangsstroms Iein und des Ausgangsstroms Iaus gemeinsam zu messen, wobei die Messwerte im Hinblick auf Veränderungen aufgrund von Temperaturschwankungen, anderen thermischen Effekten und/oder Alterungseffekten des Kernmaterials 42 (z. B. Kriechen der Permeabilität) korrigiert werden können. Insbesondere kann die Wicklung 44 dazu eingerichtet sein, eine bestimmte Anzahl von Windungen (N1) zu haben und die Wicklung 46 kann dazu eingerichtet sein, eine bestimmte Anzahl von Windungen (N2) zu haben. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann das Verhältnis der Anzahl von Windungen zwischen der Wicklung 44 und der Wicklung 46 ein 1,5:1-Verhältnis, ein 2:1-Verhältnis, ein 3:2-Verhältnis, ein 4:3-Verhältnis oder ein anderes Verhältnis sein, bei dem die Anzahl von Windungen (N1) nicht gleich ist wie die Windungen (N2). Wie veranschaulicht, können die Wicklung 44 und die Wicklung 46 separat und unabhängig um den Kern 42 des Sensors gewickelt werden. Daher kann der Sensor 16 zumindest zwei unabhängige Ausgangsspannungen (Ausgangs und Ausgang2) geben.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen, wie in
3 veranschaulicht, kann der Ausgangs und der Ausgang
2 (z. B. entsprechend der Spannung an der Wicklung
44 und der Wicklung
46) des Sensors
16 jeweils mit einem Eingang eines Signalverarbeitungsschaltkreises
48 (der z. B. in einem oder in mehreren der Stromsensorschnittstellenmodule
28,
30 und
32 enthalten sein kann) gekoppelt sein, der eine Multiplexerfunktionalität (z. B. Multiplexerschalter
50) aufweist, um sicherzustellen, dass nur ein Signal von dem Ausgangs und Ausgang
2 zu einem Zeitpunkt elektrisch verbunden und verarbeitet wird. Basierend auf den Messwerten des Ausgangs und des Ausgang
2 des Sensors
16 und der gemessenen Spannung der Spannungsquelle
41 (die z. B. durch den Spannungssensor
22 gemessen wird), kann die momentane Permeabilität (z. B. die Permeabilität, die der momentanen Umgebungstemperatur und/oder Betriebstemperatur entspricht) des Kerns
42 des Sensors
16 berechnet werden (z. B. berechnet mittels des Stromsensorschnittstellenmoduls
28 oder eines anderen Prozessors, der als Teil des Sensors
16 enthalten sein kann). Das Stromsensorschnittstellenmodul
28 (oder das Stromsensorschnittstellenmodul
30 und
32) kann dann die momentane Permeabilität verwenden, um irgendwelche Fehler zu korrigieren, die z. B. in den detektierten Leckstromsignalen
und
auftreten können. Die Leckstromsignale
und
Tatsächlich, wie außerdem verstanden werden wird, kann das Stromsensorschnittstellenmodul
28 (oder das Stromsensorschnittstellenmodul
30 und
32) basierend auf den Messwerten des Ausgang
1 und des Ausgang
2 eine Phasenverschiebung (Θ + α)°, die durch die Kernwicklung
44 gemessen wird und eine Phasenverschiebung (Θ + β)°, die durch die Kernwicklung
46 gemessen wird, messen. Insbesondere, wie weiter verstanden werden wird, kann das Stromsensorschnittstellenmodul
28 (oder das Stromsensorschnittstellenmodul
30 und
32) den Ausgangs und Ausgang
2 verwenden, um den bestimmten Phasenwinkel Θ, der den detektierten Leckstromsignalen
und
zugeordnet ist, und die bestimmten Phasenwinkel α und β, die den Phasenverschiebungen zugeordnet sind, die jeweils durch die Kernwicklungen
44 und
46 eingebracht wurden, zu berechnen. Auf diese Weise kann das Stromsensorschnittstellenmodul
28 (oder das Stromsensorschnittstellenmodul
30 und
32) eine Angabe bereitstellen, ob der detektierte Leckstrom
und
kapazitive Leckströme, resistive Leckströme oder eine Kombination von kapazitiven Leckströmen und resistiven Leckströmen aufweisen.
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Z. B. kann der Sensor
16 (oder die Sensoren
18 und
20) bei bestimmten Ausführungsbeispielen Leckstrommesswerte
und
erhalten, die wie folgt ausgedrückt werden können:
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Die Ausgangsspannungen Ausgangs und Ausgang
2 können dann berechnet werden (z. B. mittels einem oder mehrerer der Stromsensorschnittstellenmodule
28,
30 und
32 oder wenigstens einem anderen Prozessor, der als Teil der betreffenden Sensoren
16,
18,
20 enthalten sein kann) zu:
und
-
-
Wie oben angegeben, kann der Phasenwinkel Θ des detektierten Leckstromes
die Phasenwinkel α und β in der oben angegebenen Gleichung (2) und Gleichung (3) können die jeweiligen Phasenverschiebungen darstellen, die durch die Kernwicklungen
44 und
46 des Sensors
16 (oder der Sensoren
18 und
20) eingebracht werden, beispielsweise aufgrund von Störungen, die auf der Umgebungstemperatur und/oder der Betriebstemperatur und/oder der Alterung des Kerns des Sensors
16 basieren und in Ergänzung der mechanischen Belastung des Kerns
42 des Sensors
16 (oder der Sensoren
18 und
20). Gleichermaßen können
und
die jeweiligen Übertragungsfunktionen darstellen, die dazu verwendet werden können, die Funktionalität des Sensors
16 (oder der Sensoren
18 und
20) entsprechend der Wicklungen
44,
46 beschreiben. Demnach können die jeweiligen Phasenverschiebungswinkel α und β und die magnetische Permeabilität (die z. B. variabel als eine Funktion der Temperatur und des Alters des Kerns
42 angegeben werden kann) basierend auf den Übertragungsfunktionen
und
dann berechnet werden (z. B. mittels einem oder mehreren der Stromsensorschnittstellenmodule
28,
30 und
32 oder wenigstens eines anderen Prozessors, der als Teil des jeweiligen Sensors
16,
18 und
20 enthalten sein kann) in Übereinstimmung mit den folgenden Gleichungen:
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Daher kann die momentane Permeabilität μ z. B. die Permeabilität, die der momentanen Umgebungstemperatur und/oder Betriebstemperatur und dem Alter) des Kerns
42 des Sensors
16 und die Phasenverschiebungswinkel α und β basierend auf den unabhängigen Ausgangsspannungen Ausgangs und Ausgang
2, die mittels der jeweiligen Kernwicklungen
44 und
46 des Sensors
16 detektiert wurden, berechnet werden. Insbesondere, wie veranschaulicht, können die Phasenverschiebungswinkel α und β umgekehrt proportional zu der Induktivität (z. B. L
1, L
2) und proportional zum Lastwiderstand (z. B. R
L) und dem Wicklungswiderstand (z. B. R
S2) des Sensors
16 sein. Das Stromsensoreingangsmodul
28 (oder die Stromsensoreingangsmodule
30 und
32) können dann die momentane Permeabilität verwenden, um irgendwelche Fehler zu kompensieren oder zu korrigieren, die z. B. in den detektierten Leckströmen
auftreten können. Auf diese Weise kann der Sensor
16 (oder die Sensoren
18 und
20) akkurate Messungen der Leckstromsignale
und
bereitstellen, z. B. unabhängig von der Umgebungstemperatur und/oder der Betriebstemperatur oder des Alters des Sensors
16 (oder der Sensoren
18 und
20) und/oder der mechanischen Belastung des Kerns
42 basierend darauf. Außerdem kann das Stromsensorschnittstellenmodul
28 (oder die Stromsensorschnittstellenmodule
30 und
32) eine Angabe bereitstellen, ob der detektierte Leckstrom
einen kapazitiven Leckstrom, einen resistiven Leckstrom oder eine Kombination eines kapazitiven Leckstroms und eines resistiven Leckstroms aufweist.
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4 zugewandt ist ein Flussdiagramm veranschaulicht, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens
52 darstellt, das bei der Korrektur von temperaturbasierten und altersbasierten Störungen von detektierten Leckstromsignalen nützlich ist, durch Verwendung von beispielsweise den Stromsensorschnittstellenmodulen
28,
30 und
32 oder einem oder mehreren Prozessoren, die als Teil der Sensoren
16,
18 und
20 in dem in
1 veranschaulichten System
10 enthalten sein können. Das Verfahren
52 kann einen Code oder Befehle aufweisen, die in einem nicht flüchtigen, maschinenlesbaren Medium (wie z. B. dem Speicher
39) gespeichert sind und z. B. durch den einen oder die mehreren der Stromsensorschnittstellenmodule
28,
30 und
32 und/oder andere Verarbeitungseinrichtungen ausgeführt werden. Das Verfahren
52 kann damit beginnen, dass einer oder mehrere der Sensoren
16,
18 und
20 Leckstrommesswerte (z. B. Leckstromsignale
und
und Netzspannungsmesswerte aufnehmen (Block
54) Das Verfahren kann damit fortgesetzt werden, dass der eine oder die mehreren Stromsensorschnittstellenmodule
28,
30 und
32 und/oder andere Verarbeitungseinrichtungen (die z. B. als Teil von dem einen oder den mehreren Sensoren
16,
18 und
20 enthalten sind) die Ausgangsspannung (z. B. Ausgang
1 und Ausgang
2) sowohl der ersten als auch der zweiten Wicklungsanordnung
44 und
46 berechnen (Block
56) und die Phasenwinkel (Θ + α)° und (Θ + β)° (z. B. in Bezug auf die Netzspannung) der Ausgangsspannung (z. B. Ausgang
1 und Ausgang
2) sowohl von der ersten als auch von der zweiten Wicklungsanordnung
44 und
46 bestimmen.
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Das Verfahren
52 kann dann damit fortgesetzt werden, dass der eine oder die mehreren Stromsensorschnittstellenmodule
28,
30 und
32 und/oder andere Verarbeitungseinrichtungen (die z. B. als Teil des einen oder der mehreren Sensoren
16,
18 und
20 enthalten sind) den ersten und zweiten Phasenverschiebungswinkel α° und β° berechnen (Block
58), der durch die jeweilige Wicklung
44 und
46 und den Wert der magnetischen Permeabilität μ des Kerns
42 eingebracht werden kann, basierend, z. B. auf den jeweiligen Ausgangsspannungen (z. B. Ausgang
1 und Ausgang
2) und den zugeordneten Phasenwinkeln (Θ + α)° und (Θ + β)° der Ausgangsspannungen (z. B. Ausgang
1 und Ausgang
2) der Kernwicklungen
44 und
46. Das Verfahren
52 kann dann damit abschließen, dass der eine oder die mehreren Stromsensorschnittstellenmodule
28,
30 und
32 und/oder andere Verarbeitungseinrichtungen (die z. B. als Teil des einen oder der mehreren Sensoren
16,
18 und
20 enthalten sind) einen oder mehrere temperaturbasierte und alterungsbasierte Fehler und/oder Störungen in den Leckspannungsmesswerten (z. B. den Leckspannungssignalen
und
basierend auf den berechneten ersten und zweiten Phasenverschiebungswinkeln α° und β°, die den Wicklungen
44 und
46 und dem Wert der magnetischen Permeabilität des Kerns
42 zugeordnet sind, korrigiert (Block
60). Insbesondere können ein oder mehrere Korrekturfaktoren erzeugt werden. Wie vorstehend oben im Zusammenhang mit
3 erwähnt, kann der Sensor
16 (oder die Sensoren
18 und
20) genaue Messwerte der Leckstromsignale
und
bereitstellen, z. B. unabhängig von der Umgebungstemperatur und/oder der Betriebstemperatur und des Alters des Sensors
16 (oder der Sensoren
18 und
20) und/oder der mechanischen Belastung des Kerns
42 basierend darauf bereitstellen. Außerdem kann das Stromsensorschnittstellenmodul
28 (oder die Stromsensorschnittstellenmodule
30 und
32) eine Angabe bereitstellen, ob der detektierte Leckstrommesswert (z. B. die Leckstromsignale
und
kapazitive Leckströme, resistive Leckströme oder eine Kombination von einem kapazitiven Leckstrom und einem resistiven Leckstrom enthalten.
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Technische Effekte der vorliegenden Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Konfiguration des Stromsensors mit zwei Wicklungen, die dazu verwendet werden können, genaue Messwerte von detektierten Leckströmen bereitzustellen, z. B. durch korrigieren und kompensieren der Umgebungstemperaturveränderungen und/oder Betriebstemperaturveränderungen des Sensors und/oder der mechanischen Belastung des Kerns des Sensors. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Sensor einen Stromwandler mit hoher Empfindlichkeit (HSCT) aufweisen. Insbesondere kann der Sensor eine erste Wicklungsanordnung mit einer ersten Anzahl von Windungen und eine zweite Wicklungsanordnung mit einer zweiten Anzahl von Wicklungen aufweisen. Die erste Wicklungsanordnung und die zweite Wicklungsanordnung können unabhängig voneinander auf den Kern des Sensors gewickelt sein, so dass der Sensor zumindest zwei Ausgangsspannungen bereitstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel können die beiden Ausgänge mit einem Eingang eines Signalverarbeitungsschaltkreises mit einer Multiplexerfunktionalität verbunden sein, um sicherzustellen, dass nur ein Signal der beiden Spannungsausgänge des Sensors pro Zeitperiode elektrisch verbunden ist und verarbeitet wird. Basierend auf den zwei Ausgangsspannungen (und anderen durch den Stromsensor und einen Hochspannungssensor erhaltenen Messwert) und den Parametern des Sensors, kann die jeweilige Phasenverschiebung entsprechend der ersten Wicklungsanordnung und der zweiten Wicklungsanordnung und die momentane Permeabilität (z. B. entsprechend der momentanen Umgebungstemperatur und/oder Betriebstemperatur) des Kerns des Sensors berechnet und verwendet werden, um irgendwelche Fehler zu kompensieren oder zu korrigieren, die auftreten können, z. B. in den detektierten Leckströmen. Außerdem kann basierend auf den beiden Ausgangsspannungen und in Ergänzung mit den jeweiligen Phasenverschiebungen mit der ersten Wicklungsanordnung und der zweiten Wicklungsanordnung eine Angabe bereitgestellt werden, ob die detektierten Leckströme kapazitive Leckströme, resistive Leckströme oder eine Kombination von kapazitiven Leckströmen und resistiven Leckströmen aufweisen.
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Die schriftliche Beschreibung verwendet Ausführungsbeispiele um die Erfindung zu offenbaren, enthaltend das bevorzugte Ausführungsbeispiel, und auch um irgendeinen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, einschließlich der Herstellung und der Verwendung irgendwelcher Einrichtungen oder Systeme und der Ausführung irgendwelcher enthaltener Verfahren. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert und kann andere Beispiele enthalten, die den Fachleuten offenbar werden. Solche anderen Beispiele sind beabsichtigt innerhalb des Schutzbereiches der Patentansprüche zu liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die nicht von dem Wortsinn der Patentansprüche abweichen oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit nicht substantiellen Unterschieden gegenüber dem Wortsinngehalt der Patentansprüche aufweisen.
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Ein System enthält einen Sensor, der dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Leckstrom zu detektieren, der in Zusammenhang mit dem Betrieb einer industriellen Maschine steht. Der Sensor enthält einen Kern und eine erste Wicklung, die einen ersten Abschnitt des Kerns umschließt. Die erste Wicklung enthält eine erste Anzahl von Windungen. Die erste Wicklung ist dazu eingerichtet, eine Gruppe von elektrischen Strommesswerten zu erhalten, die mit dem Betrieb der industriellen Maschine zusammenhängt. Der Sensor enthält eine zweite Wicklung, die einen zweiten Abschnitt des Kerns umschließt. Die zweite Wicklung enthält eine zweite Anzahl von Windungen. Die zweite Wicklung ist dazu eingerichtet, eine Gruppe von elektrischen Strommesswerten zu erhalten, die mit dem Betrieb der industriellen Maschine zusammenhängt. Die erste Wicklung und die zweite Wicklung sind jeweils dazu eingerichtet, entsprechende Ausgangssignale basierend auf der Gruppe von elektrischen Strommesswerten zu erzeugen. Die jeweiligen Ausgangssignale sind dazu eingerichtet, verwendet zu werden, um das Auftreten einer Störung der Gruppe von elektrischen Strommesswerten basierend auf einer Temperatur des Kerns zu reduzieren.