DE1163955B

DE1163955B - Overcurrent protection relay system

Info

Publication number: DE1163955B
Application number: DEL42152A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Walter Halama
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1962-06-06
Filing date: 1962-06-06
Publication date: 1964-02-27

Description

überstrom-Schutzrelaissystem Für den überlastschutz von Elektromotoren werden vielfach abhängige überstrom-Zeitrelais verwendet, die nach dem thermischen Prinzip arbeiten. Dabei heizt der Motorstrom oder ein ihm proportionaler Strom einen Bimetallstreifen auf, der bei bestimmter Ausbiegung eine Kontaktvorrichtung betätigt. Die Zeitdauer bis zur Betätigung der Kontaktvorrichtung ist um so kürzer, je größer der fließende Strom ist. Diese Schutzeinrichtungen haben den Nachteil großen Leistungsbedarfs.Overcurrent protection relay system For the overload protection of electric motors, dependent overcurrent time relays are used which work according to the thermal principle. The motor current or a current proportional to it heats a bimetallic strip which, when bent, activates a contact device. The time until the contact device is actuated is shorter, the greater the current flowing. These protective devices have the disadvantage of large power requirements.

In bekannter Weise kann ein überstrom-Zeitrelais auch so aus-eführt sein, daß über einem bestimmten Schwellwert die durch Gleichrichtung des zu überwachenden Stromes oder die durch Gleichrichtung einer daraus abgeleiteten Spannung gewonnene Größe die Aufladung eines Kondensators veranlaßt. Der Schwellwert ist dabei durch eine einstellbare Referenzspannung vorgegeben. Bei Erreichen eines bestimmten Grenzwertes der Kondensatoraufladung wird das Auslöse-Schaltglied über einen Ausgangsverstärker betätigt. Die Aufladezeit des Kondensators ist um so kürzer, je größer der überwachte Strom ist.In a known manner, an overcurrent time relay can also be designed in such a way that, above a certain threshold value, the variable obtained by rectifying the current to be monitored or by rectifying a voltage derived therefrom causes a capacitor to be charged. The threshold value is specified by an adjustable reference voltage. When a certain limit value for the capacitor charge is reached, the trigger switching element is actuated via an output amplifier. The charging of the capacitor is the shorter, the greater the monitored current.

Zur Überwachung von überspannungen sind auch schon Relais bekanntgeworden, die zwei Wicklungen um einen Magnetkern mit praktisch rechteckiger Kennlinie enthalten. Die zu überwachende Spannung magnetisiert während jeder positiven Halbwelle den Kein über die eine Wicklung um einen von der Höhe der Spannung abhängigen Betrag auf, während über die Dauer der negativen Halbwelle der Kern über die andere Wicklung um einen jeweils konstanten Betrag abmagnetisiert wird.Relays have also become known for monitoring overvoltages, which contain two windings around a magnetic core with a practically rectangular characteristic. The voltage to be monitored magnetizes the during every positive half-wave No over the one winding by an amount dependent on the level of the voltage on, while the core over the other winding for the duration of the negative half-wave is demagnetized by a constant amount.

überwiegt die aufmagnetisierende Wirkung, so gelangt der Kern in einer um so kürzeren Zeit in die Sättigung, je größer die wirksame Spannung ist. Die Zeitspanne bis zum Erreichen der Sättigung stellt die Verzögerungszeit bis zum Ansprechen des nachgeordneten Schaltgliedes dar. If the magnetizing effect predominates, the greater the effective voltage, the shorter the time the core will reach saturation. The time until saturation is reached represents the delay time until the downstream switching element responds.

Oftmals werden für bestimmte Aufgaben Schutzeinrichtungen nach dem thermischen Prinzip mit solchen nach dem elektromagnetischen Prinzip in einem mehrstuflgen überstrom-Zeitschutzsystem vereinigt. Die trägere thermische Einrichtung erfaßt dabei z. B. Überlastströme, während Kurzschlußströme am elektromagnetischen System eine schnellere Auslösung bewirken.Often, protective devices are used for certain tasks according to the thermal principle with those according to the electromagnetic principle in a multistage overcurrent time protection system united. Detects the more inert thermal device while z. B. Overload currents, while short-circuit currents in the electromagnetic system cause a faster release.

In F i g. 1 ist die Kennlinie einer derartigen zweistufigen Schutzeinrichtung dargestellt; der mit a bezeichnete Ast der Kennlinie gehört dem thermischen System zu und der mit b bezeichnete Ast dem elektromagnetischen System. Die Abszisse des Systems bedeutet die Stromachse, während die Ordinate die Zeitachse darstellt. Es ist ersichtlich, daß in einem durch die Kennwerte des Systems festliegenden Änderungsbereich des Stromes I lediglich das thermische System beeinflußt wird, welches verhältnismäßig langsam auslöst gegenüber darüberliegenden. Strornwerten, die am elektromagnetischen System zu einer verhältnismäßig schnellen Auslösung führen.In Fig. 1 shows the characteristic of such a two-stage protective device; the branch of the characteristic curve labeled a belongs to the thermal system and the branch labeled b to the electromagnetic system. The abscissa of the system means the current axis, while the ordinate represents the time axis. It can be seen that in a change range of the current I which is fixed by the characteristic values of the system, only the thermal system is influenced, which triggers relatively slowly compared to the one above it. Current values which lead to a relatively quick tripping in the electromagnetic system.

Die Verschiedenheit des Aufbaues und der Wirkungsweise der in einer derartigen zweistufigen Schutzeinrichtung vereinigten Bausteine bedeutet einen Nachteil. Der unterschiedliche Aufbau und die abweichende Wirkungsweise bedingen auch unterschiedliche Eigenschaften und somit eine Unterschiedlichkeit im Betriebsverhalten, der Funktionssicherheit und der Lebensdauer. Noch mehr stören aber der hohe Leistungsbedarf der bekannten Einrichtung und die mechanischen Kontakte des thermischen Auslösers.The diversity of the structure and the mode of operation of the in one Such a two-stage protective device combined building blocks means a disadvantage. The different structure and the different mode of operation also require different ones Properties and thus a difference in the operating behavior, the functional reliability and the service life. But the high power requirements of the known ones are even more disturbing Device and mechanical contacts of the thermal release.

Nach der Erfindung werden die Nachteile der letztgenannten bekannten Anordnung unter Verwendung eines für beide Funktionen gemeinsam zuständigen Überwachungssystems dadurch vermieden, daß einem vom zu überwachenden Wechselstrom gespeisten Doppelweggleichrichter ein Nebenzweig mit einem Richtleiter und mit einem Widerstand vorgeschaltet und eine Schwellwertkippschaltung nachgeschaltet ist, die jeweils einen von der etwaigen über- bis zur Unterschreitung des Schwellwertes durch den Augenblickswert dauernden oder länger dauernden Impuls an ein integrierendes Glied abgibt, so daß bei endlicher Bemessung des Widerstandes im Nebenzweig, d. h. bei unterschiedlichen Amplituden der Halbwellen, im Verlaufe eines Anstiegs des zu überwachenden Wechselstromes aus dem Normalbereich zunächst die eine Halbwelle der Perioden eiitsprechende Impulse auslöst, bevor die andere Halbwelle ebenfalls Impulse auslöst.According to the invention, the disadvantages of the last-mentioned known arrangement using a monitoring system responsible for both functions are avoided in that a full-wave rectifier fed by the alternating current to be monitored is preceded by a branch with a directional conductor and with a resistor and followed by a threshold value flip-flop circuit, each one of any over- or under-falling of the threshold value through the instantaneous value or longer lasting impulse to an integrating member, so that with finite dimensioning of the resistance in the secondary branch, d. H. in the case of different amplitudes of the half-waves, in the course of an increase in the alternating current to be monitored from the normal range, first the pulses corresponding to one half-wave of the periods are triggered before the other half-wave also triggers pulses.

Ein Ausführungsbeispiel wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die F i g. 2 eine Prinzipschaltung der Anordnung, und die F i g. 3 bis 5 veranschaulichen die Wirkungsweise für verschiedene Betriebszustände.An exemplary embodiment is explained in more detail with reference to the drawing. The FIG. 2 shows a basic circuit of the arrangement, and FIG. 3 to 5 illustrate the mode of operation for different operating states.

Ein Stromwandlerl, der zur geeigneten Umformung des zu überwachenden Stromes dient, ist sekundärseitig mit zwei gegenüberliegenden Anschlußpunkten einer Gleichrichterbrückenschaltung2 verbunden und außerdem mit einem Parallelzweig, der eine Diode 3 und einen veränderbaren Widerstand 4 aufweist. Die anderen Anschlußpunkte der Gleichrichterbrückenschaltung 2, die die Gleichstromklemmen darstellen, sind mit den Eingangsklemmen einer Schwellwertkippschaltung 5 (Trig-,ger) bekannten Aufbaues verbunden. Kippschaltun-,-en dieser Art wirken in der Regel so, daß bei durch die Eingangsspannung überschrittenem Schwellwert ein Impuls abgegeben wird. Der Schwellwertkippschaltung 5 ist ein Zeitglied 6 nachgeschaltet, das nach dem Vorbild bekannter Zeitglieder aufgebaut sein kann. Eine an ihm ablaufende Integration auftreffender Impulse bis zu einem bestimmten Integral bestimmt die Verzögerungszeit der Anordnung. Bei Erreichen des bestimmten Integrals, welches den Ansprechwert der Anordnung darstellt, löst ein vom Zeitglied 6 beeinflußter Schalter 7 aus. Als Zeitglied wird ein statisches Relais bevorzugt, das bcispielsweise nach dem Prinzip der Kondensatoraufladung arbeitet.A Stromwandlerl, which is used for the suitable conversion of the current to be monitored, is connected on the secondary side to two opposite connection points of a rectifier bridge circuit 2 and also to a parallel branch which has a diode 3 and a variable resistor 4. The other connection points of the rectifier bridge circuit 2, which represent the direct current terminals, are connected to the input terminals of a threshold value toggle circuit 5 (trigger, ger) of known structure. Toggle switches of this type usually work in such a way that a pulse is emitted when the threshold value is exceeded by the input voltage. The threshold value flip-flop 5 is followed by a timing element 6 , which can be constructed on the model of known timing elements. An integration of impinging impulses up to a certain integral determines the delay time of the arrangement. When the specific integral, which represents the response value of the arrangement, is reached, a switch 7 influenced by the timing element 6 is triggered. A static relay is preferred as the timing element, which works, for example, on the principle of capacitor charging.

Der Nebenzweig der Anordnung mit der Diode 3 und dem Widerstand 4 bedeutet nur für die negative oder positive Halbwelle der am Wandler 1 erhaltenen Wechselgröße einen Nebenschluß, so daß je nach Einstellung des Widerstandes 4 die eine Halbwelle gegenüber der anderen in einem bestimmten Verhältnis überwiegt. Nach Gleichrichtung dieser Wechselstromgröße mittels der Gleichrichterbrückenschaltung 2 ergibt sich in Abhängigkeit von der Höhe des zu überwachenden Wechselstromes I demzufolge eine pulsierende Gleichstromgröße, wie sie beispielsweise im oberen Diagramm der F i g. 3 und 4 dargestellt ist. In beiden Diagrammen deutet die punktierte Linie den Schwellwert der Schwellwertkippschaltung 5 an. Nach F i g. 3 wird in der ersten Halbwelle jeder Periode der Schwellwert überschritten, und es wird dabei - wie im mittleren Diagramm der Figur dargestellt - jeweils ein Impuls ausgelöst, der bis zur Unterschreitung des Schwellwertes durch den Augenblickswert oder länger, entsprechend einer etwa vorhandenen Schaltverzögerung andauert. Dieser Impuls beaufschlagt das beispielsweise nach dem Prinzip der Kondensatoraufladung arbeitende Zeitglied 6, wobei sich der Kondensator nach dem unteren Diagramm der F i g. 3 auflädt. Es ist ersichtlich, daß sich die Aufladung verhältnismäßig langsam dem als strichpunktierte Linie gezeichneten Ansprechwert des Schalters 7 nähert.The secondary branch of the arrangement with the diode 3 and the resistor 4 means a shunt only for the negative or positive half-wave of the alternating quantity obtained at the converter 1 , so that depending on the setting of the resistor 4, one half-wave predominates over the other in a certain ratio. After rectification of this alternating current quantity by means of the rectifier bridge circuit 2, a pulsating direct current quantity results as a function of the level of the alternating current I to be monitored, as shown, for example, in the upper diagram in FIG. 3 and 4 is shown. In both diagrams, the dotted line indicates the threshold value of the threshold value flip-flop circuit 5 . According to FIG. 3, each period of the threshold value is in the first half wave is exceeded, and it is in this case - as shown in the middle diagram of the Figure - initiated each time a pulse to the falling below the threshold value, corresponding lasts by the instantaneous value or longer an approximately known time delay. This pulse acts on the timing element 6, which works, for example, according to the principle of capacitor charging, the capacitor moving according to the lower diagram in FIG. 3 charges. It can be seen that the charge approaches the response value of the switch 7 drawn as a dash-dotted line relatively slowly.

Nach F i g. 4 treten die Kuppen beider Halbwellen jeder Periode über den Schwellwert der Schwellwertkippschaltung 5 hinaus; dabei teilt aber die erste Halbwelle jeder Periode einen größeren Zeitabstand ab als die zweite Halbwelle, und beide Intervalle geben die Impulsdauer der gemäß dem mittleren Diagramm ausgegebenen Impulsfolge vor. Infolge der gegenüber F i g. 3 verdoppelten Impulszahl steigt die Aufladung des Kondensators des Zeitgliedes 6 verhältnismäßig schnell an und erreicht den, strichpunktiert dargestellten Ansprechwert dementsprechend früher. Die verhältnismäßig hohen Kurzschlußströme einer Anlage werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung beispielsweise nach dem an Hand der F i g. 4 erläuterten Prinzip erfaßt und führen zu einer Schnellauslösung, während die in der Regel geringeren überlastströme eine langsamere Auslösung nach Fig. 3 der Zeichnung bewirken. Im Normalbetriebszustand wird der Schwellwert der Kippschaltung 5 weder in der ersten noch in der zweiten Halbwelle jeder Periode erreicht.According to FIG. 4, the peaks of both half-waves of each period occur above the threshold value of the threshold value flip-flop circuit 5 ; however, the first half-wave of each period divides a greater time interval than the second half-wave, and both intervals specify the pulse duration of the pulse sequence output according to the middle diagram. As a result of the compared to FIG. 3 doubled the number of pulses, the charging of the capacitor of the timing element 6 increases relatively quickly and accordingly reaches the response value shown in dash-dotted lines earlier. The relatively high short-circuit currents of a system are determined in the arrangement according to the invention, for example, according to the method shown in FIG . 4 detected and lead to rapid tripping, while the generally lower overload currents cause slower tripping according to FIG. 3 of the drawing. In the normal operating state, the threshold value of the flip-flop 5 is reached neither in the first nor in the second half-cycle of each period.

Der Widerstand 4 der Anordnung ermöglicht die Einstellung des Grenzwertes zwischen Schnell- und Langsamauslösung. Das Verhältnis der Amplituden der ersten und zweiten Halbwelle pro Periode läßt sich hiermit durch Veränderung der Einstellung in einfacher Weise variieren. Stellt man als gedachten Grenzfall den Widerstand 4 auf »Unendlich« ein (Nebenzweig mit dem Widerstand 4 nicht vorhanden), so haben die Amplituden der Halbwellen nach dem oberen Diagramm der F i g. 5 gleiche Höhe, und sie treffen demnach bei Zunahme des zu überwachenden Stromes gleichzeitig auf den punktiert dargestellten Schwellwert der Kippschaltung 5. ' Die vom Schwellwert nach dem Diagramm abgeschnittenen Kuppen der Halbwellen entsprechen einander in ihrer Grundlinie, so daß auch die im mittleren Diagramm der F i g. 5 dargestellten Impulse von gleicher Länge sind. Wie bei den oben geschilderten Einstellarten des Widerstandes4 auf endliche Werte vollzieht sich die Aufladung des Kondensators des Zeitgliedes 6 nach F i g. 5 bei Eintreffen der Impulse; die Aufladung bleibt bei idealisierter verlustfreier Betrachtung des Kondensators während der Impulspausen auf dem erreichten Potential stehen.The resistor 4 of the arrangement enables the limit value to be set between rapid and slow tripping. The ratio of the amplitudes of the first and second half-waves per period can hereby be varied in a simple manner by changing the setting. If, as an imaginary borderline case, the resistor 4 is set to "infinite" (side branch with the resistor 4 does not exist), the amplitudes of the half-waves according to the upper diagram in FIG. 5 the same height, and accordingly, when the current to be monitored increases, they simultaneously hit the threshold value of the flip-flop circuit 5 shown in dotted lines i g. 5 pulses shown are of the same length. As with the above-described types of setting of the resistor 4 to finite values, the charging of the capacitor of the timing element 6 takes place according to FIG. 5 when the impulses arrive; If the capacitor is considered in an idealized lossless manner, the charge remains at the potential achieved during the pulse pauses.

In vielen Fällen werden die typenbedingten Eigenverluste des Kondensators des Zeitgliedes 6 eine ausreichend schnelle Rückstellung des Zeitgliedes zur Folge haben. Sollte dies aber nicht der Fall sein, so kann ein Hilfskontakt des Schalters 7 in geeigneter Anordnung vorgesehen sein, der die Entladung des Kondensators des Zeitgliedes 6 in geeigneter Weise steuert.In many cases, the type-dependent inherent losses of the capacitor of the timing element 6 will result in a sufficiently rapid resetting of the timing element. Should this not be the case, however, an auxiliary contact of the switch 7 can be provided in a suitable arrangement, which controls the discharge of the capacitor of the timing element 6 in a suitable manner.

Claims

Claim: Overcurrent protection relay system for alternating current to limit the duration of overcurrents depending on their level with different treatment of high and low overcurrents (weak or more delayed disconnection), characterized in that a full-wave rectifier fed by the alternating current to be monitored has a side branch with a Directional conductor and a resistor upstream and a threshold value flip-flop circuit is connected downstream, each of which emits a pulse that lasts or lasts longer from any exceeding or falling below the threshold value due to the instantaneous value, so that with finite measurement of the resistance in the secondary branch, i.e. . H. with different amplitudes of the half-waves, in the course of an increase in the alternating current to be monitored from the normal range, first one half-wave of the periods triggers pulses before the other half-wave also triggers pulses.