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Wechselstromschutzrelais geringer Trägheit und hoher Genauigkeit.
Die wichtigste Eigenschaft von Überstrom-, UnterspannungsreJais usw. ist ihre Genauigkeit, d. h. die genaue Einhaltung des Ansprechwertes und die geringe Trägheit, d. h. die Rasellheit des
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kräfte zum Messkraftuberschuss ab. Die Trägheit des Reagierens hängt, abgesehen von der Masse des beweglichen Teiles, vor allem davon ab, ob eine Dämpfungseinrichtung vorhanden sein muss oder nicht.
Die Reibungskräfte können dadurch gering gehalten werden, dass der Aufbau des Relais zentrisch- symmetrisch erfolgt, derart, dati sich alle seitlichen, nicht in die Bewegungsrichtung des beweglichen Teiles fallenden Kräfte gegenseitig aufheben. Solche an sieh bekannte Relais weisen jedoch mangels der unten erwähnten Kurzschlussringe den Nachteil auf, dass die magnetische Kraft in jeder Wechselstromperiode zweimal auf Null zurückgeht, wodurch Vibrationen auftreten, die die Lebensdauer des Relais sehr beeinträchtigen. Wird als Messkraft eine zweite pulsierende magnetische Kraft verwendet, so ergibt sich überdies eine Abhängigkeit des Ansprechwertes von der gegenseitigen Phasenlage der beiden erregenden Wechselströme, was in den meisten Fällen unerwünscht ist.
Die im Relaisbau bisher vorwiegend angewendeten Massnahmen zum Ausgleich der pulsierenden Kraft auf einen annähernd konstanten Mittelwert bestehen in der erwähnten Anordnung eines Kurzschlussringes über einen Teil des magnetischen Kraftlinienpfades oder in der Anordnung von mechanischen Dämpfungsvorrielhtungen.
Erstere Massnahme ist bei zentrisch-symmetrischem Aufbau, welcher als besonders günstig hinsichtlich geringer Reibungskräfte oben angegeben wurde, nicht möglich, letztere Massnahme bewirkt hingegen naturgemäss eine grosse Trägheit des Reagierens. Erfindungsgemäss wird deshalb davon Gebrauch gemacht, dass zwei Magnetsysteme, die von zwei um 900 verschobenen Strömen erregt werden, bei gleichen Kräfteamplituden eine konstante Kraft über eine Periode ergeben. Relais mit zwei solchen Magnetsystemen sind bereits bekannt ; diese bekannten Relais weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Lager von starken Kräften wechselnder Richtung beansprucht werden, so dass einerseits die Lebensdauer gering und anderseits die Ungenauigkeit des Ansprechens verhältnismässig gross ist.
Dieser Nachteil wird erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass das Relais aus zwei zentrisch-symmetrischen, auf den gleichen beweglichen Teil wirkenden Magnetsystemen aufgebaut ist, derart, dass die resultierende magnetische Kraft der beiden Systeme sowie die Messkraft in die Bewegungsrichtung fallen.
Der allgemeine Aufbau eines solchen erfindungsgemässen Relais ist in Fig. 1 dargestellt. In derselben bezeichnet 1 das eine, 2 das andere Magnetsystem und 3 den gemeinsamen beweglichen Teil, welcher einen zum Magnetsystem 1 gehörigen Anker 4 und einen zum Magnetsystem 2 gehörigen Anker 5 aufweist und eine Bewegungsmöglichkeit in Richtung der Achse X besitzt. Wie ersichtlich, heben sich die nicht in Richtung der Achse X fallenden magnetischen Kräfte gegenseitig auf, so dass die Lager 6 bzw. 7 vollkommen entlastet sind. Irgendwelche grössere Reibungsverluste, welche die Genauigkeit des Relais beeinträchtigen würden, können daher nicht auftreten.
Die beiden in Richtung der Achse X auf den Kern 4 bzw. 5 wirkenden Kräfte P1 bzw. P2 sind nun, wie in Fig. 2 dargestellt, derart gegeneinander zeitlich verschoben, dass sie eine vollkommen konstante Summenkraft (P1 + P2) ergeben.
Dadurch erübrigt sich die Anordnung von Dämpfungseinrichtungen, so dass die Konstruktion nicht
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nur wesentlich einfacher und betriebssicherer wird, sondern sich auch die gewiinschte grosse Geschwindigkeit des Reagierens ergibt.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit, die um 90 elektrische Grade verschobenen Erregungen
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besitzt aber ausserdem den ausserordentlichen Vorteil, dass bloss ein einziges Relais genügt, um den dreiphasigen Stromkreis zu überwachen ; das Relais wird nämlich bei dieser Anordnung auch dann erregt, wenn der Stromkreis nur über zwei Phasen geschlossen ist. Beispielsweise wird in Fig. 3 b durch das Vektordiagramm der Erregungen der Fall veranschaulicht, in welchem der Stromkreis nur über die Phasen R und T geschlossen ist.
Die Fig. 3 c bezieht sich auf den weiteren Fall, dass der Stromkreis nur über die Phase R allein bzw. ausserdem über die mit dem Relais nicht im Zusammenhang stehende Phase S führt. Analog der Fig. 3 c ergeben sich die Erregungen auch für den Fall, dass der Stromkreis von den Phasen S und T gebildet wird. Wie aus den Vektordiagrammen 3 a-c hervorgeht, wird bei der erfindungsgemässen Anordnung in allen diesen Fällen sowohl bei dreiphasigem symmetrischen Stromkreis als auch bei Stromkreisen zwischen zwei beliebigen Phasen unter Voraussetzung gleicher Phasenströme in allen Fällen stets die gleiche Summe J. 2 + also auch die gleiche auf den beweglichen Teil des Relais wirkende mittlere Summenkraft erzeugt.
Diese Summenkraft ist allerdings über eine Weehselstromperiode nicht konstant, da die obgenannten Bedingungen für die Konstanz derselben, nämlich gleiche Amplitude und 90grädige Phasenverschiebung zwischen den Erregungen der beiden Magnetsysteme für die Fälle der zweiphasigen Stromkreise nicht mehr erfüllt sind. Dieser Umstand ist aber praktisch von geringer Bedeutung, da die Vibrationen sich nur im Dauerbetrieb schädlich auswirken.
Bei Verwendung des erfindungsgemässen Relais als Überstromschutz ist es in manchen Fällen erwünscht, dass ein Ansprechen des Relais bei einem möglichst geringen zweiphasigen Kurzschlussstrom aber erst bei einer möglichst grossen dreiphasigen Überlastung eintritt. Für solche Fälle kann die erfindungsgemässe Anordnung der Erregungen gemäss Fig. 3 in der Weise weitergebildet werden,
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symmetrischem Stromkreis kleiner als bei zweiphasigem, was zur Folge hat, dass die resultierenden Amperewindungen im ersteren Falle kleiner sind als in letzteren Fällen.
Unter Umständen ist es zulässig bzw. kann es erwünscht sein, dass die Ansprechwerte bei dreiphasigem symmetrischem Stromkreis geringer sind als bei zweiphasigem. In solchen Fällen kann
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Untersuchung zeigt, dass einerseits bei dreiphasigem symmetrischem Stromkreis (Fig. 4 a) der Phasenverschiebungswinkel zwischen jd. tfj und AW2 genau 900 beträgt und anderseits die resultierende Summe AW12+ AW22 in allen Fällen der zweiphasigen Stromkreise untereinander gleich ist.
Wird eine Verschiedenheit der Ansprechwerte bei dreiphasigem symmetrischem Stromkreis und zweiphasigen Stromkreisen zugelassen, so kann eine weitere Vereinfachung der Anordnung erfindungsgemäss dadurch erzielt werden, dass nur das eine der beiden Magnetsysteme eine Zusatzerregung erhält ; die Amperewindungszahl des letzteren soll dann, wie in Fig. 5 dargestellt, zu der der Haupterregung im Verhältnis 1 : 2 stehen. Auch bei dieser Anordnung beträgt, wie eine nähere Untersuchung
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für alle Fälle der zweiphasigen Stromkreise untereinander gleich.
Gemäss einem weiteren Erfindungsgedanken kann bei Verwendung bloss einer zusätzlichen Erregung vermieden werden, dass das Relais bei dreiphasigem symmetrischem Stromkreis den niedrigsten Ansprechwert aufweist, wenn wie bei den Anordnungen gemäss Fig. 3 eine künstliche Phasenver-
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eines Kondensators vorgenommen werden.
Bei Zugmagneten ist es bekannt, dieselben gleichartig und so auszulegen, dass der von ihnen aufgenommene Strom eine Phasenverschiebung von gerade 45 elektrischen Graden gegenüber der aufgedrückten Spannung aufweist und dass dem einen der beiden Elektromagnete ein Kondensator vorgeschaltet ist, der in diesem Kreis eine Phasel1voreilung des Stromes um 450 hervorruft. Wollte man das erfindungsgemässe Relais in analoger Weise bemessen, so ergäbe sich der Nachteil, dass der innere Phasenverschiebungswinkel von 45 eine schlechte Ausnutzung des Materials bzw. einen grossen Verbrauch an elektrischer Leistung bedingt.
Auf Grund der Erkenntnis, dass der gleiche Effekt wie bei der beschriebenen bekannten Massnahme bei Zugmagneten, ohne jedoch deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, erreicht werden kann, wenn die Bemessung beider Magnetsysteme in bestimmter Weise aufeinander abgestimmt wird und die Magnetsysteme demgemäss mit stark verschiedenen Windungszahlen ausgeführt werden, kann aus dem Vektordiagramm der Fig. 8 die Bemessungsregel für eine Anordnung gemäss Fig. 7 abgeleitet werden. Bei letzterer Abbildung bedeutet 1 und 2 die Erregerwicklungen der beiden Magnetsysteme, deren Zugkräfte vereinigt werden, 5 den zu der Erregerwicklung 2 in Reihe geschalteten Kondensator.
Bei dieser Schaltung
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Spannungswert, für welchen die Wieklung des zweiten Elektromagneten zu bemessen ist, auf Dies ergibt in praktischen Fällen ein Windungszahlverhältnis der beiden Magnetsysteme von etwa 1 : 4.
In analoger Weise kann die Erfindung so ausgeführt werden, dass das Magnetsystem 1 anstatt unmittelbar an das Netz zum Kondensator 5 parallelgesehaltet wird. Diese Anordnung unterscheidet sich von der nach Fig. 7 durch den Verlauf der Zugkraft in Abhängigkeit von der Stellung des Ankers, also vom zurückgelegten Hubweg ; erstere Anordnung ergibt überdies geringere Windungszahlen der Elektromagnete, was aus baulichen Gründen sehr erwiinseht ist.
Bei Änderung der Ankerstellung tritt infolge des veränderten Luftspaltes eine Änderung des magnetischen Widerstandes ein und damit auch bei gegebenem Strom eine solche des magnetischen Flusses und der magnetischen Kraft ; ausserdem wird durch die damit bewirkte Änderung der Induktivität eine Änderung der Stromaufnahme der Wicklungen hervorgerufen, wodurch sieh weiterhin eine Veränderung der Kraftwirkung ergibt. Normalerweise nimmt mit abnehmendem Luftspalt die magnetische Kraft stark zu. Dies ist in vielen Fällen, insbesondere bei Relais wegen des Rückgangsverhältnisses unerwünscht. Fig. 10 zeigt die Zugkräfte einer Anordnung nach Fig. 7 in Abhängigkeit von der Induktivität der beiden Magnetsysteme, welche durch die Stellung der Anker gegeben ist.
Der Verlauf der Teilkraft Po, herrührend vom Magnetsystem 1, hängt nur von dem Verhältnis des Ohmschen Widerstandes zur Induktivität ab. Wäre der Ohmsche Widerstand Null, so ergäbe sich diese Teilkraft konstant. Bei den praktisch vorkommenden Verhältniswerten von Ohmschen Widerstand und Induktivität nimmt mit zunehmender Induktivität die Kraft etwa in dem in Fig. 10 dargestellten Masse zu. Der Verlauf der vom Magnetsystem 2 ausgeübten Teilkraft P2 ist überdies vom Kapazitätswert des Kondensators abhängig. Bei einem bestimmten Induktivitätswert ergibt sich bei der entsprechenden angemessenen Bemessung ein vollkommener Ausgleich der Kraftpulsationen.
Dieser Zustand ist, wie ersichtlich, bei Punkt 1 (Fig. 10)
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der Pulsationen bei der Ausgangsstellung des Ankers ein beliebiger anderer Bereich des Zugkraftverlaufes bei Zurücklegung des Hubweges benutzt werden, beispielsweise der Bereich, welcher zwischen den Punkten 3 und 4 liegt. In diesem wird die Zunahme der Kraft P, durch eine Abnahme der Kra. ft P2 ausgeglichen.
Wird also als Arbeitsbereich der den Punkten 1 und 2 entsprechende Hubweg (nach rechts oben strichlierter Bereich) benutzt, so ergibt sieh in der Ausgangsstellung des Ankers ein vollkommener Ausgleich der Pulsationen, jedoch bei Zurücklegen des Hubweges eine gewisse Zunahme der Kraft Pg und damit auch der Summenkraft + P2 ; bei Benutzung des den Punkten 3 und 4
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entsprechenden Bereiches (nach rechts unten striehliert) wird diese Zunahme vermieden. Eine nähere Untersuchung zeigt, dass die Teilkraft P2 dann im Bereich einer geringen Zunahme bei Verringerung des Luftspaltes liegt, wenn die Kapazität des Kondensators, welcher zu einer der Erregerwicklungen in Reihe geschaltet ist, annähernd auf Resonanz mit der Induktivität dieser Erregerwicklung abgestimmt ist.
Diese Bemessung des Kondensators ist besonders dann mit Vorteil anzuwenden, wenn ein
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Bei Einphasen-Stromrelais ist es als zweckmässig erkannt, den Kondensator über einen hochgesättigten Transformator (6) zu schalten, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Durch den hochgesättigten Transformator wird erreicht, dass einerseits die Kapazität im Quadrat des Übersetzungsverhältnisses kleiner gewählt werden kann und dass anderseits bei hohen Strömen infolge der Sättigung keine Überlastung des Kondensators durch zu hohe Spannung eintreten kann.
Bei manchen Ausführungsarten des erfindungsgemässen Relais ist es zweckmässig, die Regelung des Anspreehwertes mittels Anzapfungen vorzunehmen. In diesem Falle besteht aber die Schwierigkeit, dass sich durch die Änderung der Windungszahl des Magnetsystems auch dessen Induktivität ändert, so dass auch der Kapazitätswert des Kondensators verändert werden muss. Gemäss einem weiteren Erfindungsgedanken wird dieser Nachteil dadurch behoben, dass das angezapfte Magnetsystem als Spartransformator für den kapazitiven Stromkreis verwendet wird, derart, dass sich bei den verschiedenen Anzapfungen stets die richtige Erregung mit der gleichen Kapazität ergibt.
Eine solche Anordnung ist in Fig. 11 dargestellt, in welcher wiederum 1 und 2 die beiden Magnetsysteme, 5 den Kondensator, 6 den hophgesättigten Transformator und 7 die Anzapfungen darstellen. Eine nähere Untersuchung zeigt, dass bei dieser Sehaltung trotz Verwendung verschiedener Anzapfungen stets die richtige Abstimmung von Induktivität und Kapazität gewahrt bleibt.
Der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemässen Relais lässt sich sehr zweckmässig zum Grössenvergleieh zweier um etwa 90 elektrische Grade phasenverschobener Wechselspannungen anwenden. Für den genannten Zweck wird die Anordnung aus zwei erfindungsgemässen Einrichtungen zur Erzeugung magnetischer Kräfte, wobei die Kräfte einander entgegenwirken, zusammengesetzt ; sie waist deshalb im ganzen vier Magnetsysteme auf, wobei je zwei gegeneinander wirkende benachbart
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einigt.
Die Erregung je eines der beiden Magnetsysteme erfolgt von der ungedrehten Spannung (Strom), die des andern von der gedrehten Spannung (Strom), u. zw. in einem derartigen Sinn, dass die von beiden Erregerwicklungen im Anker hervorgerufenen magnetischen Flüsse annähernd gleich gross und gleichphasig sind, so dass also der magnetische Widerstand nur in den Hauptluftspalten, nicht
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gleichen auch 3 und 4 dar ; 7 und 8 bedeuten die je zwei verschiedenen Magnetpaaren zugehörigen gemeinsamen Anker, die auf dem beweglichen Teil 9 angeordnet sind ; 5 und 6 sind die gemeinsamen Stege und 10 und 11 die unten noch zu erörternden Lager. Diese Anordnung ergibt eine sehr kompendiöse Bauart und verhältnismässig starke Magnetkräfte, da nur, wie bereits erwähnt, die Hauptluftspalte, nicht aber die Nebenluftspalte zwischen Anker und den Stegen wirksam sind.
Dies bringt ausserdem den Vorteil mit sich, dass bei einer Änderung der Phasenlage eine Erhöhung des nugnstichen Widerstandes eintritt, indem die beiden durch die Erregerwicklungen bzw. den Anker ge riebensn magn3'Ì3hen Flüsse nicht mehr gleichphasig sind und dadurch in den Kraftlinienpfaden des Differenzflusses die Nebenluftspalte enthalten sind. Die Änderung des magnetischen Widerstandes und die damit zusammenhängende Änderung der Induktivität bewirkt Änderungen der Stromauf- nahme, welche bei entsprechender Bemessung der Kondensatoren zu einer erwünschten Erhöhung der Differenzzugkraft führt.
Ein b3sonderer Vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt darin, dass der bewegliche Teil desselben bloss eine axiale Bewegung und keine Drehbewegung ausführt. Es erübrigt sich deshalb grundsätzlich die Anwendung von Drehlagern. Gemäss einem weiteren Erfindungsgedanken kann nun bei diesen
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ist es bloss erforderlich, für eine Zentrierung des beweglichen Teiles in den Endlagen und selbst- verständlich auch für eine lockere Führung in den Zwisehenlagen zu sorgen. Erzielt wird dies erfindungs-
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Richtung wirkenden Magnetkräfte in Gegenkonusse gedrückt und dadurch seitlich fixiert werden. Eine solche Ausbildung des beweglichen Teiles ist in der Fig. 12 dargestellt. Ihre Wirkungsweise versteht sieh aus dem oben Gesagten von selbst.
Infolge der Vermeidung der Vibrationen kann beim Erfindungsgegenstand die Regelung des Anspreehwertes zweckmässig durch Gewiehtsbelastung vorgenommen werden ; eine solche Regelung hat gegenüber einer Messkrafterzeugung durch Federn den grossen Vorteil, dass keinerlei Änderung (Alterung) der Grösse der Kraft eintreten kann.
Erfindungsgemäss werden nun die zur Auflage auf das Relais bestimmten Gewichte derart übereinandergestapelt aufbewahrt, dass die Stapelhöhe, die naturgemäss um so geringer ist, je mehr Gewichte auf das Relais tatsächlich gerade aufgelegt sind, an einer neben dem Gewichtsstapel angebrachten Skala die fehlenden (d. h. aufgelegten) Gewichte
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erkennen lässt und somit bei entsprechender Eichung unmittelbar den eingestellten Ansprechwert des Relais abzulesen gestattet.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Weehselstromschutzrelais, dadurch gekennzeichnet, dass es aus zwei getrennten, auf den gleichen beweglichen Teil wirkenden, zentrisdi symmetrischen Magnetsystemen besteht, derart, dass die resultierenden magnetischen Kräfte der beiden Systeme sowie die Messkraft in die Bewegungsrichtung fallen und dass erstere Kräfte zusammen trotz Weehselstromerregung annähernd eine über die eine Periode konstante Summenkraft ergeben.