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Kommandogerät zur Überwachung elektrischer Stromkreise
Mit der Entwicklung sehr schneller Schaltgeräte, deren Schaltzeit oft nur kleine Bruchteile einer Millisekunde beträgt, ist es notwendig geworden, entsprechend schnelle Kommandogeräte zu entwickeln, die in der Lage sind, beispielsweise Stromwerte in der Umgebung des Stromnulldurchganges oder vorgegebene Momentanwerte beim Stromanstieg zu erfassen. Im allgemeinen liegen die Verhältnisse so, dass durch ein relativ zu den Schnellschaltern und Kommandogeräten langsames Überstrom- oder Impedanzrelais die Ausschaltung durch Schliessen eines Kontaktes vorbereitet wird. Das Kommandogerät übernimmt dann die Aufgabe, innerhalb einer Stromhalbwelle die Auslösung bei einem bestimmten Wert oder Bereich der zu überwachenden Grösse wirksam werden zu lassen.
Man hat bereits vorgeschlagen, mit Hilfe magnetisch betätigter Geräte das Auslösekommando in gewissen Strombereichen zu sperren und nur kurz vor dem Stromnulldurchgang freizugeben, um eine sogenannte Vorauslösung zu bewirken. Geräte dieser Art haben sich aber für die neuen extrem schnellen Schalter als zu langsam erwiesen ; zudem haben sie im allgemeinen den Nachteil, dass sie im Bereich kleiner Stromwerte nicht mehr sicher arbeiten.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kommandogerät zur Überwachung elektrischer Stromkreise und bezweckt, die genannten Mängel zu vermeiden. Sie ist gekennzeichnet durch einen Span- uungsteiler, bestehend aus einem von der zu überwachenden elektrischen Grösse magnetisch beeinflussten Halbleiterwiderstand und einem von der zu überwachenden elektrischen Grösse magnetisch nicht beeinflussten Widerstand, wobei die Kommandogabe bei einem vorgegebenen Spannungsteilerverhältnis erfolgt. Durch die Verwendung von Halbleitern lässt sich eine praktisch trägheitsfreie Messung der zu überwachenden elektrischen Grösse erreichen.
Die für gewisse Anwendungen störende Wirkung des negativen Temperaturkoeffizienten elektrischer Halbleiter kann dadurch kompensiert werden, dass Spannungsteiler neben dem magnetisch beeinflussten Halbleiterwiderstand noch einen zweiten magnetisch nicht beeinflussten Halbleiterwiderstand in thermischer Kopplung mit dem ersteren aufweist ; insbesondere kann es zweckmässig sein, diesen zweiten Widerstand aus gleichem Material wie den magnetisch beeinflussten Widerstand herzustellen.
Es ist oft wünschenswert, die Auslösung nicht bei Erreichen oder Unterschreiten eines bestimmten Strom- oder Spannungswertes herbeizuführen, sondern ein beispielsweise durch ein Überstrom- oder Impedanzrelais ausgelöstes Kommando nur innerhalb eines bestimmten vorgegebenen Bereiches der zu überwachenden Grösse wirksam werden zu lassen. Soll z. B. in der Nähe des Stromnulldurchganges eine Auslösung erfolgen, so kann diese in gewissen Fällen bei Unterschreiten eines Momentanwertes des abfallenden Stromes eingeleitet werden. Nun kommt es aber vor, dass der Strom nicht wie erwartet auf Null geht, sondern vor Erreichen des Stromnulldurchganges wieder ansteigt.
In diesem Falle kann es wünschenswert sein, dass beim Austritt des Stromes aus dem Bereich kleiner Stromwerte ein zweites Kommando gegeben wird, das die sofortige Wiedereinschaltung oder Überbrückung des Schalters bewirkt. Die gleichen Verhältnisse liegen vor, wenn der Stromnulldurchgang zwar erreicht wird, jedoch eine Neuzündung des Lichtbogens auftritt. Bei willkürlicher Ausschaltung eines elektrischen Schaltgerätes, das z. B. nur einen Strom in der Grösse des Nennstromes führt, ist es ohne weitere Steuermittel durchaus möglich, dass vom Zeitpunkt, da das willkürliche Kommando gegeben wird, bis zum nächsten Stromnulldurchgang ein sehr starker Stromanstieg auftritt, der zu einer Gefährdung des Schalters führt.
Verwendet man hingegen ein
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Kommandogerät, das ein Kommando nur in einem Intervall von vorgegebenen kleinen Stromwerten wirksam werden lässt, so ist diese Gefahr beseitigt. Ein weiterer Vorteil derartiger Kommandogeräte besteht darin, dass der Schalter willkürlich bei beliebig kleinen Stromwerten und auch im stromlosen Zustand ausgeschaltet werden kann.
In Fig. 1 ist eine beispielsweise Ausführungsform eines Kommandogerätes nach der Erfindung dargestellt. Darin bedeutet 1 den Primärleiter eines zu überwachenden elektrischen Stromkreises. Er ist umgeben von einem Magnetsystem 2 mit einem Luftspalt 3, in dem sich eine Doppé1feldscheibe 4 befindet, deren Widerstand von der magnetischen Induktion im Luftspalt abhängig ist. In Reihe mit der Feldscheibe 4 ist ein Widerstand 5 angeordnet, der aus einem Material, z. B. Indium-Antimonid (In Sb), besteht, dessen Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes sich in gleicher Weise mit de : Temperatur ändert wie derjenige der Feldscheibe 4. Mit 6 ist der Auslösekontakt bezeichnet, der beispielsweise beim Ansprechen des Selektivschutzes geschlossen wird ; 7 ist ein entsprechender Kontakt für Handauslösuilg.
An dem Spannungsteiler, bestehend aus der Feldscheibe 4 und dem Widerstand 5, liegt eine konstante Teilspannung, die durch die Widerstände 8 und 9 gegeben ist. Parallel zum Widerstand 8 befindet sich noch ein Kondensator 10, der für eine ausreichende Konstanz der am Spannungsteiler 4, 5 liegenden Teilspannung sorgt. Die unter dem Namen Schmitt-Triggerschaltung bekannte Anordnung 12 enthält als hauptsächliche Bauelemente die beiden Transistoren 13 und 14 mit den Kollektorwiderständen 15, 16.
Mit 17 ist der den beiden Transistoren gemeinsame Emitter-Vorwiderstand bezeichnet. 18, 19 ist ein weiterer Spannungsteiler. Parallel zum Teilwiderstand 19 liegt der Kondensator 20. Ein entsprechender Spannungsteiler ist durch den Widerstand 5 und den Widerstand 21 gegeben, zu welch letzterem der Kondensator 22 parallelgeschaltet ist. In Reihe mit der Primärwicklung 23 der Zündspule 24 liegt der Impulskondensator 25. Die Sekundärwicklung 26 der Zündspule 24 ist mit einer nicht dargestellten Kaltkathodenröhre verbunden.
Die Wirkungsweise des Kommandogerätes ist folgende : Liegt der Momentanwert des Hauptstromes im Primärleiter 1 oberhalb einer gewissen Grenze, so ist die Induktion im Luftspalt 3 des Magnetsystems 2 und damit der Widerstand der Feldscheibe 4 gross. Dies hat zur Folge, dass die Steuerspannung am Eingang der Triggerschaltung, die mit dem Spannungsabfall am Widerstand 5 übereinstimmt, klein ist. In diesem Zustand ist die Basis des Transistors 13 auf Grund einer passenden Wahl des Widerstandsverhältnisses des Spannungsteilers 5,21 sowie infolge des durch den Emitterstrom des Transistors 14 am gemeinsamen Emitter-Vorwiderstand 11 positiv vorgespannt, der Transistor 13 also gesperrt. Der Kondensator 25 wird auf die entsprechend hohe Kollektor-Emitterspannung des Transistors 13 aufgeladen.
Das obere Ende des Teilwiderstandes 18 des Spannungsteilers 18, 19 weist eine negative Spannung auf, die der Basis des Transistors 14 zugeführt wird. Dieser wird demnach gut leitend.
Nähert sich der Strom und damit die Induktion im Luftspalt 3 mit beliebiger Steilheit dem Nullwert, so nimmt der Widerstand der Feldscheibe 4 bei einem vorgegebenen Wert des Hauptstromes im Primärleiter 1 einen so kleinen Wert an, dass am Eingang der Triggerschaltung eine Steuerspannung auftritt, durch die die Triggerschaltung in den instabilen Zustand umgesteuert wird. Die im stabilen Schaltzustand positive Basis-Emitterspannung des Transistors 13 ändert infolge des vergrösserten Spannungsabfalles am Widerstand 5 ihr Vorzeichen ; der Transistor 13 wird leitend. Bei diesem Vorgang wird aber die BasisEmitterspannung des Transistors 14 positiv, so dass dieser in den gesperrten Zustand übergeht. Die Geschwindigkeit des beschriebenen Umschaltvorganges wird durch die Wirkung der Ladeströme der Kondensatoren 20 und 22 erhöht.
Bei der Stromübernahme durch den Transistor 13 setzt die Entladung des Kondensators 25 und damit die Ummagnetisierung der Zündspule 24 ein. Dabei entsteht in der Sekundärwicklung 26 ein Spannungsimpuls, der auf die erwähnte Kaltkathodenröhre einwirkt, wodurch die Ausschaltung des zugehörigen Schalters veranlasst wird.
In gewissen Fällen kann es zweckmässig sein, das Magnetsystem 2 durch eine zusätzliche Wicklung 11 in der Weise vorzumagnetisieren, dass die resultierende Durchflutung und damit der magnetische Fluss des Magnetsystems 2 zu einem andern Zeitpunkt, z. B. früher als der Hauptstrom im Primärleiter 1, den Wert Null erreicht. Wird durch eine geeignete Dimensionierung dafür gesorgt, dass das Magnetsystem 2 ausserhalb des für die Auslösung massgebenden Strombereiches gesättigt ist, so kann eine besonders hohe Änderungsgeschwindigkeit der Induktion im Luftspalt des Magnetsystems und damit eine entsprechend hohe zeitliche Genauigkeit der Auslösung erreicht werden.
In Fig. 2 ist eine beispielsweise Ausführungsform eines Kommandogerätes ausgebildet als Vorauslösung dargestellt. Gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 ist hier ein zusätzliches Magnetsystem 31 mit dem Luftspalt 32 und der Sekundärwicklung 33 vorhanden. Durch den in der gemeinsamen Primärwicklung 36 fliessenden Strom 1 werden sowohl in der Wicklung 3J des Magnetsystems 31 als auch in der Wicklung 35
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des Magnetsystems 34 Spannungen induziert, deren Differenz den Strom 12 erzeugt. Wird der magnetische Widerstand des Magnetsystems 31 wesentlich kleiner, z.
B. 1/5 - 1/10 desjenigen des Systems 34, gemacht und wählt man zudem das Windungsverhältnis der Wicklungen 33 und 35 etwa zu 1 : 2, so kann unabhängig von der Steilheit des Stromes 11 eine immer gleiche Phasenvoreilung des magnetischen Flusses im System 34 von beispielsweise 0, 5.. 2 ms je nach Wahl des Widerstandes der Wicklungen erreicht werden. Dieser Fluss wirkt auf die Feldscheibe 37 ein und verändert ihren Widerstand dementsprechend.
Mit 38 ist der Spannungsteilerwiderstand, der am Triggereingang liegt (s. Fig. l), bezeichnet. Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 entspricht im übrigen vollständig derjenigen von Fig. l mit dem einen Unterschied, dass das Instabilwerden des Triggers nun bei einem Zeitpunkt oder Zeitbereich erfolgt, der um eine vorgegebene mittlere Zeit vor dem Nulldurchgang des zu überwachenden Stromes liegt.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Kommandogerät zur Überwachung elektrischer Stromkreise, gekennzeichnet durch einen Span - nungsteiler, bestehend aus einem von der zu überwachenden elektrischen Grösse magnetisch beeinflussten Halbleiterwiderstand und einem von der zu überwachenden elektrischen Grösse magnetisch nicht beeinflussten Widerstand, wobei die Kommandogabe bei einem vorgegebenen Spannungsteilerverhältnis oder innerhalb eines vorgegebenen Bereiches des Spannungsteilerverhältnisses erfolgt.