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Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für Stromerzeuger gegen Folgeschäden beim Auftreten von hohen Spannungsspitzen beim plötzlichen Abschalten der Nenn-Generatorleistung an angeschalteten empfindlichen Verbrauchern und gegen Zerstörungen beim dauernd anhaltenden Auftreten von weit überhöhter Klemmspannung im Störungs- bzw. Fehlerfall mit einer Regelund Schalteinrichtung, enthaltend einen elektronischen Schalter mit einer Darlington-Endstufe, ein externes Spannungseinstellglied und einen Lastwiderstand sowie einen Magnetschalter, insbesondere zur Anwendung als Schutzeinrichtung bei transportablen Aggregaten.
Bei umfangreichen statistischen Untersuchungen von Störungen, Fehlerquellen und deren Folgeschäden, haben sich bei derartigen bekannten nicht dauernd beaufsichtigten und-betreuten Stromerzeugern jedoch noch folgende schwerwiegende Mängel gezeigt :
1. Bei plötzlichem Abschalten der Nenn-Generatorleistung, insbesondere bei höheren Nenn- - Klemmenspannungen auf Leerlauf oder ganz geringer Last, wird in den ersten Millisekunden nach der Abschaltung durch den Beharrungszustand des Generatorfeldes die Klemmenspannung weit über die Nennklemmenspannung ansteigen ; es können dadurch angeschaltete empfindliche Geräte, wie z. B. Funk-, Mess- oder Digitaleinrichtungen beschädigt bzw. zerstört werden.
2. Bei herkömmlichen Stromerzeugungsaggregaten ist keine Schutzeinrichtung vorgesehen, die im Störungs- bzw. Fehlerfall, insbesondere beim dauernd anhaltenden Auftreten von weit überhöhter Klemmenspannung, die elektrische Anlage sofort und automatisch abschaltet, bevor noch Anlagenteile durch Überspannung oder Erwärmung beschädigt werden bzw. bevor überhaupt eine Zerstörung eingeleitet wird.
Zu 1. Um diesen Spannungsanstieg zu begrenzen, wird bei bekannten Lösungen (Fig. 1) parallel zum Generatorausgang ein elektronischer Schalter, bestehend aus der spannungsbegrenzungsbestimmenden Zenerdiode --ZD6--, der Darlingtonstufe-T7, T8-- mit dem leistungsstarken, niederohmigen Belastungswiderstand --R29--, sowie den zusätzlich erforderlichen Widerständen - -R26, R27, R28-- vorgesehen. Der elektronische Schalter spricht bei einer bestimmten überhöhten Klemmenspannung an und schaltet an den Ausgang des Generators den Lastwiderstand --R29--, wodurch eine rasche Rückführung der überhöhten Generator-Ausgangsspannung auf die Nennklemmenspannung erwirkt wird.
Diese Massnahme ist nur geeignet und wirksam, wenn der Generator für eine fixe Klemmenspannung ausgelegt ist und z. B. das Begrenzen der Spannungsspitzen bei einer um 20% überhöhten Klemmenspannung einsetzen soll.
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bei einer gewählten und eingestellten Generator-Klemmenspannung von 12 V und angeschalteten empfindlichen 12 V-Verbrauchern, eine Beschädigung bzw. Zerstörung derselben nicht verhindern.
Zu 1. und 2. Zur Vermeidung der vorstehenden Nachteile zeichnet sich die vorgeschlagene Erfindung dadurch aus, dass parallel zur generatorausgangsbestimmenden 1. Stufe des Spannungsreglers eine weitere Stufe als"Tandemstufe"geschaltet ist, wobei die Brückenelemente dieser Stufe abweichend von den Brückenelementen der 1.
Stufe des Spannungsreglers so angeordnet und dimensioniert sind, dass beim Anstieg der Generatorspannung von 0 V bis zur Nennklemmenspannung und auch darüber bis zu einem durch die obgenannten Brückenelemente der Tandemstufe vorgeeichten Spannungswert ein Kollektorstrom über den Transistor und Längswiderstand zur Aussteuerung der Darlingtonschaltung nicht zustande kommt, wobei das externe Spannungseinstellglied und der zugehörige Parallelwiderstand gemeinsame Schaltelemente beider Brücken sind, und wobei durch das Spannungseinstellglied einerseits in der 1.
Stufe des Spannungsreglers die Nennspannung des Generators festgelegt ist, und anderseits durch dasselbe Spannungseinstellglied in der Tandemstufe die fiktive Generatorspannung exakt festgelegt ist, von der ab in weiterer Folge über eine Treiberstufe der oben genannte elektronische Schalter angesteuert ist, und dass eine der Generatorausgangsspannung proportionale Gleichspannung des Regelteiles über eine Spannungsstabilisierung und einen Längswiderstand als Ladespannung einem Kondensator zugeführt ist, zu dem eine Zenerdiode parallel geschaltet ist, die einen Thyristor ansteuert, der in Serie zur Magnetschutzschalterwicklung liegt, wodurch der Magnetschutzschalter-Kontakt der Abschaltestufe öffnet.
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Dadurch erfolgt erfindungsgemäss einerseits die rasche Rückführung der kurzzeitig überhöhten
Spannung laut Punkt 1. auf den Wert der Nennklemmenspannung oder anders ausgedrückt, die entstehende hohe Spannungsspitze wird in allen Spannungsbereichen des Generators durch die erfindungsgemässe"Tandemschaltung"jeweils z. B. 5 V über den Wert der Nennspannung des
Generators abgeschnitten.
Fig. 2 zeigt die Anschaltung der Tandemstufe auf dem Brückentransistor --T5-- an die
1. Stufe des U-Reglers mit dem Brückentransistors-Tl-.
Anderseits wird erfindungsgemäss bei dauernd anhaltender überhöhter Klemmenspannung laut Punkt 2. durch eine Einrichtung (Fig. 3), die der Einrichtung laut Punkt 1. (Fig. 1, 2) nachgeschaltet ist, die Anlage rechtzeitig abgeschaltet. Der durch einen eingeschalteten Feld-Vor- widerstand-R36- (Fig. 3) weit reduzierte Feldstrom lässt die ansonsten dauernd anhaltende weit überhöhte Generatorausgangsspannung hierauf gegen 0 V absinken, bevor noch Anlagenteile durch Überspannung oder Erwärmung beschädigt werden bzw. bevor überhaupt eine Zerstörung eingeleitet wird.
Fig. 3 zeigt die praktische Ausführung einer erfindungsgemässen Schaltung.
Die Schaltung ist so dimensioniert, dass im Normalbetrieb, also ohne dauernd überhöhter
Klemmenspannung ein Auslösestromfluss durch den Thyristor (Thy) nicht zustande kommt, auch bei kurzzeitigen Spannungsspitzen laut Punkt 1. erfolgt wegen der vorgesehenen gezielten Zeit- konstante durch den Längswiderstand --R31-- und Kondensator --C10-- in der Abschaltestufe keine Abschaltung. Der Widerstand --R32-- dient zur zwischenzeitlichen Entladung des Konden- sators --C10-- um bei kurz aufeinanderfolgenden Spannungsspitzen jeweils einen definierten Anfangszustand herzustellen.
Die Glieder --Cll, R35-- dienen zur Funkentstörung und Funkenlöschung beim Magnetschutz- schalter-Kontakt (--M2 ; 1-3).
Bei Gleichstromerzeugern können die Anschaltepunkte vorzugsweise an den Lastwiderstand --R29-- der Einrichtung laut Punkt 1. angeschaltet werden (Anschaltvariante 1).
An diesem Widerstand liegt im Normalbetrieb keine Spannung ; kurze Spannungsspitzen bringen nur über die Tandemstufe die Darlingtonstufe zum Ansprechen, während bei dauernd überhöhter Klemmenspannung, also im Fehlerfall, die volle überhöhte Ausgangsspannung am Lastwiderstand --R29-- anliegt, die dann entsprechend der vorgesehenen Zeitkonstante rechtzeitig die Anlage über die Abschaltestufe laut Punkt 2. abschaltet, so dass es zu keiner Zerstörung von Anlagenteilen kommt.
Wird im Fehlerfall neuerlich der Magnetschutzschalter-Kontakt händisch geschlossen, so erfolgt sofort wieder die elektrische Stillsetzung des Generators. Es muss erst der Fehler beseitigt werden, bevor wieder ein Normalbetrieb aufgenommen werden kann.
Der besonders technische Effekt der Erfindung liegt darin, dass erstens bei einer beliebig gewählten Ausgangsspannung des Generators die auftretenden Spannungsspitzen, eingeleitet durch eine elektrisch mitlaufende"Tandemstufe"vollautomatisch in einem vorgeeichten (gewählten) Spannungsabstand zur Generator-Klemmenspannung abgeschnitten werden bzw. zweitens bei dauernd anhaltender erhöhter Generator-Ausgangsspannung, also im Fehlerfall durch die nachgeschaltete (in Serie geschaltete) Abschalteeinrichtung eine rechtzeitige Abschaltung der Anlage erreicht wird. Durch diese erfindungsgemässe Massnahme werden Anlagen geschützt und unter Umständen wertvolle Einrichtungen vor Zerstörung bewahrt.
Fig. 4 zeigt eine praktische Ausführung einer Stromerzeugungsanlage mit der erfindungsgemä- ssen Schutzeinrichtung. Es wurde ein Drehstromgenerator mit Ständerwicklung in Dreieckschaltung verwendet, wobei der erzeugte Drehstrom durch eine 3-Phasen-Brückenschaltung gleichgerichtet wurde.
Bauteile mit gleichem Aufbau in den Zeichnungen sind analog bezeichnet.
Die in der Schaltung vorgesehene Drossel --Dr-- ist eine HF-Drossel und dient zusammen mit den Gliedern --Cl, C2-R6, C3-R9, C4 und C8, 9-- zur optimalen Funkentstörung.
Ausserdem sind entsprechende Glieder-R5/NTC1, R19/NTC2-- zur Temperatur-Stabilisierung vorgesehen.
Bei der praktischen Ausführung der erfindungsgemässen Anlage (Fig. 4) ist auch eine Kopplung
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an Glättungsmittel- bzw. Anlagengewicht erbringt.
Zusammenfassend kann über die vorliegende erfindungsgemäss ausgeführte Stromerzeugungsanlage unter anderem auf Grund von hunderten Teststunden eines Prototyps folgendes ausgesagt werden :
1. Schaltspitzen bei plötzlichen und grossen Laständerungen konnten an angeschalteten empfindlichen Verbrauchern keinen Schaden anrichten, da die Spannungsspitzen knapp über der Nennspannung, eingeleitet durch die"Tandemstufe"abgeschnitten wurden.
2. Die Abschaltung durch die Abschaltestufe bei dauernd überhöhter Klemmenspannung a) bei Kurzschluss der Regelstrecke durch angesetzten Kohlenstaub b) beim Fehlerfall im U-Regler (Spannungsregler) c) bei manuell herbeigeführten Leitungsschluss im Regelkreis funktionierte einwandfrei und verursachte niemals Schäden in der Anlage bzw. Folgeschäden.