Maximal- oder Minimalrelais für Wechselstrom Die Erfindung betrifft ein Maximal- oder Mini malrelais, also beispielsweise ein L7berstrom- oder Unterspannun:gsrelais, welches mit elektronischen Mitteln oder Halbleitern eine ausserordentlich kurze Ansprech- und( Abfallzeit ergibt.
Es sind überstrom-Schutzeinrichtungen bereits bekanntgeworden, welche mit elektronischen Mitteln arbeiten. Man hat die über Stromwandler gewonnene Wechselstromgrösse gleichgerichtet, beispielsweise in einer Brückenschaltung, und diesen Strom über einen Widerstand geleitet. Die über diesem Widerstand lie gende Spannung wird zur Steuerung einer Röhre ver wendet, indem sie entweder als Anodenspannung oder als Gitterspannung zugeführt wird.
Der so von einem bestimmten Wert an entstehende Anodenstrom führt, da besondere Siebmittel fehlen, zu einem nichtkonti- nuierlichen Strom am Ausgang der Röhre. Die An sprechzeit einer solchen Einrichtung ist dagegen sehr kurz.
Schaltet man bei einer solchen Anordnung aber ein Filter dazu, so wird zwar die Welligkeit beseitigt, es entsteht aber infolge seiner Zeitkonstante eine Zeitverzögerung, welche den Vorteil der trägheits- losen Steuerung der Röhre zunichte macht. Da der zugeführte Strom in jeder Periode zwei gleichgerich tete Halbwellen besitzt, muss das Filter für 100 Hz ausgelegt sein. Dadurch benötigt es grosse Induktivi- täten und bedingt hohe Zeitkonstanten. Der Aus gangsstrom ist hierbei ein.
Gleichstrom, welcher sich aber nicht sofort beim Ansprechen der Schutzeinrich tung auf seinen endgültigen Wert einstellt. Der Nach teil dieser Anordnung ist also, dass wegen der niedri gen, dem Gleichstrom überlagerten Frequenz ein Fil- ter mit .hoher Zeitkonstante verwendet werden muss oder dass bei Weglassen des Filters das entstehende Ausgangssignal selbst keinen kontinuierlichen Gleich strom darstellt. Diese Einrichtung hat ferner den Nachteil, dass die Ansprechzeit für das am Ausgang entstehende Signal von der Höhe der Messgrösse ab hängt.
Liegt die Messgrösse nur wenig über dem An sprechwert, so ist die Ansprechzeit höher als bei grö sseren Werten des Stromes. Die Verwendung von Fil tern mit der dadurch bedingten grösseren Ansprech und Abfallzeit macht sich besonders bei Unterspan nungsrelais unangenehm bemerkbar. Es müssen dann die zum Filter gehörenden Kondensatoren sich erst entladen, bevor die Röhre sperrt, so dass beim An sprechen der Spannungsrelais die Ansprechzeit grö sser ist als bei einem überstromrelais mit gleicher An ordnung.
Es wird nun zur Vermeidung dieser Nachteile vorgeschlagen, das Relais erfindungsgemäss aus der Kombination folgender Glieder bestehen zu lassen: einem Amplitudenbegrenzer, einem Phasenumwand ler zur Umwandlung der einphasigen Messgrösse in eine mehrphasige Form, einem Gleichnchterglied und einem Amplitudenkondensator, welcher beim Ansprechen des Relaiseine Gleichspannung erzeugt.
Die Einrichtung wird anhand des in der Fig. 1 dargestellten Beispiels näher erläutert. Aus dem Wandler 1 wird der Wechselstrom oder die Wechsel spannung einphasig gewonnen.
Sie wird über die Widerstände 2 den Strombegrenzern 3 zugeführt. Hierzu kann man entweder Elektronenröhren ver wenden, welche von einer bestimmten Höhe des Stromes an in den Sättigungsbereich gelangen, oder man kann veränderliche Widerstände, wie Glimmlam- pen oder Halblüfter (sogenannte Zenerdioden), par allel schalten,
welche von einer bestimmten Höhe der Messgrösse an einen Parallelweg öffnen. Der Strombegrenzer ist so ausgelegt, dass an seinem Aus gang eine bestimmte Höhe der Spannung bzw. des Stromes, nicht überschritten wird.
Solange der Strom begrenzer nicht in Tätigkeit tritt, liegt am Ausgang eine sinusförmige Wechselspannung, andernfalls hat diese Spannung eine Trapezform. Der Wert, bei dem der Amplitudenbegrenzer ansprechen soll, braucht nicht höher als 25 % über dem Ansprechwert der Schutzeinrichtung zu liegen.
Der Phasenwandler 4 erzeugt aus der zugeführten einphasigen Messgrösse eine dreiphasige. Hierdurch wird die Welligkeit bei der nachfolgenden Gleichrich tung ohne Verwendung eines Filters stark herab gesetzt. Der Phasenwandler ist so ausgelegt, d'ass die drei entstehenden Wellen gleiche Amplituden besit zen. Er besteht aus den Widerständen 5, 6, 7 und dem Kondensator B. Die Schaltung ist ähnlich wie bei einem Phasen:drehglied, an dessen Ausgang eine ge genüber dem Eingang phasenverschobene Spannung abgenommen werden kann.
Die Abnahme erfolgt bei dem Phasenumwandler an drei Stellen, derart, dass die gegenseitige Phasenverschiebung der drei ent stehenden Wellen 120 beträgt. Diese wird durch ge eignete Auslegung der Widerstände 5, 6, 7 und des Kondensators 8, in Zusammenhang mit dem Wider stand 9 der Gleichrichtergruppe 10 erreicht. In Ver bindung mit dem Strombegrenzer 3 kann der Kon densator sich unabhängig von der zugeführten Höhe des Stromes oder der Spannung mit gleicher Dauer entladen. Man kann hierbei die Kapazität klein hal ten, so dass eine rasche Entladung nach dem Anspre chen möglich ist.
Dies wirkt sich besonders bei Un- terspannungsrelais vorteilhaft aus, welche beim Ab sänken der Spannung ansprechen, wobei der Konden sator entladen wird. Man erhält also mit Hilfe dieses Phasenwandlers ein Dreiphasensystem, das nun durch die Gleichrichter 10 gleichgerichtet wird. Hierdurch entsteht am Ausgangswiderstand. 9 eine Gleichspan nung mit einer Welligkeit, deren Grundwelle die 6- fache Frequenz von der Netzfrequenz besitzt.
Diese Welligkeit wird nun nicht weggefiltert, um keine zu- sätzliche Zeitverzögerung zu erhalten, obwohl die hierfür notwendigen Filter eine wesentlich geringere Zeitkonstante besitzen würden als ein Filter für 100 Hz. Die Welligkeit wird nun dazu ausgenutzt, um den Amplitudenkomparator, welcher aus den bei den Elektronenröhren 11 und 12 besteht, zu betäti gen.
Dieser erzeugt am Ausgang eine Gleich spannung, wenn die zugeführte Gleichspannung einen bestimmten Ansprechwert überschreitet, und z-.var ist hierfür der Scheitelwert der welligen Gleich spannung massgebend. Erreicht dieser eine bestimmte Höhe, so zündet die Röhre 11 des Amplitudenkom- parators, und es entsteht am Ausgang eine Gleich spannung. Die Löschspannung des Amplitudenkom- parators ist nun so gewählt, dass sie dem Minimalwert der welligen Gleichspannung entspricht.
Dies ist in Fig. 2 ,dargestellt. Mit 18 ist die A:nsprechspannung des Amplitudenkomparatars, mit 19 sein Sperrwert als gerade Linien dargestellt. Zwischen diesen beiden Linien liebt die Welligkeit der zugeführten Gleich- Spannung 20, wenn der Ansprechwert gerade erreicht ist. Der Maximalwert berührt also hierbei die obere Linie 18, der Minimalwert die untere Linie 19.
Steigt die Gleichspannung an, so spricht der Ampli- tudenkomparator an, sinkt sie wieder auf den alten Wert zurück, so wird die Sperrspannung erreicht und der Amplitudenkomparator sperrt. Hierdurch wird er reicht, d@ass sofort beim Ansprechen immer eindeutig eine kontinuierliche Spannung am Ausgang entsteht, und dass das Verhältnis von Ansprech- und Sperr spannung, also das Halteverhältnis, praktisch 1 ist. Es wird also ein gutes Halteverhältnis verbunden mit einem unbedingt sicheren Arbeiten gewährleistet.
Der Amplitudenkomparator besteht aus den bei den Röhren 11 und 12, welche auch zusammen als Doppelröhre ausgebildet sein können. Fliesst in der Röhre 11 kein Anodenstrom, so führt auch der Wi derstand 14 keinen Strom. Am Punkte 15 ist daher eine hohe positive Spannung E_,- vorhanden. Daher liegt auch am Gitter der Röhre 12 eine positive Span nung, so d!ass in ihr Anodenstrom fliesst. Dann aber isst am Punkt 16 nur eine geringe Spannung vorhan den, da die zugeführte Gleichspannung am Wider stand 17 zusammenbricht. Fliesst aber Strom in der Röhre 11, so bricht die.
Spannung am Punkt 15 zu- sammen. Das Gitter der Röhre 12 erhält dann eine negative Vorspannung, so dass die Röhre sperrt. Da mit steigt die Spannung am Punkt 16 an, so dass eine hohe Ausgangsspannung entsteht. Die Röhre 11 spricht nun an, wenn der Scheitelwert der zugeführ ten welligen Gleichspannung einen vorgeschriebenen Wert überschreitet, und sperrt, wenn der Minimal wert den zugehörigen Wert überschreitet.
Die am Ausgang entstehende Spannung kann zur Betätigung eines Auslösers unmittelbar oder über Stromtore, zur Signalisierung und zur Einschaltung eines Impedanz- messgliedes beim Impedanzschu-tz verwendet werden.
Fig. 3 zeigt die an den: einzelnen Stellen der An ordnung entstehenden Spannungen. Es werden zwei Fälle betrachtet, einmal wenn eine Spannung zu geführt wird, welche gerade den Ansprech.wert über schritten hat und (gestrichelt) eine Spannung, welche diesen Wert erheblich überschreitet. In Fig. 3a er kennt man die zugeführten Spannungen.
Sie sind beide sinusförmig. In Fig. 3b bleibt die eine Span nung, nämlich die kleinere, sinusförmig, da sie noch nicht in den Wirkungsbereich des Amplitudenbegren- zers gelangt, während die höhere Spannung bereits trapezförmig wird. In der Fig. 3c ist die Wirkung dies Phasenumwandlers dargestellt, aus der einphasigen Eingangsspannung ist eine dreiphasige entstanden. In Fig. 3d sind diese Spannungen gleichgerichtet.
Man erkennt die entstandene Welligkeit bei der kleineren Spannung. Bei der grossen Eingangsamplitude ent steht eine kontinuierliche Gleichspannung. In Fig. 3e isst die Ausgangsspannung des Amplitudenkompara- tors dargestellt; sie ist unabhängig von der Amplitude der Eingangsspannung.
Fig. 4 zeigt ein anderes Beispiel mit Verwendung von Transistoren. Die Schaltung bis zum Amplltu- denkomparator ist dabei praktisch gleich, nur dass auch der Amplitudenbegrenzer in bekannter Weise mit Halbleitern (Zenerdioden) geschaltet werden kann. Gezeigt ist der Amplitudenkomparator. Die Transistoren 21 und 22 ersetzen die Röhren 11 und 12 der Fig. 1.
Die Wirkungsweise ist ähnlich, nur mass die Gleichrichtung entgegengesetzt erfolgen, damit eine negative Eingangsspannung zugeführt werden kann. Auch das Ausgangssignal ist dann negativ. Der Transistor 21 wird durch die negative wellige Gleich spannung ausgelöst und führt dann Strom. Dadurch fliesst auch durch den Widerstand 23 Strom zurück. Die Spannung am Punkt 24 wird positiver, so dass der Transistor 22 sperrt und am Ausgang 25 durch den Wegfall des Stromes im Widerstand 26 eine ne gative Ausgangsspannung entsteht.
Der Vorteil der Anordnung gegenüber dem Stand der Technik ist, dass beim Überschreiten des An sprechwertes und beim Unterschreiten ein praktisch unverzögertes Arbeiten der Anordnung möglich ist. Das Halteverhältnis ist ausserordentlich günstig. Die Welligkeit, welche sonst meist als nachteilig angese hen wird, wird hierbei dazu ausgenutzt, um das gute Halteverhältnis zu erreichen.
Eine überlastbarkeit ist wegen der Strombegrenzung nicht möglich, infolge- dessen ist auch das Ansprechen und Abfallen völlig unabhängig von der Höhe des zugeführten Messwer- tes, und besonders auch bei Unterspannungsrelais ein sehr rasches Arbeiten gewährleistet.