Einrichtung zur Erfassung von Grenztemperaturen in elektrischen Maschinen oder Geräten
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung von Grenztemperaturen in elektrischen Maschinen oder Geräten unter Verwendung temperaturabhängiger Widerstandselemente als Fühler in einer Brückenschaltung und eines auf die Spannungs änderung der Brücke ansprechenden, schaltenden Steuerelementes.
Zur Erfassung von Grenztemperaturen, z. B. in Wicklungen elektrischer Motoren, ist es bekannt, Elemente aus Halbleitermaterial, sogenannte Heissoder Kaltleiter, als Fühlerelemente einzusetzen, die ihren Widerstandswert in Abhängigkeit der sich ändernden Temperatur ändern. Durch eine geeignete Brückenschaltung werden diese Widerstandsänderungen erfasst. Über einen Haltemagneten oder andere der Brücke zugeordnete, schaltende Elemente, z. B.
Transistoren, können dann in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Grenztemperatur Warn- oder Auslöseeinrichtungen betätigt werden. Da die schaltenden Elemente getrennt von den Fühlerelementen angeordnet werden müssen, muss Vorsorge getroffen werden, dass Störungen auf den Verbindungsleitungen zwischen der Messbrücke, den Fühlerelementen und an den Fühlern selbst mit erfasst werden. Bei Heissleiterfühlern wirkt ein Leitungsbruch genauso wie ein sehr hochohmiger, d. h. kalter Fühler und bei einer auf Auslösung durch Temperaturüberschreitung ausgelegten Brücke kann keine Auslösung mehr zustande kommen. Umgekehrt wirkt bei Kaltlefterfühlern ein Leitungskurzschluss wie eine niedrige Fühlertemperatur und verhindert eine etwa notwendig werdende Auslösung.
Da die häufigste Fehlerquelle in einem Leitungsbruch also in einer Unterbrechung der Leitungen gesehen werden muss, hat man auch bei Verwendung von Heissleiterelementen durch eine Kunstschaltung das bei diesen Elementen an sich nicht geeignete Ruhestromprinzip eingesetzt. Dieses Ruhestromprinzip sichert zwar bei einem Leitungsbruch im Relaisstromkreis ein einwandfreies Auslösen, kann jedoch bei einem Leitungsbruch zu einem Fühler keine Abhilfe bringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Einrichtungen derart zu verbessern, dass sowohl der Leitungskurzschluss, als auch der Leitungsbruch unabhängig von der Art der verwendeten Fühlerelemente mit erfasst wird, dass also in beiden Störungsfällen eine vorsorgliche Auslösung ebenso wie bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur erfolgt.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss bei einer Einrichtung der beschriebenen Art dadurch gelöst, dass zur Erfassung sowohl einer Unterbrechung im Fühlerkreis als auch eines Kurzschlusses der Fühlerelemente den Fühlerelementen ein zusätzlicher Widerstand solcher Grösse zugeordnet ist, dass nur bei zulässiger Temperatur und fehlerfreiem Zustand der Einrichtung an der Brücke eine solche Spannungs- oder Stromverteilung herrscht, die das ruhestrombetriebene Steuerelement erregt lässt. Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist bei Verwendung von heissleitenden Widerstandselementen als Fühler der zusätzliche Widerstand den Fühlerelementen parallel und bei Verwendung von kaltleitenden Widerstandselementen in Reihe zu den Fühlerelementen geschaltet.
Zur Sicherstellung des Ruhestromverhaltens bei Überschreitung der Auslösegrenze im Haltekreis der Brücke liegt gemäss einer Erweiterung der Erfindung in Reihe zum Steuerelement eine Diode mit gleicher Polarität wie die des Volkveggleichrichters bezüglich der Speisespannung.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Zusatzwiderstand räumlich unmittelbar mit dem Fühlerelement verbunden ist. Dies kann bei einem Kaltleiter dadurch geschehen, dass die Zuleitungen oder die Elektroden aus Widerstandsmaterial gefertigt werden.
Bei Heissleiterelementen kann eine Widerstandsparallelschaltung ebenso durch Anbringen eines leitenden Überzuges, z. B. eines Lacküberzuges oder eines aufgedampften Widerstandsmaterialüberzuges erfolgen, wie durch das Einbetten von leitenden Materialien in den Heissleiterkörper selbst, oder durch Herstellung einer Widerstandsbrücke zwischen den Elektroden, z. B. durch Einsetzen eines Stückes hinreichend temperaturunabhängigen Widerstandsmaterials, z. B. Kohle, in eine Bohrung oder eine Kerbe des Heissleiters.
An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und ihre Wirkungsweise erläutert.
In Fig. 1 ist eine erweiterte Brückenschaltung unter Verwendung eines heissleitenden Fühlerelementes mit Parallelwiderstand dargestellt.
Die in Fig. 2 dargestellte Kurve zeigt den Verlauf des Stromes im Auslösezweig bei einer Schaltung gemäss Fig. 1 in Abhängigkeit vom Widerstand des Fühlerkreises, wobei der Widerstandsachse ein logarithmischer Masstab zugrunde gelegt ist und der Strom lediglich qualitativ betrachtet ist, d. h. keine Ampere-Werte angeschrieben sind.
In Fig. 3 ist des besseren Verständnisses wegen das Diagramm aus Fig. 2 in ein Temperatur-Widerstandsdiagramm umgezeichnet, wobei die Widerstands-Achse wieder einen logarithmischen Masstab hat; der Temperaturachse ist ein linearer Masstab zugrunde gelegt. Zusätzlich zu der Kurve 17 des resultierenden Widerstandes ist die Kennlinie 18 des Heissleiters 3 und die Kennlinie 19 des Widerstandes 4 eingezeichnet. Dabei können diese Kennlinien 18 und 19 in erster Näherung und mit für praktische Fälle ausreichender Genauigkeit durch Geraden dargestellt werden. Ebenso laufen für kleine Temperaturen die Kennlinien 17 und 19 praktisch zusammen. Mit 20 und 21 sind Grenzkennlinien bezeichnet. Wenn der Widerstand des Fühlerkreises oberhalb der Grenzkennlinie 20 bzw. unterhalb der Grenzkennlinie 21 zu liegen kommt, erfolgt Auslösung durch das Steuerelement.
Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine allgemeine Brücken schaltung mit Messeinrichtung M, wobei im Fühlerkreis zu einem heissleitenden Widerstandselement 3 ein Kaltleiter 22 parallel geschaltet ist.
Das in Fig. 5 dargestellte Temperatur-Widerstands-Diagramm zeigt die Kennlinie 18 des Heissleiters 3, die Kennlinie 23 des Kaltleiters 22 sowie die Kennlinie 24 des resultierenden Widerstandes bei einem Fühlerkreis gemäss Fig. 4 in einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellungsweise. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Einrichtung gemäss Fig. 1 besteht aus einer erweiterten Brückenschaltung, die an den Klemmen 1 und d 2 eingespeist wird. Die heissieitenden Fühler- elemente 3 und die hierzu parallel geschalteten Widerstände 4 sind über angedeutete Leitungen 5 mit den Brückendiagonalpunkten b und c verbunden.
In den Verbindungspunkt der Brückendiagonale ist ein Vollweggleichrichter 6 mit seinen Wechselstromeingängen eingeschaltet. Dieser verhindert einen unmittelbaren Stromfluss zwischen den Brückendiagonalpunkten a und b. Die Widerstände 13, 14, 15 und die Parallelschaltung aus einem heissleitenden Fühlerelement 3 sowie einem hierzu parallel geschalteten Widerstand 4 bilden in der genannten Reihenfolge paarweise zwei Spannungsteiler. Parallel dazu liegt der Stromkreis des schaltenden Elementes, gebildet aus einem Vorwiderstand 7, der Wicklung des Relais 11 und einer Diode 12 in Reihe mit einem weiteren Vorwiderstand 10. Anstelle der Relaiswicklung kann auch ein kontaktloses Element mit seinen Steuerelektroden treten. Das Relais 11 mit Diode 12 ist über zwei Widerstände 8, 9 zusätzlich an die Gleichstromausgänge des Gleichrichters 6 gekoppelt.
Eine etwa auftretende Diagonalspannung zwischen a und b wird also über die Kopplungswiderstände 8, 9 an den Relaisstrompfad gelegt und zwar so, dass sie sich der Spannung des Haltestromes entgegengesetzt überlagert, d. h. den Haltestrom gegebenenfalls bis auf den Wert Null schwächt. Eine sonst mögliche Stromumkehr wird durch die Diode 12 verhindert.
Durch die beschriebene Anordnung wird bei jeder Abweichung vom abgestimmten Zustand der Brükkenschaltung, ua;abhnig; von der Richtung der Verstimmung, stets eine Schwächung des Relaisstromes eintreten.
Die Wirkungsweise ist folgende: Es sei angenommen, dass die Brücke bei einem Widerstand des Fühlers 3 einschliesslich dem Parallelwiderstand 4 von rund 3 kQ abgestimmt sei, d. h. an den Knotenpunkten a und b gleiches Potential besitzt und dass im Querpfad kein Strom fliesst. Wenn die zu überwachende Maschine und damit das Fühlerelement warm werden, sinkt der Widerstand des Fühlerelementes 3. Der gemeinsame Widerstand der Paral lelsch altung Führerelem ent/Nebenschlu sswiderstand sinkt ebenfalls. Das Potential des Knotenpunktes b nähert sich dann der positiven Einspeisung, so dass nunmehr ein starkes Potentialgefälle von b nach a vorhanden ist.
Da das Potential l von b über den Widerstand 9 an der Diode 12 und das Potential von a über den Widerstand 8 am Relais 11 anliegt, wird der Strom J11 über das Relais 11 so geschwächt, dass es abfällt. Man kann es auch so betrachten, dass bei hohem Potential im Punkt b ein Stromfluss von dort über den Gleichrichter 6, den Widerstand 9 und den Widerstand 10 einsetzt, was eine solche durch Spannungsabfall an 10 bedingte Potentialer höhung am Gleichrichter 12 zur Folge hat, dass der Strom J11 im Relais 11 unter den Haltewert geschwächt wird.
Bei sehr steilem Temperaturanstieg in der Wicklung des zu schützenden Motors könnte das Fühlerelement wegen seiner Wärmeträgheit noch nachträglich weiter aufgeheizt werden und dadurch der Relaisstrom sich umkehren, so dass eine unzulässige Wiedereinschaltung des Relais 11 möglich ist. Diese Stromrichtung im Stromkreis von b über den Gleichrichter 6, den Widerstand 9, das Relais 11, den Widerstand 8, Gleichrichter 6 zu Punkt a ist durch die Diode 12 gesperrt.
Werden die Zuleitungen zum Fühlerelement z. B. durch Kurzschluss überbrückt, so würde sich ebenfalls der Relaisstrom umkehren, wenn die Diode dies nicht verhindern würde. Der Relaisstrom wird also in diesem Falle gleich Null und es erfolgt vorsorgliche Auslösung.
Wenn jedoch die Verbindungsleitungen zum Fühlerelement oder dieses selbst unterbrochen werden, so sinkt das Potential des Punktes b unter das des Punktes a und nähert sich dem der negativen Einspeisung. Durch die Wirkung des Gleichrichters 6 entsteht jedoch in der Relaiswicklung 11 praktisch der gleiche Vorgang wie für die Fälle der Fühlererwärmung oder des Leitungskurzschlusses bereits beschrieben. Das starke Potentialgefälle von Punkt c nach Punkt b hat auch einen Stromfluss von c über die Widerstände 7 und 8 zur Folge. Hierdurch sinkt die Spannung hinter dem Widerstand 7 ab und unterstützt die Wirkung der durch den Gleichrichter 6 abgelenkten Diagonalspannung, bis der Strom über die Wicklung des Relais 11 den Haltewert unterschreitet.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass mit der Einrichtung nach der Erfindung in jedem Falle sichergestellt ist, dass der Auslöser dann anspricht, wenn die Maschine oder das Gerät gefährdende Betriebsbedingungen vorliegen, d. h. wenn entweder Obertemperaturen auftreten oder aber auch wenn Störungen in der Überwachungseinrichtung selbst durch Leitungsbruch, Kurzschluss oder durch gestörte Fühlerelemente auftreten.
Die in Fig. 2 dargestellte Kurve 16 zeigt den Verlauf des Stromes in Abhängigkeit vom Widerstande des Fühlerkreises. Es sei angenommen, dass parallel zum Fühlerelement 3 ein Widerstand 4 geschaltet ist, der zusammen mit dem kalten Fühlerelement 3 einen Gesamtwiderstand von 5 kQ ergibt.
Dieser Betrag von 5 kQ ergibt entsprechend der Fig. 2 einen Strom J,,, der ausreicht, das Relais 11 in der Einschaltstellung zu halten. Erhält der Fühlerkreis z. B. durch Unterbrechung der Leitungen 5 einen unendlich hohen Widerstand, so sinkt der Strom entsprechend der gestrichelten Kurve in Abhängigkeit des Widerstandes im Fühlerkreis, der auch durch unzulässige Übergangswiderstände gegeben sein kann, unter den Haltewert JH ab, so dass das Relais 11 abfällt. Mit steigender Temperatur am Fühler 3 nimmt dagegen der Widerstand des Fühlers und damit der Gesamtwiderstand des Messkreises ab, wodurch sich ein zunächst steigender und anschliessend daran wieder fallender Strom über das Relais 11 ergibt.
Unterschreitet der Messfühlerkreis einen vorgegebenen Widerstandswert, z. B. 10 Ohm, so steigt das Potential am Punkt b soweit an, dass sich eine Potentialerhöhung zwischen der Diode 12 und dem Widerstand 10 ergibt, was zu einer Verminderung des Stromes über das Relais 11 unter den Haltewert führt.
Entsprechende Verhältnisse ergeben sich bei Verwendung von Kaltleiterelementen als Fühler mit einem in Serie geschalteten Widerstand.
Selbstverständlich kann die beschriebene Massnahme auch bei Einrichtungen verwendet werden, die mit einer Mehrzahl parallel geschalteter Fühlerelemente arbeiten.
Durch die Parallelschaltung von Festwiderständen zu den Messfühlern gemäss dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird erreicht, dass ein Drahtbruch ebenso wie eine Überschreitung einer vorgegebenen Temperatur am Fühler ein Signal auslöst. Durch die Parallelschaltung dieser Widerstände zu den Fühlern, nämlich den Heissleiterfühlern, ergibt sich eine verhältnismässig starke Verflachung der Widerstands-Temperaturkennlinie der Fühler, wie der Vergleich der Kennlinie 17 mit der Kennlinie 18 aus Fig. 3 zeigt, so dass die Potentialänderung im Brückendiagonalzweig bzw. an den entsprechenden Spannungsteilern relativ klein ist und die erfassenden Elemente, z.
B. ein Haltemagnet oder auch ein kon taktloses Element, wie ein Transistor mit nachge sdhafteten Verstärkerstufen, relativ empfindlich gemacht werden müssen.
Eine Verflachung der Widerstands-Temperaturkennlinien ist bei der in Fig. 4 dargestellten Schalteinrichtung vermieden, wobei trotzdem die mit der Parallelschaltung eines Widerstandes zum Fühler verbundenen Vorteile erhalten bleiben. Dies wird dadurch erreicht, dass als Parallelwiderstand ein Kaltleiter an der Erfassungsstelle eingebaut ist.
Diese Schalteinrichtung ist vereinfacht dargestellt und besteht aus einer an den Klemmen 1, 2 eingespeisten Brückenschaltung mit den Festwiderständen R1, R5 und R4 sowie den den Messkreis bildenden Heissleiter 3 samt dem an der Messtelle parallelgeschalteten Kaltleiter 22. In die Diagonale der Messbrücke ist eine Messeinrichtung M eingeschaltet, die, wie in Fig. 1, aus einer Kunstschaltung in Verbindung mit einem Haltemagneten bestehen kann, die aber auch in Form eines Transistorverstärkers und dergleichen aufgebaut sein kann. Auf die Einzelheiten dieser Messeinrichtung M soll hier nicht näher eingegangen werden, es ist lediglich wesentlich, dass diese in der Lage ist, einerseits ein maximales und andererseits ein minimales Potential zwischen den Punkten a und b zu einer Signalgabe zu erfassen.
Die Fig. 5 zeigt, wie gesagt, ein Temperatur Widerstandsdiagramm, in das die Kennlinie 18 des Heissleiters 3, die Kennlinie 23 des Kaltleiters 22 und die resultierende Kennlinie 24 aus den beiden Widerständen 3 und 22 in Abhängigkeit von der Temperatur eingezeichnet sind. Nur in dem Bereich zwischen den gestrichelten Feldern liegt zwischen den Punkten a und b ein Potential an, das kein Signal liefert. Steigt die Temperatur oder tritt im Messkreis ein Kurzschluss auf, so sinkt der gesamte Widerstandswert unter die Grenzkennlinie 21, womit ein die Übertemperatur anzeigendes Signal ausgelöst wird. Erfolgt ein Drahtbruch im Messkreis, oder eine sonstige Unterbrechung des Messkreises, dann liegt der Widerstandswert oberhalb der Grenzkennlinie 20, wodurch wiederum ein entsprechendes oder das gleiche Signal ausgelöst wird.
Besonders vorteilhaft ist es, auch hier die parallelgeschalteten Widerstände, d. h. den Kaltleiter 22 mit dem Heissleiter 3 zu einer Baueinheit zusammenzufassen. Die Kaltleiter haben in der bekannten Ausführungsform einen ausgesprochenen Ansprechknick in der Widerstands-Temperaturkennlinie, wie die Kennlinie 23 in Fig. 5 zeigt. Besonders vorteilhaft ist es, diesen Ansprechknick bei der Parallelschaltung der Kaltleiter in der beschriebenen Form etwas unterhalb der niedrigsten Ansprechtemperatur für die Temperaturerfassungseinrichtung zu legen. Ferner ist es vorteilhaft, den Widerstandswert des Kaltleiters unterhalb des Ansprechknickes grösser zu wählen als den grössten, ein Signal auslösenden Widerstandswert.
Um dem Kaltleiter einen ausreichend hohen Widerstand zu geben ist es unter Umständen vorteilhaft, in Serie zum Kaltleiter 22 und damit parallel zum Heissleiter 3 einen nicht temperaturabhängigen Festwiderstand zu schalten.