DE1063696B

DE1063696B - Schutzschaltung gegen UEberstrom fuer Wechselstromkreise

Info

Publication number: DE1063696B
Application number: DES56337A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Patzelt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-12-20
Filing date: 1957-12-20
Publication date: 1959-08-20

Description

Bei den bisher bekannten Schutzschaltungen gegen Überstrom für Wechselstromkreise wird die Auslöseeinrichtung für den Unterbrecher im allgemeinen magnetisch oder thermisch durch den Strom des zu schützenden Stromkreises gesteuert. Überstromauslöser dieser Art sprechen im wesentlichen auf den Effektivwert eines nicht näher definierten Stromabschnittes an. Es gibt auch Überstrom-Schutzschaltungen, die mittels elektronischer Schalteinrichtungen auf den Momentanwert des Stromes ansprechen. Bei Schaltungen dieser Art ist es bekannt, mit dem zu schützenden Stromkreis in Serie oder zu diesem Kreis im Nebenschluß die Primärwicklung eines Transformators zu legen, an dessen Sekundärwicklung ein Kondensator angeschlossen ist. Die an der Sekundärwicklung bzw. am Kondensator auftretende Spannung dient zur Auslösung der elektronischen Schakeinrichtung; sie ist stets eine Funktion des Momentanwertes des Primärstromes.

Es ist ferner bekannt, bei einem primär durch zwei im Gegentakt arbeitende Entladungsgefäße gespeisten Transformator, wie er z. B. zu Schweißzwecken verwendet wird, eine Schutzvorrichtung zu verwenden, die den Transformator bei Gleichstrombetrieb abschaltet. Bei dieser Schutzvorrichtung liegt an den Primärklemmen des Transformators die Parallelschaltung eines Relais und eines Kondensators. Das Relais spricht hierbei nur dann an, wenn die Spannung an der Primärwicklung des Transformators unsymmetrisch ist; Überströme führen nicht zur Auslösung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung gegen Überstrom für Wechselstromkreise und besteht darin, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, durch die in jeder Halbwelle das zeitliche Integral des Stromes von seinem Nulldurchgang an gemessen wird und die ein Kommando zur Auslösung eines den Strom unterbrechenden Schalters gibt, sobald das zeitliche Stromintegral im Verlauf einer Halbwelle einen vorgegebenen Wert überschreitet. Die Schutzschaltung nach der Erfindung bewirkt eine schnelle Auslösung, da sie spätestens am Ende einer Überstromhalbwelle ein Auslösekommando gibt. Die Messung eines zeitlichen Stromintegrals im Sinne der Erfindung gestattet es, den Ansprechwert der Schutzschaltung ebenso genau einzustellen wie bei den bekannten, auf den Momentanwert des Stromes ansprechenden Schaltungen; die Schutzschaltung nach der Erfindung hat jedoch diesen gegenüber den Vorteil, daß sie bei sehr steilen, aber kurzzeitigen Stromspitzen, die z. B. beim Einschalten eines Kondensators auftreten und an sich den Stromkreis nicht gefährden, nicht anspricht. Die Schutzschaltung kann nach der weiteren Erfindung etwa derart ausgeführt sein, daß Schutzschaltung gegen überstrom
für Wechselstromkreise

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

:

Rudolf Patzelt, Berlin-Siemensstadt,
ist als Erfinder genannt worden

das zeitliche Stromintegral über eine vollständige Halbwelle gemessen wird. Man kann sie aber auch so ausbilden, daß das zeitliche Stromintegral zwischen dem ersten Nulldurchgang und dem Scheitelzeitpunkt einer Halbwelle gemessen wird; es ist in diesem Falle leichter möglich, bereits im nächsten Nulldurchgang des Stromes den zugeordneten Schalter zu öffnen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann zur Messung des Stromzeitintegrals an eine dem Strom proportionale Spannung über einen Widerstand ein Kondensator angeschlossen sein, dessen Spannung als Kriterium für die Abgabe des Auslösekommandos dient, wobei die Zeitkonstante des aus Widerstand und Kondensator bestehenden Kreises groß ist gegen die Periode des zu unterbrechenden Stromes und wobei der Kondensator vom Ende des Integrationsabschnittes bis zum Beginn der nächsten Halbwelle gleicher Richtung durch eine steuerbare elektronische Schalteinrichtung kurzgeschlossen ist. Falls der Integrationsabschnitt eine volle PIalbwelle ist, kann die elektronische Schalteinrichtung durch die am Aufladewiderstand bestehende Spannung gesteuert sein, und zwar in dem Sinne, daß die Schalteinrichtung während der betreffenden Halbwelle gesperrt ist und etwa am Ende der Halbwelle leitfähig wird. Soll der Überstromai.iilöser dagegen das zeitliche Stromintegral des ansteigenden Teils der Halbwelle messen, so kann eine weitere S teuer spannung vorgesehen sein, die der ersten zeitlichen Ableitung des Stromes proportional ist und die Schalteinrichtung leitfähig macht, sobald der Strom seinen Scheitelwert erreicht. Als elektronische Schalteinrichtung wird vorzugsweise ein Transistor verwendet.

909 608/334

Zur Weiterleitung des Integrationsergebnisses ist mit Vorteil ein Kippkreis vorgesehen, der seinen Zustand ändert und dadurch ein Auslösekommando erzeugt, wenn die Spannung des Kondensators einen vorgegebenen Wert übersehreitet. Für den Aufbau des Kippkreises können zwei miteinander gekoppelte Transistoren verwendet werden. Das Emitterpotential der Transistoren des Kippkreises kann von einem verstellbaren Spannungsteiler abgenommen sein. Die Einstellung des Spannungsteilers bestimmt dann den Ansprechwert des Überstromauslösers.

Fig. 1 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung;

Fig. 2 und 4 erläutern den Auslösevorgang in Zeitdiagrammen.

In Fig. 1 ist 1 der Leiter, der den zu unterbrechenden Strom i führt. Im Zuge des Leiters 1 liegt ein ohmscher Widerstand 2 mit Mittelabgriff, dessen Teilabschnitte über Widerstände 7 bzw. T mit zwei Kondensatoren 3 und 4 verbunden sind. Parallel zu den Kondensatoren liegt die Emitter-Kollektor-Strecke je eines Transistors 5 bzw. 6. Die Basis jedes Transistors ist jeweils über einen Widerstand 8 bzw. 8' an die zugeordneten Enden des Widerstandes 2, der Kollektor an den Mittelabgriff des Widerstandes angeschlossen.

Solange der Strom i und damit die Spannung am Widerstand 2 die bezeichnete Polarität haben, wird der Kondensator 3 über den Widerstand 7 mit seiner oberen Platte positiv geladen. Der Transistor 5 ist während des Ladevorganges gesperrt, da der Emitter infolge des Spannungsabfalls am Widerstand 7 gegenüber der Basis ein negatives Potential besitzt. Der W^Tiderstand 7 und die Kapazität des Kondensators 3 sind so groß gewählt, daß die Zeitkonstante des Ladekreises groß ist gegen die Stromperiode, so daß also die Spannung am Kondensator 3 nur einen kleinen Bruchteil der an der oberen Hälfte des Widerstandes 2 auftretenden Spannung beträgt. Kurz bevor das Potential des oberen Endes des Widerstandes 2 Null erreicht, hört die Aufladung auf; bei negativem Potential des oberen Endes des Widerstandes 2 wir l die Basis des Transistors 5 gegenüber seinem Emitter, der mit der positiven Platte des Kondensators 3 verbunden ist, negativ, so daß der Transistor 5 leitfähig wird. Dadurch entlädt sich der Kondensator 3 sehr schnell über Emitter und Kollektor des Transistors 5. Während der weiteren Dauer der negativen Halbwelle bleibt der Kondensator 3 ungeladen. Mit der nächsten positiven Halbwelle wiederholt sich der gleiche Vorgang. Die Wirkung des Kondensators 4 und des Transistors 6 ist in den Halbwellen entgegengesetzter Polarität die gleiche. Die maximale Spannung der Kondensatoren 3 bzw. 4 ist demnach ein Maß für die Stromzeitfläche der betreffenden (vollständigen) Halbwelle.

Durch die Spannung der Kondensatoren 3 bzw. 4 wird ein Kippkreis 10 gesteuert, der zwei weitere Transistoren 11 und 12 umfaßt. Die Kollektoren und Basen der Transistoren 11 und 12 sind kreuzweise über Widerstände 13 und 14 miteinander verbunden. Die Emitter-Kollektor-Kreise der Transistoren werden durch eine Hilfsspannung 15 über einen gemeinsamen verstellbaren Widerstand 16 und je besondere Kollektorwiderstände 17 bzw. 18 gespeist.

Der Transistor 11 des Kippkreises 10 ist normalerweise leitfähig. Sein Emitterpotential wird durch einen Spannungsteiler bestimmt, der aus dem einstellbaren Widerstand 16 und dem festen Kollektorwiderstand 17 besteht, sein Basispotential durch einen weiteren Spannungsteiler, der aus dem Widerstand 19

und dem Widerstand 14 zusammengesetzt ist. Für den Transistor 12 werden entsprechende Spannungsteiler durch die Widerstände 16 und 18 (Emitterpotential) bzw. die Widerstände 13 und 20 (Basispotential) gebildet. Die Widerstände 13, 14, 19 und 20 sind, verglichen mit den Widerständen 16, 17 und 18, hochohmig und so gewählt, daß die Basen je nach Schaltzustand der Kippschaltung positiv oder negativ gegenüber Emitter sind.

ίο Überschreitet nun das Potential der positiven Platte des Kondensators 3 bzw. 4 das eingestellte Emitterpotential, so wird die Basis des bis dahin leitfähigen Transistors 11 positiv gegenüber dem Emitter; das hat zur Folge, daß der Transistor 11 gesperrt und der Transistor 12 leitfähig wird. Infolgedessen fließt ein Strom aus der Spannungsquelle 15 über den Widerstand 16, Emitter und Kollektor des Transistors 12, den Widerstand 18 und die Auslöseeinrichtung 21 des Schalters, so daß der Strom i unterbrochen wird. Diejenige Spannung des Kondensators 3 bzw. 4, bei der der Kippkreis anspricht, kann durch die Einstellung des veränderbaren Widerstandes 16 bestimmt werden.

Nach Auslösung des Schalters kann der Überstromauslöser durch Schließen einer Rückstelltaste 25 in den Ausgangszustand gebracht werden. Das Schließen der Rückstelltaste hat die Wirkung, daß die Spannung am Transistor 11 zusammenbricht und daraufhin der Transistor 12 wieder gesperrt wird. Da die Auslöseeinrichtung 21 des Schalters meist stark induktiv ist, könnte es vorkommen, daß der Transistor 12 bei der plötzlichen Unterbrechung seines Kollektorstromes durch die an der Einrichtung 21 induzierte Spannung überlastet wird; es ist daher parallel zur Einrichtung 21 ein Ventil 22 geschaltet, das die Aufgabe hat, diese Induktionspannung kurzzuschließen.

Die Rückstelltaste 25 kann beispielsweise mit dem Schalter verbunden sein, so daß die Rückstellung automatisch nach dem öffnen des Schalters erfolgt. Sie kann auch durch einen Isoliertransformator ersetzt werden, durch den dem Transistor 11 ein Spannungsimpuls zugeführt wird, der kurzzeitig die Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors aufhebt und dadurch ein Kippen des Kreises 10 bewirkt.

Es kann vorteilhaft sein, den Überstromauslöser potentialmäßig von dem Leiterl zu trennen. Zu diesem Zweck kann der Widerstand 2 durch einen Isoliertransformator ersetzt werden, dessen Sekundärwicklung eine Mittelanzapfung besitzt.

In Fig. 2 ist der Integratiousvorgang für einen kleinen (betriebsmäßigen) und für einen großen Strom (Überstrom) dargestellt; die obere Kurve zeigt jeweils den Stromverlauf, die mittlere Kurve den Verlauf der Spannung am Kondensator 3. Die gestrichelte Horizontale U_a bezeichnet den Ansprechwert des Kippkreises 10 und damit die Stromzeitfläche einer Halbwelie, bei deren Überschreitung der Überstromauslöser den Schalter öffnet. Die untere Kurve zeigt den Verlauf des Stromes i₂₁ über die Auslöseeinrichtung21 des Schalters.

Das Schaltbild nach Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Überstromauslösers, bei der nicht das zeitliche Stromintegral einer vollständigen Halbwelle, sondern nur dasjenige des ansteigenden Teils einer Halbwelle als Kriterium für die Auslösung des Schalters benutzt wird. Die Schaltung nach Fig. 3 unterscheidet sich im wesentlichen nur insofern von der Schaltung nach Fig. 1, als die Transistoren 5 bzw. 6 außer von der am Widerstand 7 abfallenden Spannung noch durch eine weitere Spannung gesteuert werden, die durch einen Lufttransformator 30 mit den

Claims

Sekundärwicklungen 31 und 32 geliefert wird. Die Sekundärspannungen des Transformators 30 sind der zeitlichen Ableitung des Stromes i proportional; der Wicklungssinn der Sekundärwicklung 31 ist derart, daß der zunächst gesperrte Transistor 5 bei der Aufladung des Kondensators 3 im Scheitelpunkt der Halbwelle ein positives Emitterpotential gegenüber der Basis ■erhält, so daß er bereits zu diesem Zeitpunkt leitfähig wird. Entsprechendes gilt für die Steuerung des Transistors 6 durch die Spannung der Wicklung 32. Fig. 4 zeigt die Integrationsvorgänge bei der Schaltung nach Fig. 3, wobei die Bedeutung der Kurven die gleiche ist wie in Fig. 2. Patentansprüche:

1. Schutzschaltung gegen Überstrom für Wechselstromkreise, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, durch die in jeder Halbwelle das zeitliche Integral des Stromes von seinem Nulldurchgang an gemessen wird und die ein Kommando zur Auslösung eines den Strom unterbrechenden Schalters gibt, sobald das zeitliche Stromintegral im \⁷erlauf einer Halbwelle einen vorgegebenen Wert überschreitet.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitliche Stromintegral über eine vollständige Halbwelle gemessen wird.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitliche Stromintegral zwischen dem ersten Nulldurchgang und dem Scheitelzeitpunkt einer Halbwelle gemessen wird.

4. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an eine dem Strom proportionale Spannung über einen Widerstand ein Kondensator angeschlossen ist, dessen Spannung als Kriterium für die Abgabe des Auslösekommandos dient, wobei die Zeitkonstante des aus Widerstand und Kondensator bestehenden Kreises groß ist gegen die Periode des zu unterbrechenden Stromes, und daß der Kondensator vom Ende des Integrationsabschnittes bis zum Beginn der nächsten Halbwelle gleicher Richtung durch eine steuerbare elektronische Schalteinrichtung kurzgeschlossen ist.

5. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung durch die am Widerstand bestehende Spannung gesteuert ist.

6. Schutzschaltung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung durch die am Widerstand bestehende Spannung und durch eine weitere Spannung gesteuert ist, die der ersten zeitlichen Ableitung des Stromes proportional ist.

7. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronische Schalteinrichtung ein Transistor verwendet ist.

ao 8. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kippkreis vorgesehen ist, der seinen Zustand ändert und dadurch ein Auslösekommando erzeugt, wenn die Spannung des Kondensators einen vorgegebenen Wert überschreitet.

9. Schutzschaltung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Aufbau des Kippkreises aus miteinander gekoppelten Transistoren.

10. Schutzschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Emitterpotential der Transistoren des Kippkreises von einem verstellbaren Spannungsteiler abgenommen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift H 23779 VIIIb/21 d^ (bekanntgemacht am 20. 12. 1956);

österreichische Patentschrift Nr. 188 381;
schweizerische Patentschrift Nr. 157 449;
USA.-Patentschrift Nr. 2 751 545.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen