DE1064611B - Maximal- oder Minimal-Relais fuer Wechselstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Maximal- oder MinimalRelais, also beispielsweise ein Überstrom- oder Unterspannungs-Relais, welches mit elektronischen Mitteln oder Halbleitern eine außerordentlich kurze Ansprech- und Abfallzeit ergibt.

Es sind Überstromschutzeinrichtungen 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 in diesem Widerstand liegende Spannung wird zur Steuerung einer Röhre verwendet, 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 nicht kontinuierlichen Strom am Ausgang der Röhre. Die Ansprechzeit 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 trägheitslosen Steuerung der Röhre zunichte macht. Da der zugeführte Strom in jeder Periode zwei gleichgerichtete Halbwellen besitzt, muß das Filter für 100 Hz ausgelegt sein. Dadurch benötigt es große Induktivitäten und bedingt hohe Zeitkonstanten. Der Ausgangsstrom ist hierbei ein Gleichstrom, welcher sich aber nicht sofort beim Ansprechen der Schutzeinrichtung auf seinen endgültigen Wert einstellt. Der ' Nachteil dieser Anordnung ist also, daß wegen der niedrigen, dem Gleichstrom überlagerten Frequenz ein Filter mit hoher Zeitkonstante verwendet werden muß oder daß bei Weglassen des Filters das entstehende Ausgangssignal selbst keinen kontinuierlichen Gleichstrom darstellt. Diese Einrichtung hat ferner den Nachteil, daß die Ansprechzeit für das am Ausgang entstehende Signal von der Höhe der Meßgröße abhängt. Liegt die Meßgröße nur wenig über dem Ansprechwert, so ist die Ansprechzeit höher als bei größeren Werten des Stromes. Die Verwendung von Filtern mit der dadurch bedingten größeren Ansprech- und Abfallzeit macht sich besonders bei Unterspannungs-Relais unangenehm bemerkbar. Es müssen dann die zum Filter gehörenden Kondensatoren sich erst entladen, bevor die Röhre sperrt, so daß beim Ansprechen der Spannungs-Relais die Ansprechzeit größer ist als bei einem Überstrom-Relais mit gleicher Anordnung.

Es ist bekannt, die Welligkeit eines gleichgerichteten Wechselstromes dadurch zu verkleinern, daß man die zugeführte Wechselstromgröße in zwei, um 90° verschobene Ströme aufteilt, dann getrennt gleichrichtet und wieder zur Wirkung kommen läßt. Es Maximal- oder Minimal-Relais für Wechselstrom

Anmelder: Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Vertreter: Dr.-Ing. Ε. Sommerfeld, Patentanwalt, München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität: Schweiz vom 24. Dezember 1958

Dipl.-Ing. Edgar Asseo₁ Zürich, und Dipl.-Phys. Hansjörg Vonarburg₁ Wettingen (Schweiz), sind als Erfinder genannt worden

entsteht dadurch statt eines gleichgerichteten Stromes mit zwei positiven Halbwellen je Periode ein Gleichstrom mit 4facher Oberwelle und einer entsprechend kleineren Amplitude des Wechselstromanteils.

Ferner ist es aus der Nachrichtentechnik bekannt, die Amplituden des zugeführten Wechselstromes durch Elektronenröhren oder Glimmlampen zu begrenzen, wobei von einer bestimmten Höhe ab aus der Sinusform eine Rechteckform entsteht.

Ferner hat man vorgeschlagen, das Halteverhältnis von Gleichstrom-Relais dadurch zu verbessern, daß man dem Gleichstrom einen Wechselstrom überlagert, wobei das angeschlossene Relais beim Maximalwert des mit dem Wechselstrom überlagerten Gleichstromes anspricht und beim Minimalwert abfällt. Man kann hierbei die Amplituden des überlagerten Wechselstromes gerade so groß machen, daß sie bei einem bestimmten Gleichstrom, der dem Ansprechstrom entspricht, gerade zwischen dem Ansprech- und Abfallwert des Relais schwanken, dann wird das Halteverhältnis gerade 1.

Es wird nun zur Vermeidung der obengenannten Nachteile vorgeschlagen, das Relais erfindungsgemäß so auszuführen, daß die Meßgröße durch einen Amplitudenbegrenzer auf eine bestimmte Höhe begrenzt wird, dann einem Phasenwandler zugeführt wird, welcher sie mindestens dreiphasig macht, daß die dadurch entstandenen drei Größen getrennt gleichgerichtet werden und der so entstandene Gleichstrom einem

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Amplitudenkomparator zugeführt wird, welcher die Amplitude der Meßgröße mit einer festen Größe, die den Ansprechwert des Relais bestimmt, vergleicht, wobei beim Überschreiten des Ansprechwertes ein Gleichstrom erzeugt wird, welcher die Betätigung vornimmt.

Die Einrichtung wird an Hand des in der Fig. 1 dargestellten Beispiels näher erläutert. Aus dem Wandler 1 wird der Wechselstrom oder die Wechselspannung einphasig gewonnen. Sie wird über die \Yiderstände 2 den Strombegrenzern 3 zugeführt. Hierzu kann man entweder Elektronenröhren verwenden, welche von einer bestimmten Höhe des Stromes an in den Sättigungsbereich gelangen, oder man kann veränderliche Widerstände, wie Glimmlampen oder Halbleiter (sogenannte Zenerdioden), parallelschalten, welche von einer bestimmten Höhe der Meßgröße an einen Parallelweg öffnen. Der Strombegrenzer ist so ausgelegt, daß an seinem Ausgang eine bestimmte Höhe der Spannung bzw. des Stromes nicht überschritten wird. Solange der Strombegrenzer 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 Gleichrichtung ohne Verwendung eines Filters stark herabgesetzt. Der Phasenwandler ist so ausgelegt, daß die drei entstehenden Wellen gleiche Amplituden besitzen. Er besteht aus den Widerständen 5, 6, 7 und dem Kondensator 8. Die Schaltung ist ähnlich wie bei einem Phasendrehglied. an dessen Ausgang eine gegenüber dem Eingang phasenverschobene Spannung abgenommen werden kann. Die Abnahme erfolgt bei dem Phasenumwandler an drei Stellen, derart, daß die gegenseitige Phasenverschiebung der drei entstehenden Wellen 120° beträgt. Diese wird durch geeignete Auslegung der Widerstände 5, 6, 7 und des Kondensators 8 im Zusammenhang mit dem Widerstand 9 der Gleichrichtergruppe 10 erreicht. In Verbindung mit dem Strombegrenzer 3 kann der Kondensator sich unabhängig von der zugeführten Höhe des Stromes oder der Spannung mit gleicher Dauer entladen. Man kann hierbei die Kapazität klein halten, so daß eine rasche Entladung nach dem Ansprechen möglich ist. Dies wirkt sich besonders bei TJnterspannungs-Relais vorteilhaft aus, welche beim Absinken der Spannung ansprechen, wobei der Kondensator 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 Gleichspannung mit einer Welligkeit, deren Grundwelle die öfache Frequenz von der Netzfrequenz besitzt. Diese Welligkeit wird nun nicht weggefiltert, um keine zusätzliche 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 beiden Elektronenröhren 11 und 12 besteht, zu betätigen. Dieser erzeugt am Ausgang eine Gleichspannung, wenn die zugeführte Gleichspannung einen bestimmten Ansprechwert überschreitet, und zwar ist hierfür der Scheitelwert der welligen Gleichspannung maßgebend. Erreicht dieser eine bestimmte Höhe, so zündet die Röhre 11 des

Amplitudenkomparators, und es entsteht am Ausgang eine Gleichspannung. Die Löschspannung des Aniplitudenkomparators ist nun so gewählt, daß sie dem Minimalwert der welligen Gleichspannung entspricht. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Mit 18 ist die Ansprechspannung des Aniplitudenkomparators, mit 19 sein Sperrwert als gerade Linien dargestellt. Zwischen diesen beiden Linien liegt die Welligkeit der zugeführten Gleichspannung 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 Amplitudenkomparator an, sinkt sie wieder auf den alten Wert zurück, so wird die Sperrspannung erreicht, und der Amplitudenkomparator sperrt. Hierdurch wird erreicht, daß sofort beim Ansprechen immer eindeutig eine kontinuierliche Spannung am Ausgang entsteht, und daß das Verhältnis von Ansprech- und Sperrspannung, also das Halteverhältnis, praktisch 1 ist. Es wird also ein gutes Halteverhältnis verbunden mit einem unbedingt sicheren Arbeiten gewährleistet.

Der Amplitudenkomparator besteht aus den beiden Röhren 11 und 12, welche auch zusammen als Doppelröhre ausgebildet sein können. Fließt in der Röhre 11 kein Anodenstrom, so führt auch der Widerstand 14 keinen Strom. Am Punkte 15 ist daher eine hohe positive Spannung E₊ vorhanden. Daher liegt auch am Gitter der Röhre 12 eine positive Spannung, so daß in ihr Anodenstrom fließt. Dann aber ist am Punkt 16 nur eine geringe Spannung vorhanden, da die zugeführte Gleichspannung am Widerstand 17 zusammenbricht. Fließt aber Strom in der Röhre 11, so bricht die Spannung am Punkt 15 zusammen. Das Gitter der Röhre 12 erhält dann eine negative Vorspannung, so daß die Röhre sperrt. Damit steigt die Spannung am Punkt 16 an, so daß eine hohe Ausgangsspannung entsteht. Die Röhre 11 spricht nun an, wenn der Scheitelwert der zugeführten welligen Gleichspannung einen vorgeschriebenen Wert überschreitet, und sperrt, wenn der Minimalwert den zugehörigen Wert überschreitet. Die am Ausgang entstehende Spannung kann zur Betätigung eines Auslösers unmittelbar oder über Stromtore, zur Signalisierung und zur Einschaltung eines Impedanzmeßgliedes beim Impedanzschutz verwendet werden.

Fig. 3 zeigt die an den einzelnen Stellen der Anordnung entstehenden Spannungen. Es werden zwei Fälle betrachtet, einmal wenn eine Spannung zugeführt wird, welche gerade den Ansprechwert überschritten hat, und (gestrichelt) eine Spannung, welche diesen Wert erheblich überschreitet. In Fig. 3 a erkennt man die zugeführten Spannungen. Sie sind beide sinusförmig. In Fig. 3 b bleibt die eine Spannung, nämlich die kleinere, sinusförmig, da sie noch nicht in den Wirkungsbereich des Amplitudenbegrenzers gelangt, während die höhere Spannung bereits trapezförmig wird. In der Fig. 3 c ist die Wirkung des Phasenumwandlers dargestellt, aus der einphasigen Eingangsspannung ist eine dreiphasige entstanden. In Fig. 3 d sind diese Spannungen gleichgerichtet. Man erkennt die entstandene Welligkeit bei der kleineren Spannung. Bei der großen Eingangsatnplitude entsteht eine kontinuierliche Gleichspannung. In Fig. 3 e ist die Ausgangsspannung des Amplitudenvergleichers dargestellt, sie ist unabhängig von der Amplitude der Eingangsspannung.

Fig. 4 zeigt ein anderes Beispiel mit Verwendung von Transistoren. Die ,Schaltung bis zum Amplitudenkomparator ist dabei praktisch gleich, nur daß auch der Amplitudenbegrenzer in bekannter Weise mit

Claims (6)

Halbleitern (Zenerdioden) geschaltet werden kann. Gezeigt ist der Amplitudenkomparator. Die Transistoren 21 und 22 ersetzen die Röhrenil und 12 der Fig. 1. Die Wirkungsweise ist ähnlich, nur muß die Gleichrichtung entgegengesetzt erfolgen, damit eine negative Eingangs spannung zugeführt werden kann. Auch das Ausgangs signal ist dann negativ. Der Transistor 21 wird durch die negative wellige Gleichspannung 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 negative Ausgangsspannung entsteht. Der Vorteil der Anordnung gegenüber dem Stand der Technik ist, daß beim Überschreiten des Ansprechwertes und beim Unterschreiten ein praktisch unverzögertes Arbeiten der Anordnung möglich ist. Das Halteverhältnis ist außerordentlich günstig. Die Welligkeit, welche sonst meist als nachteilig angesehen wird, wird hierbei dazu ausgenutzt, um das gute Halteverhältnis zu erreichen. Eine Überlastbarkeit ist wegen der Strombegrenzung nicht möglich, infolgedessen ist auch das Ansprechen und Abfallen völlig unabhängig von der Höhe des zugeführten Meßwertes und besonders auch bei Unterspannungs-Relais ein sehr rasches Arbeiten gewährleistet. Patentansprüche: 30

1. Maximal- oder Minimal-Relais für Wechselstrom, welches beim Überschreiten oder Unterschreiten der Meßgröße einen Betätigungsbefehl gibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße durch eine Amplitudenbegrenzung auf eine bestimmte Höhe begrenzt wird, dann einem Phasenumwandler zugeführt wird, welcher sie mindestens

dreiphasig macht, dann die dadurch entstehenden mindestens drei Größen gleichgerichtet werden und der so entstandene Gleichstrom einem Amplitudenkomparator zugeführt wird, welcher die Amplituden der Meßgröße mit einer festen Größe, welche den Ansprechwert des Relais bestimmt, vergleicht, wobei beim Überschreiten des Ansprechwertes ein Gleichstrom entsteht, welcher den Betätigungsbefehl ausführt.

2. Maximal- oder Minimal-Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenumwandler aus einem durch Kondensatoren und Widerstände gebildeten Phasendrehglied gebildet wird, von dem an mindestens drei Stellen die mindestens dreiphasige Meßgröße abgenommen wird.

3. Maximal- oder Minimal-Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanne zwischen Ansprech- und Abfallwert des Amplitudenkomparators gerade so groß wie die Welligkeit der mehrphasigen gleichgerichteten Meßgröße ist.

4. Maximal- oder Minimal-Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vakuumröhren verwendet werden.

5. Maximal- oder Minimal-Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Transistoren verwendet werden.

6. Maximal- oder Minimal-Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sättigungswert des Strombegrenzers höchstens 25% über dem Ansprechwert des Schutzes liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 919 124, 898 625;
Neugebauer, Selektivschutz, Berlin, 1955, S. 52 td 53.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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