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Vorrichtung zur Überstrombegrenzung in Wechselstromkreisen Zum Schutz
von überstromempfindlichen Verbrauchern, die aus Wechselstromquellen mit kleinem
innerem Widerstand gespeist werden, wie z. B. zum Schutz von Geräten mit Siliziumgleichrichtern
oder Transistorgeräten, die bei Kurzschlüssen im Gerät oder an dessen Ausgangsklemmen
leicht zerstört werden können, ist es bekannt, in die Zuleitung zu den Verbrauchern
Drosselspulen zu schalten. Tritt in einer derartig geschützten Anordnung ein Kurzschluß
auf, so wird ein großer Teil der den Kurzschluß treibenden Spannung von der Induktivität
der Drosselspule aufgenommen und der Kurzschlußstrom dadurch begrenzt. Da jedoch
die Drosselspule auch im Normalbetrieb einen Spannungsverlust verursacht, hat man
bereits Reihenschaltungen einer Drosselspule mit einem Reihenkondensator verwendet.
Der Reihenkondensator dient dabei dazu, den durch die Drosselspule hervorgerufenen
Spannungsabfall zu kompensieren. Tritt in einer so mit Drosselspule und Kondensator
geschützten Anordnung ein Kurzschluß auf, so steigt infolge des Stromes die Spannung
am Kondensator an. Bei Überschreiten einer festgesetzten Spannung wird dieser mit
Parallelfunkenstrecken oder mit schnell ansprechenden Überbrückungsschaltern überbrückt.
Die Drossel bewirkt dann die Strombegrenzung. Für viele Anwendungsfälle ist die
Überbrückung des Kondensators mit Funkenstrecken oder Schaltern unerwünscht, da
sie mechanische und akustische Störungen in den Geräten selbst oder in benachbarten
Geräten hervorrufen kann.
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Ferner ist eine Schutzschaltung für Reihenkondensatoren, bestehend
aus einer dem Reihenkondensator parallel geschalteten Drosselspule, bekanntgeworden.
Die Wicklung der Drosselspule ist dabei auf einen Spulenkern, bestehend aus normalem
Dynamoblech, gewickelt. Diese bekannte Schaltung hat den Nachteil, daß der Strom
über den Verbraucher im Störungsfall (Kurzschluß) auf einen Wert steigt, der höher
liegt als der Nennstrom und nur durch die vorgeschalteten Induktivitäten in seiner
Höhe begrenzt wird.
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Die neue Vorrichtung beseitigt diese Nachteile. Sie dient zum Schutz
von wechselstromgespeisten Verbrauchern gegen Überstrom und Überspannungen. Ihr
besonderer Vorteil besteht in einem schnellen und zuverlässigen Schutz. Sie läßt
im ungünstigsten Fall lediglich einen begrenzten Überstrom während ein bis
maximal zwei Halbwellen des Wechselstromes zu und vermindert sodann bei entsprechender
Bemessung den Überstrom auf einen Reststrom, dessen Wert unter dem des Nennstromes
der Anlage liegt. Für die neue Vorrichtung ist ein Reihenschwingkreis und eine zum
Kondensator des Reihenschwingkreises parallel geschaltete Drosselspule mit magnetischem
Kern vorgesehen. Die Erfindung besteht darin, daß der Reihenschwingkreis auf die
Frequenz der speisenden Wechselspannung abgestimmt ist und daß für die parallel
geschaltete Drosselspule ein Kernmaterial mit nahezu rechtwinkliger Magnetisierungskennlinie,
also hoher Anfangspermeabilität und einer Sättigungspermeabilität annähernd Eins
vorgesehen ist und daß die Drosselspule so bemessen ist, daß ihre Sättigungsspannung
in der Größenordnung des Scheitelwertes der treibenden Wechselspannung liegt und
ihre Induktivität (LL) bei vollgesättigtem Kern (Luftinduktivität) und bei einer
Frequenz f der treibenden Wechselspannung folgende Bedingungen erfüllt:
und
daß der ohmsche Widerstand (R,9) der Drosselspule folgende Bedingungen erfüllt:
Eine Gefährdung des vorgesehenen Reihenkondensators tritt praktisch nicht auf, da
ein auftretender Überstrom nur kurzzeitig vorhanden ist und der danach noch vorhandene
Reststrom klein ist. Ein besonderer Vorteil der neuen Vorrichtung beruht darauf,
daß bei vorübergehenden Kurzschlüssen die Anlage selbsttätig wieder in Betrieb geht.
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Der vorgesehene Reihenschwingkreis bildet darüber hinaus in bekannter
Weise einen Sperrkreis für höherfrequente Spannungsvorgänge und schützt somit die
nachgeschalteten Geräte vor kurzzeitigen Spannungsspitzen aus dem Netz. Weiterhin
wirkt die Schaltung bei konstantem Verbraucherwiderstand als Schutz gegen zu große
Netzspannungserhöhungen.
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Zur näheren Erläuterung wird auf das Ausführungsbeispiel in der Zeichnung
verwiesen. Es zeigt Fig. 1 ein Schaltbild der neuen Vorrichtung, Fig. 2 ein Diagramm
des Stromverlaufes der neuen Vorrichtung bei sich änderndem Verbraucherwiderstand.
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An die Klemme a der Wechselstromquelle 1 mit kleinem innerem
Widerstand ist die Reihenschaltung einer Schwingkreisdrossel 2 und eines Kondensators
3 angeschlossen. Die Schwingkreisdrossel2 besteht im Ersatzschaltbild aus der Induktivität
L2 und dem ohmschen Widerstand R2. Parallel zum Kondensator 3 ist die Drosselspule
4 angeordnet, die im Ersatzschaltbild aus der Reihenschaltung der spannungsabhängigen
Induktivität LM und der spannungsunabhängigen Induktivität LL und dem Kupferwiderstand
R4 bestehend angenommen ist. Die Induktivität Lm ist im Normalbetrieb sehr
groß gegenüber der Induktivität LL, die praktisch der Luftinduktivität entspricht.
Der aus der Schwingkreisdrossel 2 mit dem Kondensator 3 gebildete Reihenschwingkreis
ist auf die Frequenz der Wechselstromquelle 1 abgestimmt (Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises
gleich Frequenz der Wechselspannungsquelle). Die Drossel 4 ist mit einem magnetischen
Kern versehen, z. B. kann ein Ringband- oder Schnittbandkern verwendet werden. Als
Kernmaterial dient ein magnetisches Material mit nahezu rechtwinkliger Magnetisierungskennlinie,
also hoher Anfangspermeabilität und einer Sättigungspermeabilität annähernd Eins.
Es wird dabei eine möglichst hohe Maximalpermeabilität mit kleiner Koerzitivkraft
und kleinen Hystereseverlusten angestrebt. Kleine Hystereseverluste sind deshalb
anzustreben, um die Erwärmung der Drosselspulen im Normalbetrieb gering zu halten
und unnötige Verluste zu vermeiden. An den Reihenschwingkreis, bestehend aus der
Schwingkreisdrossel 2 und dem Kondensator 3, ist der im Widerstand einstellbare
Verbraucher 5 angeschlossen, der hier nur beispielhaft als einstellbarer Widerstand
dargestellt ist. Der Verbraucher seinerseits liegt mit seiner freien Klemme an der
Ausgangsklemme b der Wechselstromquelle 1. Die in der dargestellten Reihenschaltung
angegebene Reihenfolge der Schwingkreisdrossel 2 mit dem Kondensator 3 und dem Verbraucher
5 ist hier nur beispielhaft angegeben. Es kann auch jede andere Reihenfolge der
drei genannten Reihenschaltungsglieder vorgesehen werden.
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Die Fig. 2 zeigt in einem Diagramm das Verhalten des Verbraucherstromes
I bei vorgeschalteter Vorrichtung zur Überstrombegrenzung, einstellbarem Verbraucherwiderstand
und konstanter Speisewechselspannung.
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Auf der senkrechten Geraden ist das Verhältnis des jeweilig fließenden
Verbraucherstromes I zum Kipp-Strom Ix, bei dem die Überstrombegrenzung einsetzt,
und auf der waagerechten das Verhältnis des jeweilig eingestellten Verbraucherwiderstandes
RS zum Verbraucherwiderstand RS x, bei dem der Kippstrom Ix zum Fließen kommt, dargestellt.
Die in das Diagramm eingetragene Kurve zeigt den Stromverlauf bei verschiedenen
Verbraucherwiderständen. Ist der im Stromkreis nach Fig. 1 fließende Strom I kleiner
als ein der Schaltung eigener Kippstrom Ix, so wird an der Induktivität der Drosselspule
2 ein induktiver Spannungsabfall auftreten, der wegen der Resonanzbedingungen durch
den kapazitiven Spannungsabfall am Kondensator 3 kompensiertwird. Am Verbraucher
5 wird somit aus einer Stromquelle mit dem Innenwiderstand R gespeist. Die zum Kondensator
3 parallel liegende Drossel 4 liegt an der Spannung
mit dem Scheitelwert
Bei Verkleinerung des Verbraucherwiderstandes 5 wird der Strom I größer, womit der
Spannungsabfall am Kondensator 3 steigt. Wird der Verbraucherwiderstand so klein,
däß der Kippstrom Ix zu fließen beginnt, so liegt am Kondensator 3 eine Spannung,
die der Sättigungsspannung Us der Drossel 4 entspricht. Damit wird der Magnetkern
der Drossel 4 kurzzeitig gesättigt und die spannungsabhängige Induktivität Lm für
einen Augenblick sehr klein. Durch diesen Vorgang angestoßen, kippt die Schaltung
in den kurzschlußstabilen Zustand. Der mit abnehmendem Verbraucherwiderstand Rs
ständig zunehmende Verbraucher-Strom I hat bei Ix seinen Höchstwert erreicht. Sobald
die Schaltung gekippt ist, sinkt der Strom I auf einen Re$tstrom ab, d. h., bei
kleiner werdendem Verbraucherwiderstand Rs als dem Kippwiderstand R" K
wird
in jedem Spannungsnulldurchgang der speisenden Spannung an der Drossel 4 die Sättigungsspannung
Us erreicht oder überschritten. Der in diesem Zeitpunkt auf die Sättigungsspannung
Us aufgeladene Kondensator 3 wird über die Induktivität LL und den Widerstand R4
in kurzer Zeit auf die entgegengesetzte Polarität umgeladen.
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Durch das ständige Umladen des Kondensators 3 mit Erreichen der Sättigungsspannung
Us verläuft der Verbraucherstrom I nicht mehr sinusförmig. Damit wird, wie aus dem
Diagramm zu ersehen ist, sein Effektivwert auf einen Bruchteil des Kippstromes 1K
begrenzt. Der Strom im Verbraucher 4 wird auch bei weiterer Verkleinerung des Verbraucherwiderstandes
R4 bis zum Kurzschluß nicht mehr größer.
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Wird nunmehr der Verbraucherwiderstand R4 wieder über den »Kippwiderstand«
RK hinaus vergrößert, so
bleibt der Strom I zunächst etwa auf den
Reststrom begrenzt, erst mit größer werdendem Verbraucherwiderstand hört das Umladen
des Kondensators 3 über die Drossel 4 auf, und der Verbraucherstrom wird wieder
sinusförmig.
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Je nach den Gegebenheiten kann auch der Hauptschalter für den Verbraucher
in Schaltabhängigkeit von den Stromimpulsen in der Zuleitung zur Drosselspule
4 stehen, da diese nur dann auftreten, wenn die Schaltung gekippt ist, also
eine Überstrom verursachende Störung vorliegt.
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Die stabile Arbeitsweise der neuen Vorrichtung beruht weitgehend auf
der Bemessung der einzelnen
speziell im Bereich
liegen soll. Um den gewünschten Induktivitätswert LL in der Praxis leichter verwirklichen
zu können, kann mit der Drosselspule 4 zusätzlich eine Induktivität in Reihe geschaltet
werden.
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Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich dann, wenn die Sättigungsspannung
der Drosselspule gleich dem Scheitelwert der treibenden Wechselspannung ist. Eine
weitere Bedingung, die zur Erreichung stabiler Verhältnisse erfüllt werden muß,
ist die Berücksichtigung einer entsprechenden Umladezeit des Kondensators. Hieraus
ergibt sich, daß der ohmsche Widerstand Rs der Drosselspule 4 die nachstehende Bedingung
erfüllen soll:
Die neue Vorrichtung ist nicht auf die Verwendung bei überstromempfindlichen Verbrauchern
beschränkt, sondern sie kann auch mit Vorteil dann angewandt werden, wenn eine praktisch
leistungslose Schaltung gewünscht wird. In diesem Fall ist es erforderlich, der
Drossel 4 durch zusätzliche Stromimpulse auf einer Sekundärwicklung der Drossel
4 die Sättigungsspannung von außen her aufzudrücken, um die Schaltung zum Ansprechen
zu bringen. Ist die Schaltung gekippt, läßt sich der Reststrom mit Schalt-
und daß der ohmsche Widerstand (Rs) der Drosselspule folgende Bedingungen erfüllt:
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge-
Schaltungselemente, insbesondere der Bemessung der verwendeten Drossel
4.
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Daß die Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises aus Schwingkreisdrossel
2 und Kondensator 3 mit der Frequenz der treibenden Wechselspannung übereinstimmen
muß, wurde bereits erwähnt. Der Strom, bei welchem das Kippen der neuen Vorrichtung
eintreten soll, wird bestimmt durch die Sättigungsspannung Us der Drossel 4, d.
h. auch durch den Maximalwert der Spannung, die am parallel zu ihr liegenden Kondensator
3 ansteht. Hieraus ergibt sich die Bedingung für die LuftinduktivitätLL der Drossel
4, die im Bereich gliedern abschalten. Bei Verwendung eines Transformators zur Ankopplung
des Kondensators an die Drosselspule kann der Transformator zugleich als Drossel
4 ausgebildet werden. Auch ist es möglich, die Induktivität eines induktiven Verbrauchers
als Schwingkreisdrossel für den Reihenschwingkreis mit auszunutzen.