DE1165143B - Relaissteuervorrichtung zur Ausloesung eines Relais bei Auftreten einer vorbestimmten, an einem Differentialtransformator anliegenden Spannung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H02d

Deutsche Kl.: 21 c - 68/70

Nummer: 1165 143

Aktenzeichen: L 39196 VIII b / 21 c

Anmeldetag: 9. Juni 1961

Auslegetag: 12. März 1964

Die Erfindung betrifft eine Relaissteuervorrichtung zur Auslösung eines Relais bei Auftreten einer vorbestimmten, an einem Differentialtransformator anliegenden Spannung, welche über wenigstens einen Gleichrichter an einem elektrischen Speicherelement, wie einem Kondensator hoher Kapazität oder einem Akkumulator geringer Kapazität, anliegt, wobei das Speicherelement über einen elektronischen spannungsabhängigen Schalter an das Relais geschaltet ist.

Es sind bereits Auslöseeinrichtungen bekannt, bei denen an ein Speicherelement eine Gleichvorspannung angelegt wird, welche der Auslösespannung gleichgerichtet ist und das Speicherelement bis dicht unter die Auslösespannung auflädt. Bei dieser bekannten Einrichtung werden also die Auslösespannung und die konstante Vorspannung nach der Gleichrichtung überlagert, was den Nachteil hat, daß Phasenbeziehungen zwischen den beiden Spannungen nicht berücksichtigt werden.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Relais-Steuervorrichtung, bei der auch die Phasenbeziehungen der zu überlagernden Spannungen berücksichtigt werden.

Hierzu sieht die Erfindung bei einer Relaissteuervorrichtung der eingangs genannten Gattung vor, daß der vom Fehlerstrom hervorgerufenen Spannung eine zusätzliche Wechselspannung überlagert wird, die gegegebenenf alls dem Netz entnommen wird, wobei die Überlagerung vor der Gleichrichtung stattfindet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Relaissteuervorrichtung gemäß der Erfindung, bei der der Differentialtransformator wenigstens zwei in den beiden Phasen eines Zweiphasennetzes liegende Wicklungen aufweist, ist vorgesehen, daß die zusätzliche Wechselspannung an einem zwischen die beiden Phasen geschalteten Spannungsteiler abgenommen wird. Die Fehlerspannung wird vorzugsweise an einer der Hauptwicklungen abgenommen.

Bei einer weiteren Ausführungsform, bei der der Differentialtransformator noch eine dritte Wicklung aufweist, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die an der dritten Wicklung erscheinende Spannung einen mit dem Relais in Reihe an dem durch die zusätzliche Wechselspannung aufgeladenen Speicherelement liegenden Transistor steuert.

Weiter sieht die Erfindung vor, daß im Falle eines Schutzrelais, das nicht auf einen differentiellen Blindstrom ansprechen soll, der Gleichrichterkreis für die Aufladung des elektrischen Energiespeichers ein an sich bekannter »Phasengleichrichter« ist, der nur die zur zusätzlichen Wechselspannung in einer bestimmten Phasenlage liegende Komponente gleichrichtet.

Relaissteuervorrichtung zur Auslösung
eines Relais bei Auftreten einer vorbestimmten,
an einem Differentialtransformator anliegenden
Spannung

Anmelder:

Laboratoire d'Electronique et d'Automatique

Dauphinois L. E. A. D. S. A. R. L.,

AppareillageThermoflex-Etablissements

J. M. Dard S. A., Grenoble, Isere (Frankreich)

Vertreter:

D. W. Müller-Bore und Dipl.-Ing. H. Gralfs,

Patentanwälte, Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Als Erfinder benannt:

Ferdy Mayer, Grenoble, Isere (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 9. Juni 1960 (Nr. 829 463) <

vom 20. Mai 1961 (Nr. 862 468) -

Die Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in dieser zeigen die F i g. 1 bis 8 Schaltschemen verschiedener Ausführungsformen der Schutzrelaissteuervorrichtung gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 sind zwei Leiter eines z. B. einphasigen elektrischen Stromversorgungsnetzes mit 1 und 2 bezeichnet. Jeder dieser Leiter 1, 2 liegt in Reihe mit einer Wicklung 3 bzw. 4 eines Differentialtransformators 5. Dieser Transformator 5 besitzt eine Wicklung 6 zur Anzeige des differentiellen Flusses, die über eine zusätzliche Spannungsquelle und eine Diode 7 an den Klemmen eines elektrischen Energiespeichers 8 anliegt. Der elektrische Energiespeicher kann ein Akkumulator sehr geringer Kapazität oder ein Kondensator von großer Kapazität in der Größenordnung von 1 bis 100 Mikrofarad und mit geringem Verluststrom sein. Die zusätzliche Spannungsquelle besteht aus einem Widerstand Aa eines zwischen die beiden Netzphasen geschalteten Spannungsteilers 3a, 4a.

An den Klemmen des Speichers 8 liegt die Reihenschaltung der Erregungswicklung 9, eines Relais und

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einer Spezialdiode 10, die normalerweise, wenn die Spannung an ihren Klemmen unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes liegt, gesperrt ist und die leitet, wenn diese Spannung diesen Schwellenwert überschreitet.

Im Betrieb lädt die am Widerstand 4 a erscheinende Vorspannung den Speicher 8 gemäß der Erfindung bis dicht unter den Schwellenwert der Spannung auf. Wenn auf Grund einer Stromunsymmetrie in den Wicklungen 3 und 4 des Transformators 5 in der Wicklung 6 eine Spannung induziert wird, steigt die Spannung am Speicher 8 (die Ladegeschwindigkeit ist dem Unsymmetriestrom proportional) schnell auf den Schwellenwert (z. B. 5 Volt Gleichspannung), und die Diode 10 wird leitend. Darauf entlädt sich der Speicher 8 plötzlich über die Wicklung 9. Das Relais wird also betätigt, und die üblichen Sicherheitsvorrichtungen werden ausgelöst. Je mehr die Vorspannung dem Schwellenwert angenähert ist, um so empfindlicher wird die Auslösung.

Nach Fig. 2 weist ein einphasiger Stromversorgungskreis zwei in Reihe mit den Wicklungen 13, 14 eines Differentialtransformators 15 liegende Leitungen 11 bzw. 12 auf. Ein Speicher 16 liegt über einer Diode 17 an dem Abgriff 18 eines Spannungsteilers 19,19 a mit einem zwischen die Leitungen 11 und 12 geschalteten Widerstand 19 und einem Punkt 20 des Leiters 12 derart, daß sich die eventuelle Spannung an den Klemmen der Wicklung 14 zu der an dem Widerstand 19 liegenden addiert.

An den Klemmen des Speichers 16 liegt — wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel — die Reihenschaltung der Wicklung 21 eines Relais und einer Sperrdiode 22.

Wenn die Belastungen der Leitungen 11 und 12 im Betrieb gleich sind, wird der Speicher 16 durch die zwischen den Punkten 18 und 20 liegende, von der Diode 17 gleichgerichtete Wechselspannung aufgeladen. Diese gleichgerichtete Spannung reicht jedoch nicht aus, um die Diode 22 leitend zu machen. Sobald eine Unsymmetrie der Belastungen der Leitungen 11 und 12 auftritt, macht die in der Wicklung 14 induzierte Spannung, die sich zu der Spannung an dem Widerstand 19 addiert, die Diode 22 leitend. Der Speicher 16 entlädt sich plötzlich über die Wicklung 21 des Relais und setzt damit die Sicherheitsvorrichtungen in Betrieb.

Bei der Anzeigevorrichtung nach Fig. 3 liegen Wicklungen 33, 34 eines Differentialtransformators

35 mit Leitungen 31 bzw. 32 in Reihe. Ein Speicher

36 wird über eine Diode 37 durch die Spannung an Klemmen 38, 40 eines an den Leitungen 31, 32 liegenden Spannungsteilers 39, 39 a gespeist. An den Klemmen des Speichers 36 liegt die Reihenschaltung einer Wicklung 41 eines Relais und eines Transistors 42, dessen Basis durch die von einer Diode 43 gleichgerichtete Spannung an den Klemmen einer Wicklung 44 des Differentialtransformators 35 vorgespannt ist.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Wenn keine Unsymmetrie der Ströme in den Leitungen 31 und 32 vorhanden ist, wird der Speicher 36 durch die Spannung an den Klemmen 38, 40 des Spannungsteilers 39, 39 a aufgeladen; dabei ist der Transistor 42 durch die an ihn anliegende Vorspannung gesperrt. Wenn eine Belastungsunsymmetrie auftritt, macht die in der Wicklung 44 induzierte Spannung, die nach der Gleichrichtung die Vorspanung für den Transistor 42 liefert, diesen leitend, und der Speicher 36 entlädt sich über die Wicklung 41 des Relais. Die soeben beschriebene Vorrichtung besitzt auf Grund der Transistorvorspannung und der verstärkenden Wirkung des Transistors eine erhöhte Empfindlichkeit.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 liegt die Vorrichtung an einem einphasigen Stromversorgungsnetz 51, 52 an. In jeder Phase dieses Netzes liegt eine Wicklung 53 bzw. 54 eines Differentialtransformators 55 mit ringförmigem Kern.

Dieser Transformator 55 besitzt weiter eine Sekundärwicklung 56, an deren Klemmen über den Widerstand 54a eines zwischen die Netzphasen 51, 52 geschalteten Spannungsteilers 53 a, 54 a eine Gleichrichterbrücke 57 anliegt, die dazu bestimmt ist, ein Speicherorgan 58 für elektrische Energie zu speisen. Wie bereits erwähnt, besteht das Speicherorgan entweder aus einem Akkumulator sehr geringer Kapazität oder einem Kondensator von großer Kapazität, z. B. zwischen 1 und 100 Mikrofarad und mit geringem Verluststrom.

An den Klemmen des elektrischen Speicherorgans 58 liegt in Reihe mit der Erregungswicklung 59 (deren Widerstand bei einem praktischen Ausführungsbeispiel zu 17 Ohm gewählt wurde) des Schutzrelais eine Flächendiode 60 vom NPNP-Typ. Deren Basis 61 wird über einen Widerstand 62 (dessen Wert vorteilhafterweise zwischen 1000 und 10000 Ohm liegt) durch eine Zenerdiode 63 vorgespannt. Die Reihenschaltung dieser Zenerdiode 63 und eines Widerstandes 64, dessen Wert zweckmäßigerweise zwischen 10 000 und 100 000 Ohm beträgt, ist mit den Klemmen der Quelle 58 verbunden.

Wenn die Ströme in den Phasen 51, 52 gleich sind, lädt sich das Speicherorgan 58 bis dicht unter die Auslösespannung auf, und die Diode 60 ist gesperrt.

Wenn in den Phasen 51,52 eine Stromunsymmetrie auftritt, entsteht an der Wicklung 56 eine Differentialspannung. Diese Spannung erzeugt nach ihrer Gleichrichtung in der Brücke 57 einen zusätzlichen Strom zur Aufladung des Speicherorgans 58, dessen Klemmenspannung je nach der Vorspannung die Leitfähigkeitsschwelle der Zenerdiode 63 mehr oder weniger schnell erreicht. Sobald das der Fall ist, wird die Flächendiode 60 auf Grund der dabei auftretenden Spannungsänderung an der Basis 61 leitend. Der Speicher 58 entlädt sich dann plötzlich mit solcher Intensität über die Wicklung 59, daß das Schutzrelais erregt wird.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 5 liegt eine Wicklung 66 eines Differentialtransformators 65 über den Widerstand 65 b eines zwischen die Netzphasen geschalteten Spannungsteilers 65 a, 65 b und über Gleichrichter 67 und 68 an den Klemmen von zwei Speicherorganen 69 und 70 inSpannungsverdopplungsschaltung an. Hier wird ein Widerstand 71 (z. B. 33000 Ohm) verwendet, um die Vorspannung für die Flächendiode 72 zu liefern. Dadurch entsteht bei stabilen Charakteristiken (Kollektorstrom—Kollektorspannung) der Diode 72 eine wohl definierte Schwellenspannung.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 wird wieder eine Vorspannung durch einen Spannungsteiler 79 a, 796 erzeugt. Ein an sich bekannter bistabiler Transistorkreis mit zwei parallelen Transistoren 75, 76 von entgegengesetzter Leitfähigkeit, deren Kollektoren mit Widerständen 77 bzw. 78 verbunden sind, liegt mit der Wicklung 74 eines Schutz-

relais in Reihe. Die Basis des Transistors 75 ist mit dem Kollektor des Transistors 76, die Basis des Transistors 76 mit dem Kollektor des Transistors 75 verbunden, während der Emitter des Transistors 75 mit der einen Klemme der Wicklung 74 und der Emitter des Transistors 76 mit einer Klemme des Speichers 79 verbunden ist. Eine Zenerdiode 80 liegt zwischen den beiden Kollektoren, d. h. zwischen den Widerständen 77, 78. Wenn die Zenerdiode 80 auf Grund der durch eine Phasenunsymmetrie der gesteuerten Stromversorgung hervorgerufenen Spannungserhöhung an dem Speicher 79 leitend wird, bewirkt der durch die Widerstände 78 und 79 fließende erhöhte Strom eine solchen Vorspannung der Transistoren 75, 76, daß diese leitend werden. Der Speicher 79 entlädt sich dann plötzlich über die Wicklung 74.

Die Ausführungsform nach F i g. 7 ist insbesondere für den Schutz der Stromversorgung von Verbrauchern mit einer relativ großen Kapazität bezüglich Masse, z. B. von eingebetteten thermischen Vorrichtungen, Antriebsvorrichtungen usw., geeignet. Wenn derartige Verbraucher unter Spannung gesetzt werden, kann normalerweise ein ziemlich hoher differentieller Blindstrom auftreten. Es ist also zweckmäßig, in diesem Fall jede unzeitige Auslösung der Schutzvorrichtung zu verhindern.

Nach F i g. 7 liegen die Gleichrichter 80 und 81 in »Phasengleichrichterschaltung« derart, daß nur ein in Phase mit der Spannung des Stromversorgungskreises liegender Unsymmetriestrom die Elemente 82, 83 des Energiespeichers aufladen kann. Diese Schaltung ist aus der Technik der Synchrondemodulation an sich bekannt.

In gleicher Weise kann dagegen ein Relais verwendet werden, das nur auf einen kapazitiven differentiellen Strom anspricht, indem eine gegenüber der Netzspannung um 90° phasenverschobene Spannung angelegt wird. Es können auch Relais mit von dem Leistungsfaktor abhängiger Auslösung verwendet werden. Folglich ändert sich die Art der Elemente 83, 84.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 8 weist der Speicher 90 zwei in Reihe geschaltete Elemente 91 und 92 auf. Das Element 91 wird über einen Gleichrichter 93 und einen Widerstand 94 durch eine von einem Spannungsteiler mit Widerständen 95, 96 abgenommene Spannung aufgeladen. Der Speicher 92 wird über einen Gleichrichter 97 durch die Sekundärwicklung 98 des differentiellen Transformators 99 aufgeladen.

An den Klemmen des Speichers 90 liegt über eine Flächendiode 101 des NPNP-Typs die Erregungswicklung 100 eines Schutzrelais.

Die maximale Spannung an den Klemmen des Speichers 91 reicht nicht aus, um die Auslösung der Diode 101 zu bewirken. Dasselbe gilt für die Spannung an den Klemmen des Speichers 92. Dagegen überschreitet die Summe dieser beiden Spannungen die Leitfähigkeitsschwelle der Diode 101.

Der Widerstand 94 und die Kapazität des Kondensators 91 und damit die Zeitkonstante des Aufladungskreises des Kondensators 91 werden so gewählt, daß das Ansprechen der Schutzvorrichtung verzögert wird, wenn sie das erstemal unter Spannung gesetzt wird. Sogar wenn der Kondensator 92 auf Grund des während des ersten Einschaltens der Spannung erhöhten difierentiellen Stromes durch diesen praktisch in einer sehr kurzen Zeit aufgeladen wird, wird die Diode 101 nur dann leitend, wenn die Ladung des Kondensators 91 einen bestimmten Wert erreicht hat, der auch eine Funktion der Ladegeschwindigkeit des Kondensators 92 ist. Wenn der differentielle Strom dann verschwindet, erfolgt keine Auslösung. Wenn dagegen in der Folge beim normalen Betrieb ein differentieller Strom auftritt, ist der Kondensator 91 aufgeladen, und es erfolgt eine sofortige Auslösung.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. So können Schutzvorrichtungen vorgesehen sein, die auf andere Parameter als die der Art des Stromes und der Zeit ansprechen, z. B. der Temperatur, des Feuchtigkeitsgrades usw.

Weiter kann der Differentialtransformator Primärwicklungen mit verschiedenen Windungszahlen aufweisen, so daß die Auslösung des Schutzrelais bei einer Unsymmetrie zwischen den beiden Leitungen in einem vorbestimmten Sinne erfolgt. Die beschriebene Vorrichtung läßt sich natürlich auch auf Mehrphasenanlagen anwenden, indem z. B. mehrere Differentialtransformatoren vorgesehen werden.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Relaissteuervorrichtung zur Auslösung eines Relais bei Auftreten einer vorbestimmten^ an einem Diff erentialtransf ormator anliegenden Spannung, welche über wenigstens eirien Gleichrichter an einem elektrischen Speicherelement, wie einem Kondensator hoher Kapazität oder einem Akkumulator geringer Kapazität, anliegt, wobei das Speicherelement über einen elektronischen, spannungsabhängigen Schalter an das Relais geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Fehlerstrom hervorgerufenen Spannung eine zusätzliche Wechselspannung überlagert wird, die gegebenenfalls dem Netz entnommen wird, wobei die Überlagerung vor der Gleichrichtung stattfindet.

2. Relaissteuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Differentialtransformator wenigstens zwei in den beiden Phasen eines Zweiphasennetzes liegende Wicklungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wechselspannung an einem zwischen die beiden Phasen geschalteten Spannungsteiler (3 a, 4 a, 19, 19 a, 39, 39 a, 53 a, 54 a, 65 a, 65 b, 79 a, 79 b, 83, 84, 95, 96) abgenommen wird.

3. Relaissteuervorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement (8, 16) über ein Halbleiterelement (10, 22) an dem Relais (9, 21) anliegt.

4. Relaissteuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerspannung an einer der Hauptwicklungen abgenommen wird.

5. Relaissteuervorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Differentialtransformator noch eine dritte Wicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die an der dritten Wicklung (44) erscheinende Spannung einen mit dem Relais (41) in Reihe an dem durch die zusätzliche Wechselspannung aufgeladenen Speicherelement (36) liegenden Transistor (42) steuert.

6. Relaissteuervorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösespannung und die zusätzliche Wechselspannung in Reihe über eine Gleichrichterbrücke (57) an

dem Speicherelement (58) anliegen und daß der elektronische Schalter aus einer Flächendiode (60) des NPNP-Typs besteht, dessen Basis (61) mit einem Vorspannungskreis verbunden ist, der nur Widerstände oder eine Zenerdiode (63) aufweist, um die Auslösung zu gewährleisten.

7. Relaissteuervorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösespannung und die zusätzliche Wechselspannung in Reihe über zwei Gleichrichter (67, 68) an zwei hintereinandergeschalteten Speicherelementen (69, 70) anliegen, wobei die Reihenschaltung des Relais und einer NPNP-Diode (72) an den hintereinandergeschalteten Speicherelementen (69, 70) anliegt.

8. Relaissteuervorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter aus einem an sich bekannten bistabilen Kreis besteht, der zwei parallel geschaltete Flächentransistoren (75,76) aufweist, deren Kollektoren jeweils mit einem Widerstand (77, 78) in Reihe liegen und von denen der eine vom NPN-Typ und der andere vom PNP-Typ ist, wobei die Basis des einen jeweils mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden ist, während as zwischen den beiden Basen eine Zener-Diode (80) liegt.

9. Relaissteuervorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines Schutzrelais, das nicht auf einen differentiellen Blindstrom ansprechen soll, der Gleichrichterkreis für die Aufladung des elektrischen Energiespeichers ein an sich bekannter »Phasengleichrichter« ist, der nur die zur zusätzlichen Wechselspannung in einer bestimmten Phasenlage liegende Komponente gleichrichtet.

10. Relaissteuervorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichterkreis für die Aufladung des Speicherelements im Falle eines Schutzrelais, das nicht allein auf den differentiellen Blindstrom ansprechen soll, durch eine gegenüber der Spannung des Netzstromes um 90° phasenverschobene Spannung gespeist wird.

11. Relaissteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialtransformator Primärwicklungen mit verschiedenen Windungszahlen aufweist, so daß die Auslösung des Schutzrelais bei einer Unsymmetrie zwischen zwei Leitern in einem vorbestimmten Sinne erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1057 683;
Dosse, Der Transistor, München, 1957, S. 75 und 76;

Deutsche Elektrotechnik, 1958/5, S. 148/149.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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