-
Elektrische überlastungsschutzschaltung Die Erfindung betrifft eine
elektrische überlastungsschutzschaltung mit einer überstrommeßstufe, einer konstanten
Spannungsquelle und wenigstens einem Verzögerungskreis.
-
Es sind elektromagnetische überstromrelais bekannt, bei denen eine
von der Größe des überstromes abhängige Verzögerungszeit wirksam ist und bei Überschreiten
eines bestimmten Überstromwertes eine Schnellauslösung stattfindet.
-
Es ist auch eine elektronische Kurzschlußschutzschaltung bekannt,
bei welcher der zu schützende Verbraucher bei Auftreten einer Überlastung nach einer
Verzögerungszeit abgeschaltet wird, die mit zunehmender überlastung kürzer wird.
Wenn - die Ursache der überlastung beseitigt worden ist, muß diese Schutzschaltung
von Hand durch Betätigen eines Druckkontaktes wieder in den Zustand zurückgestellt
werden, in dem sie auf eine neuerliche überlastung ansprechen kann.
-
Abgesehen davon, daß bei dieser bekannten Schaltung keine Schnellauslösung
vorgesehen ist, wird auch die Notwendigkeit der Handbetätigung zur Rückstellung
als nachteilig empfunden.
-
Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß
ein Verzögerungskreis vorgesehen ist, der an der Überstrommeßstufe anliegt und nach
einer vorherbestimmten Verzögerungszeit in Abhängigkeit von einem an die überstrommeßstufe
angelegten Signal, das eine größere Amplitude als ein erster vorherbestimmter Wert
hat, ein Schutzrelais betätigt, sowie ein sofort ansprechender Schaltkreis, welcher
ebenfalls an der überstrommeßstufe anliegt und in Abhängigkeit von einem an die
überstrommeßstufe angelegten Signal, das eine größere Amplitude als ein zweiter
vorherbestimmter Wert hat, das Schutzrelais sofort betätigt, und daß zwischen der
überstrommeßstufe einerseits und dem Verzögerungskreis sowie dem sofort ansprechenden
Schaltkreis andererseits eine Speicherstufe vorgesehen ist, die zur schnellen automatischen
Rückstellung des Relais, des Verzögerungskreises und gegebenenfalls sofort ansprechenden
Schaltkreises sogar im Falle einer andauernden überlastung dient.
-
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, bei welcher der
sofort ansprechende Schaltkreis einen Schalttransistor mit einem leitenden und einem
nichtleitenden Zustand aufweist, ist vorgesehen, daß der Schalttransistor durch
eine erste mittels einer Zenerdiode stabilisierten Spannung in einen ihrer Zustände
vorgespannt ist und daß sie in ihrem anderen Zustand durch eine zweite Spannung
vorgespannt wird, welche mittels einer Zenerdiode stabilisiert ist und von demjenigen
Signal abhängt, welches eine größere Amplitude als der zweite vorherbestimmte Wert
hat.
-
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist erfindungsgemäß
vorgesehen, daß der Schaltkreis temperaturkompensierende Mittel zur Kompensation
von Änderungen der Umgebungstemperatur aufweist.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung, deren
einzige Figur den Schaltplan des Ausführungsbeispieles zeigt.
-
Die Schaltung kann zweckmäßigerweise in eine überstrommeßstufe, einen
Verzögerungskreis, eine Fehleranzeige- und Ausgangsstufe, ein Netzteil, einen sofort
ansprechenden Schaltkreis und eine Speicherstufe unterteilt werden.
-
Die überstrommeßstufe besteht aus einem Transformator 1, einem von
einen Widerstand 2 und einen Kondensator 3 gebildeten Begrenzer, einem Regelwiderstand
4, welcher in Reihe mit einem Regelwiderstand 5 zur Feineinstellung geschaltet ist,
ferner einer Zweiweggleichrichterbrücke 6, einem Glättungskondensator 7, der parallel
zu einem festen Widerstand 8 liegt, einem in Reihe mit einem festen Widerstand 10
liegenden Regelwiderstand 9, einem festen
Widerstand 11, einem n-p-n-Transistor
12 und endlich einer Germaniumdiode 62.
-
Zweckmäßigerweise besteht die Primärwicklung des Transformators 1
aus zwei Teilwicklungen, die in Abhängigkeit von der Stromeinstellung entweder in
Reihe oder parallel geschaltet werden können. Der Regelwiderstand 4 bildet
eine veränderliche Belastung für die Sekundärseite des Transformators 1, womit eine
stetig veränderliche Vervielfachereinstellung erhalten wird. Irgendwelche an der
Sekundärseite des Transformators 1 erscheinende Stoßspannungen rufen einen Strom
hervor, welcher den Kondensator 3 auflädt und einen Spannungsabfall an dem Widerstand
2 bewirkt, so daß die Gleichrichterbrücke 6 und die anderen Schaltelemente der Schaltung
auf Grund des so gebildeten Begrenzers vor der Zerstörung bewahrt werden.
-
Die an den Widerständen 4 und 5 auftretende Wechselspannung wird durch
die Brücke 6 gleichgerichtet, durch den Kondensator 7 geglättet und an den Transistor
12 angelegt, um ihn in dem Sinne vorzuspannen, daß er sperrt. Beim Anlaufen übertrifft
diese »Nicht-Leitungs«-Vorspannung eine »Leitungs«-Vorspannung, welche von einer
später zu beschreibenden stabilisierten Spannungsquelle über einen Widerstand 11
an den Transistor 12 angelegt wird. Dadurch leitet der Transistor 12 nicht mehr,
und der Verzögerungskreis kann, wie im folgenden beschrieben wird, mit dem Verzögerungsarbeitsgang
beginnen.
-
Der Verzögerungskreis besteht aus einem Tantalkondensator 20, einem
Widerstand 21 und einer Diode 22.
-
Die Verzögerungsspannung wird von der erwähnten stabilisierten Versorgungsspannung
abgenommen. Wenn der Transistor 12 der überstrommeßstufe beim Anlauf nichtleitend
gemacht wird, beginnt sich der Kondensator 20 über den Widerstand 21 aufzuladen.
-
Die Aufladungszeit auf eine vorbestimmte Relaisbetriebsspannung entspricht
der begrenzten Verzögerungszeit der Schutzschaltung. Die Größe der Verzögerungszeit
hängt von den Eigenschaften der Fehleranzeige- und Ausgangsstufe ab, insbesondere
von der Spannung, die am Kondensator 20 liegen muß, um eine vorher eingestellte
Vorspannung zu übertreffen, welche einen Transistor der Fehleranzeige- und Ausgangsstufe
leitend macht. Dies wird im folgenden näher beschrieben. Diese Verzögerungszeit
hängt jedoch nicht von dem Wert des überstromes ab, da die Aufladungsspannung wegen
der Stabilisierung konstant bleibt.
-
Die Aufgabe der im Kollektorausgangskreis des Transistors 12 liegende
Diode 22 besteht darin, zu verhindern, daß der Kondensator durch einen Streustrom
von einem Transistor der Fehleranzeige- und Ausgangsstufe aufgeladen wird, an dessen
Basis die Diode 22 anliegt. Dieser Streustrom könnte beim Fehlen der Diode 22 als
Folge von Temperaturänderungen eine Veränderung der Verzögerungszeit bewirken.
-
Die Fehleranzeige- und Ausgangsstufe besteht aus einem n-p-n-Transistor
30, einem p-n-p-Transistor 31,
einer Zenerdiode 32, den Widerständen
33, 34, 35 und 36, einem Potentiometer 37, einem Hilfsrelais 38 und einem Kondensator
39.
-
Wenn die Spannung am Kondensator 20 des Verzögerungskreises
eine an das Potentiometer 37 angelegte, vorher eingestellte Spannung überschreitet,
beginnt der Transistor 30 zu leiten und ruft eine Spannung an seinem Ausgangswiderstand
33 hervor. Diese Spannung spannt den Transistor 31 im Sinne einer Leitung vor, wodurch
das Hilfsrelais 38 erregt wird, welches im Kollektorausgangskreis des Transistors
31 liegt. Die Zenerdiode 32 und der Widerstand 36 stabilisieren die Vorspannung
am Potentiometer 37. Der Kondensator 39 ist dazu vorgesehen, den Transistor 31 vor
hohen induzierten Spannungen während der Schaltperioden des Hilfsrelais 38 zu schützen.
-
Das Netzteil besteht aus einem Transformator 40,
einem Begrenzer
mit einem Widerstand 41 und einem Kondensator 42 sowie aus einem Widerstand
43,
einem Glättungskondensator 44, einer Zweiweggleichrichterbrücke 45 und
einer Zenerdiode 46.
-
Wie der Transformator 1 der überstrommeßstufe besitzt der Transformator
40 des Netzteiles eine Primärwicklung mit zwei Teilwicklungen, welche wahlweise
entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden können. Die Wicklungen können
ebenso wie die Primärwicklung des Transformators 1 im Betrieb so geschaltet werden,
daß sie durch den Belastungsstrom des durch die Schaltung zu schützenden Systems
oder einen hierzu proportionalen Strom erregt werden. Dieser Strom induziert in
der Sekundärwicklung des Transformators 40 eine Spannung. Der Transformator
40 ist so ausgebildet, daß er bei vollem Belastungsstrom gesättigt ist. Wegen dieses
Sättigungsmerkmals und der durch die Zenerdiode 46 bewirkten Spannungsregelung
ist der Transformator 40 im Gegensatz zu dem Transformator 1 nicht
mit einer stetig veränderlichen Einstellung in Form einer veränderlichen Belastung
versehen. Sättigungsspitzen und andere Stoßvorgänge werden mittels des aus dem Widerstand
41 und dem Kondensator 42 bestehenden Begrenzer begrenzt. Die Sekundärspannung
des Transformators 40 wird durch die Gleichrichterbrücke 45 gleichgerichtet,
mittels des Kondensators 44 geglättet und durch die Zenerdiode 46 und den Widerstand
43 stabilisiert.
-
Der sofort ansprechende Schaltkreis besteht aus einem n-p-n-Transistor
50, einem Thermistor 51, den festen Widerständen 52 und 53, einem
in Reihe mit dem veränderlichen Widerstand 55 liegenden festen Widerstand
54, einem weiteren festen Widerstand 56,
einem Kondensator 57, den
Zenerdioden 58, 59 und 63, einer Germaniumdiode 60 und einem Potentiometer
61. Im Betrieb ist der Transistor 50 normalerweise auf Grund einer
am Potentiometer 61 liegenden, durch die Zenerdiode 59 stabilisierten Vorspannung
nichtleitend. Eine zweite Vorspannung, welche den Transistor 50 leitend macht, wird
von der Überstrommeßstufe über die Zenerdiode 58 abgenommen, welche in Reihe
mit der Germaniumdiode 60 und den Widerständen 54 und 55 liegt. Die
Zenerdiode 63 ist vorgesehen, um diese zweite Vorspannung am Transistor 50
zu begrenzen. Nur die am Widerstand 54 entstehende Spannung wird zur Steuerung des
sofort ansprechenden Schaltkreises verwendet. Der Wert dieser Spannung wird mittels
des veränderlichen Widerstandes 55 eingestellt. Der Kondensator 57 dient
zur Glättung. Der höhere, vorher bestimmte Stromwert in dem durch die Schaltung
geschützten System, bei dem die Schaltung sofort anspricht, hängt von der Einstellung
des Potentiometers 61 ab. Letzteres ist gewöhnlich für einen Einstellbereich
zwischen 200 und 8()0'% der Voll-Last eingerichtet. Wenn die
zweite
Vorspannung die »Nicht-Leitungs«-Vorspannung übertrifft, beginnt der Transistor
50 zu leiten und an dem Widerstand 33 der Fehleranzeige- und Ausgangsstufe entsteht
eine Spannung. Diese Spannung spannt den Ausgangstransistor 31 in leitendem Sinne
vor, worauf das Hilfsrelais 38 erregt wird.
-
Da der Transformator 1 der überstrommeßstufe sich bei etwa 150 19/o
der Voll-Last zu sättigen beginnt, ist das Betriebssignal für den sofort ansprechenden
Schaltkreis sehr klein. Um diesen kleinen Spannungsanstieg zur Steuerung des sofort
ansprechenden Schaltkreises voll auszunutzen, ist an Stelle eines Widerstandes die
Zenerdiode 58 in der diese Diode und die Widerstände 54 und 55 aufweisenden Spannungsteilerkette
vorgesehen. Dadurch wird ein Teil der Betriebsspannung der Schutzschaltung konstant
gehalten, so daß der volle Spannungszuwachs am Widerstand 54 liegt.
-
Die in Reihe mit der Zenerdiode 58 liegende Germaniumdiode 60 trägt
dazu bei, diese Spannung bei einer Temperaturänderung konstant zu halten. Eine weitere
Temperaturkompensation erfolgt durch den Thermistor 51, welcher parallel zum Widerstand
53 liegt. Die Zenerdiode 63 ist zur Begrenzung der an die Basis des Transistors
50 angelegten Spannung vorgesehen, welche sonst bei einer sehr schweren Störung
diesen Transistor beschädigen oder zerstören könnte.
-
Die Speicherstufe besteht aus einem Kondensator 70 und einer Diode
71.
-
Wenn die Kapazität des Kondensators 70 groß ist, kann man die Zeitkonstanten
der Fehleranzeige- und Ausgangsstufe und des Verzögerungskreises auf einem niedrigen
Wert halten und somit eine im wesentlichen sofortige Rückstellung des Hilfsrelais
38 sowie eine Schnellaufladung des Verzögerungskondensators 20 gewährleisten, wenn
die Schutzschaltung bei einem Fehler eingeschaltet wurde. Andererseits muß die Zeitkonstante
für die Versorgung an dem Transistor 12 lang genug sein, um zu gewährleisten, daß
dieser solange leitet, bis sich der Verzögerungskondensator 20 nach einem Auslösevorgang
vollständig entlädt. Andernfalls würde der Zusammenbruch des Belastungsstromes und
der nachfolgende Zusammenbruch der Leitungsvorspannung des Transistors 12 diesen
schnell leitend machen und somit den Entladungsweg für den Verzögerungskondensators
20 unterbrechen. Die Zeitkonstanten der Ausgangsstufe und des Verzögerungskreises
werden also durch die niedrige Kapazität des Konden- ; Bators 44 kurz gehalten.
Die Zeitkonstante der die Basis des Transistors 12 leitend machenden Vorspannung
12 wird durch geeignete Wahl der Kapazität des Kondensators 70 der Speicherstufe
auf einen großen Wert gebracht. Die letztgenannte Zeitkonstante kann ; durch die
Sperrwirkung der Diode 71 die zuerst genannten Zeitkonstanten nicht. beeinflussen.
-
Der Speicherkreis ist von besonderer Bedeutung, wenn die Schutzschaltung
in einem System verwendet werden soll, bei dem die Kreisunterbrecher so angeordnet
sind, daß sie nach einem Auslösevorgang automatisch wieder schließen. In derartigen
Systemen ist die schnelle Wiedereinstellung der Schutzschaltung wichtig, so daß
im Falle eines Dauerfehlers im System die Verzögerungszeit für den zweiten Aus-
e lösevorgang die gleiche wie für den ersten ist. Die Genauigkeit der Verzögerung
ist für eine genaue Diskrimination wichtig.