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Überlastungsschutz für elektrische Anlagen Die Erfindung betrifft
einen Überlastungsschutz für elektrische Anlagen oder Anlagenteile, insbesondere
für Halbleitergleichrichter.
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Es ist bekannt, für den Überlastungsschutz thermische Abbilder der
zu schützenden Anlagen vorzusehen. Hierbei werden die thermischen Eigenschaften
des Schützlings durch thermische Eigenschaften eines maßstabsgetreuen Modells nachgebildet.
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Es ist ferner bekannt, Relais zu verwenden. Ihre Ansprechkennlinien,
die den Zusammenhang zwischen dem.zugeführten Strom und der Auslösezeit darstellen,
werden dabei so gewählt, daß sie den thermischen Größen des Schützlings entsprechen.
Es können den Relais Mittel zur Zeitverzögerung zugeordnet werden, die die thermischen
Verhältnisse des Schützlings nachbilden. Hierzu ist es bekannt, z. B. RC-Glieder
zu verwenden, deren Zeitkonstante so gewählt wird, daß sie der Zeitkonstanten für
die Erwärmung des Schützlings entspricht.
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Mit all diesen thermischen Abbildern kann man befriedigend nur solche
Schützlinge nachbilden, die im wesentlichen nur einen Wärmespeicher und nur eine
Wärmequelle besitzen, also relativ einfach aufgebaut sind. Je mehr Wärmespeicher
und -quellen ein Schützling aufweist, desto ungenauer ist die Nachbildung der thermischen
Verhältnisse mit nur einem Verzögerungsglied, d. h. mit nur einer Kennlinie. Dies
gilt im besonderen Maße für Halbleitergleichrichter, die sehr temperaturempfindlich
sind und die bereits durch geringe Übertemperaturen Schäden erfahren können. Der
Halbleiter selbst hat nur eine sehr geringe Wärmekapazität, während die den Halbleiter
umgebenden Teile eine große Wärmeaufnahmefähigkeit besitzen. Da ferner die Temperatur
des Halbleiters sich nach einer anderen Funktion erhöht als die Temperatur der umgebenden
Teile, sind die bekannten thermischen Abbildungen völlig unzureichend für den Schutz
von Halbleitergleichrichtern.
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Zum Schutz, insbesondere von Halbleitergleichrichtern, ist ein thermisches
Abbild bekannt, das außer einem Grenzwertmelder ein die Wärmeübergangsverhältnisse.
nachbildendes Netzwerk besitzt. Dieses besteht aus in Reihe geschalteten Widerständen,
die den Wärmewiderständen der einzelnen Teile entsprechen. Das Netzwerk enthält
ferner über die Widerstände parallel geschaltete Kapazitäten, die den Wärmekapazitäten
der einzelnen Teile entsprechen. Es sind außerdem eine ganze Reihe von Verstärkern
mit verschiedenen Kennlinien notwendig, um die Abhängigkeit der Erwärmungsverhältnisse
bei den einzelnen Teilen vom hindurchgehenden Strom nachzubilden. Dieses thermische
Abbild ist vor allem, bedingt durch die Vielzahl der Verstärker, recht aufwendig.
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Die Erfindung geht aus von einem überlastungsschutz für elektrische
Anlagen oder Anlagenteile, insbesondere für Halbleitergleichrichter, mit einem Grenzwertmelder
und einem aus in Reihe geschalteten Widerständen entsprechend den Wärmewiderständen
und aus parallel geschalteten Kapazitäten entsprechend den Wärmekapazitäten der
maßgeblichen Teile des Schützlings bestehenden, die Wärmeübergangsverhältnisse am
Schützling elektrisch nachbildenden Netzwerk. Die neue Lösung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Grenzwertmelder am Ausgang eines Rechenverstärkers liegt, der mit einem
die Wärmeübergangsverhältnisse am Schützling elektrisch nachbildenden zweipoligen
Netzwerk gegengekoppelt ist und dessen Eingang ein der Verlustleistung des Schützlings
entsprechender Strom zugeführt wird.
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Hierdurch wird der Aufbau des überlastschutzes erheblich einfacher
und günstiger als der des bekannten thermischen Abbildes; denn es ist grundsätzlich
nur ein kleiner Verstärker mit hoher Nullpunktkonstanz, d. h. ein Rechenverstärker,
erforderlich. Alle übrigen Aufgaben können mit einfachen elektrischen Schaltelementen
(Widerstände, Kondensatoren und gegebenenfalls Zenerdioden) gelöst werden.
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An Hand zweier Ausführungsbeispiele sei die Erfindung näher beschrieben.
Es zeigt F i g. 1 einen Überlastungsschutz für einen Siliziumgleichrichter mit wechselnder
Belastung, F i g. 2 einen Überlastungsschutz für einen Süiziumgleichrichter mit
vorwiegend konstanter Belastung, F i g. 3 und 4 Kennlinien für den Verlauf der Verlustleistung
in Abhängigkeit vom Strom durch einen Schützling.
In F i g. 1 ist
ein Impedanznetzwerk N dargestellt. Es enthält beispielsweise bei Nachbildung eines
Siliziumgleichrichters mit Kühlkörper eine Kapazität Cl, die der Wärmekapazität
des Siliziumplättchens entspricht, einen ohmschen Widerstand R1, der dem Wärmeübergangswiderstand
zwischen dem Siliziumplättchen und seiner Fassung entspricht, eine Kapazität Cz,
die der Wärmekapazität der Fassung des Siliziumplättchens entspricht. Der Wärmeübergangswiderstand
zwischen Fassung und Kühlkörper wird durch einen ohmschen Widerstand RV die Wärmekapazität
des Kühlkörpers durch den Kondensator C,; nachgebildet. Schließlich wird noch der
Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Kühlkörper und der Kühlluft durch den ohmschen
Widerstand R3 erfaßt.
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Wenn man diesem Netzwerk N einen eingeprägten Strom zuführen würde,
der den Verlusten im Schützling entspricht, so würde die Spannung an den Klemmen
des Zweipols der Temperatur des Halbleiterplättchens entsprechen. Die Realisierung
eines eingeprägten Stromes und die hochohmige Abnahme der Eingangsspannung des Zweipols
wären aber sehr aufwendig und würden den praktischen Gebrauch einer solchen Schaltung
in Frage stellen. Um jedoch mit einfachen Mitteln eine sichere Nachbildung des thermischen
Verhaltens des Schützlings zu erreichen, wird gemäß der Erfindung ein an sich bekannter
und vorzugsweise aus Halbleiterelementen bestehender Rechenverstärker RV vorgesehen
und dieser Verstärker mit dem Netzwerk N gegengekoppelt. Dem Eingang dieser Schaltung
wird ein der Verlustleistung entsprechender Strom zugeführt, der mit i, bezeichnet
ist. Dieser Eingangsstrom fließt praktisch in seiner Gesamtheit über das Netzwerk
N und ist dort mit ik bezeichnet. Am Ausgang der Schaltung tritt dann eine Spannung
U" auf, die der Temperatur des Halbleiterplättchens proportional ist. Zur Überwachung
desselben auf Überschreiten einer bestimmten zulässigen Grenztemperatur braucht
deshalb dem Ausgang der Netzwerk-Rechenverstärkerschaltung nur ein Grenzwertmelder
GM nachgeschaltet zu werden, der bei Überschreiten eines bestimmten Wertes der Spannung
U" ein Relais RE zum Ansprechen bringt. Das Relais wird dann mit seinem Arbeitskontakt
re einen nicht näher dargestellten Auslösekreis für den Leistungsschalter im Stromkreis
des Schützlings auslösen. Der Grenzwertmelder besteht entweder nur aus einem bei
Überschreiten einer bestimmten Spannung stromdurchlässig werdenden Ventil, beispielsweise
einer Zenerdiode Z4 allein oder weist einen nachgeschalteten Verstärker GV auf,
der die zur Betätigung des Relais notwendige Leistung aufbringt.
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Damit die Größe der Verlustleistung durch den Strom i, richtig dargestellt
werden kann, muß, da die Verlustleistung in Abhängigkeit vom Strom des Schützlings
nach einer quadratischen Funktion gemäß F i g. 3 verläuft, dafür gesorgt werden,
daß auch der Eingangsstrom des überlastschutzes in Abhängigkeit von der dem Strom
des Schützlings proportionalen Eingangsspannung einen solchen Verlauf hat wie die
Verlustleistung. Die Abhängigkeit des Eingangsstromes von der Eingangsspannung ist
in F i g. 4 dargestellt, und zwar wird durch ein Funktionsglied F dafür gesorgt,
daß der Eingangsstrom etwa einen der Verlustleistung entsprechenden Verlauf hat.
Dies gelingt dadurch, daß das Funktionsglied F aus einer Schaltungsanordnung besteht,
die ohmsche Widerstände R4, R5, R6 und Zenerdioden Z1, Z." Z.; enthält. Der ohmsche
Widerstand R6 stellt allein einen Parallelpfad dar zu den beiden anderen Parallelpfaden,
die aus der Reihenschaltung des ohmschen Widerstandes R5 mit der Zenerdiode Z3 bzw:
der Reihenschaltung des ohmschen Widerstandes R4 mit den beiden Zenerdioden Z1 und
Z, besteht. Die Eingangsspannung U, ist dabei dem Strom 1 nachgebildet und treibt,
solange die Zenerdioden Z1 bis Z" sperren, nur über den Widerstand R5 einen entsprechend
kleinen Eingangsstrom i, der im Abschnitt I linear mit der Eingangsspannung ansteigt,
so lange, bis der zweite Parallelpfad durch Leitendwerden der Zenerdiode Z.3 wirksam
wird. Der Strom steigt dann mit der Eingangsspannung entsprechend dem Abschnitt
1I in F i g. 4 weiter an, so lange, bis auch im dritten Parallelpfad die beiden
Zenerdioden Z1 und Z., stromdurchlässig werden. Dann verläuft der Strom gemäß Abschnitt
111 in F i g. 4 porportional mit der Zunahme der Spannung. Durch die vorgenannte
Schaltung, wie sie in ihrer Gesamtheit in F i g. 1 gezeigt ist, kann mit verhältnismäßig
einfachen Mitteln eine einwandfreie Nachbildung des thermischen Verhaltens eines
Schützlings erreicht und ein einwandfreier überlastschutz gewährleistet werden,
wobei die thermischen Verhältnisse bei wechselnder Belastung berücksichtigt sind.
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Wenn man die Eigenzeit des nicht näher dargestellten Leistungsschalters
für die Anlage etwa berücksichtigen will, braucht hierzu nur der Kondensator C1
im Netzwerk N weggelassen zu werden.
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Wenn die Nachbildung des thermischen Verhaltens eines Schützlings
realisiert werden soll, der meist konstant belastet wird, wie dies insbesondere
bei Gleichrichteranlagen in chemischen Betrieben der Fall ist, dann kann die Schaltung
nach der Erfindung vereinfacht werden, indem gemäß F i g. 2 das Funktionsglied F
in Fortfall kommt und lediglich ein dem Widerstand R6 entsprechender ohmscher Widerstand
R s' in den Eingangskreis des Rechenverstärkers geschaltet ist. Diese vereinfachte
Schaltung enthält zusätzlich eine Absaugspannung UH, die über einen Widerstand
R; zwischen dem Widerstand R6' und dem Eingang der Schaltung des Rechenverstärkers
und des Netzwerkes N' liegt.
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Das Netzwerk N' ist gegenüber dem in F i g. 1 benutzten Netzwerk N
etwas abgewandelt, und zwar ist der den Übergangswiderstand zwischen Kühlkörper
und Kühlluft nachbildende ohmsche Widerstand Rg weggelassen und auch der Kondensator
C1 in Fortfall gekommen. Solange die Eingangsspannung U,, dem Rechenverstärker einen
kleineren Strom zuführt, als er durch die Hilfsspannung UH abgeführt wird, wobei
diese Hilfsspannung einen Sollwert darstellt, liegt der Ausgang des Rechenverstärkers
in seiner positiven Endlage, und zwar deshalb, weil der Widerstand R3, wie bereits
erwähnt, weggelassen ist. Sobald der von der Eingangsspannung U, herrührende Strom
den von der Absaugspannung UH herrührenden Strom übersteigt, verschiebt sich die
Ausgangsspannung des Rechenverstärkers nach ihrem negativen Endwert zu, wobei die
Verschiebung um so schneller erfolgt, je größer die Differenz der beiden genannten
Ströme ist. Bei einem sprunghaften Auftreten der Differenzströme in der angegebenen
Polarität erhöht sich auch die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers entsprechend,
und zwar analog der durch den Widerstand R1 des Netzwerkes N' bedingten Proportionalverstärkung,
d.
h., ein plötzlicher Überstrom führt zu einer unverzögerten Auslösung des Leistungsschalters.
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Eine Schutzanordnung nach F i g. 2 entspricht also einem thermischen
Verhalten einer Anlage, bei der die Verlustwärme, die durch den Überstrom zusätzlich
erzeuge wird, nur von der Wärmekapazität des Schützlings, z. B. des Halbleitergleichrichters
und des Kühlkörpers, aufgenommen wird, während die zusätzliche Wärmeableitung durch
den Kühlluftstrom unberücksichtigt bleibt. Im praktischen Betrieb hat also eine
solche Anordnung die Wirkung, daß die Auslösung bei Überstrom etwas früher stattfindet,
als es bei Berücksichtigung der zusätzlichen Wärmeabfuhr der Fall sein würde, und
daß auch ein sehr kleiner Überstrom nach entsprechend langer Zeit zur Auslösung
führt. Diese vereinfachte Schaltung nach F i g. 2 hat außerdem den Vorteil, daß
der Grenzwertmelder GM von einfachem Aufbau und geringer Genauigkeit sein
kann, da ja die Ausgangsspannung einen wesentlich größeren Bereich durchläuft, als
dies beispielsweise bei der Anordnung nach F i g. 1 der Fall ist.
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Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht nur auf die
dargestellten Ausführungsbeispiele und für den Schutz von Halbleiterkörpern, sondern
kann ebensogut auch für andere Schützlinge verwendet werden, wenn die die Erwärmung
bedingende Verlustleistung entsprechend nachgebildet wird.