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Schutzeinrichtung für Stromversorgungsanlagen -
Die Erfindung
bezieht sich auf eine Verbesserung von Schutzeinrichtungen für Stromversorgungsanlagen,
und zwar insbesondere solche Anlagen, die ihre Verbraucher über einen Halbleiterkörper
aus Germanium oder Silizium enthaltende Halbleitergleichrichterelemente speisen.
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Solche Halbleitergleichrichterelemente haben eine spezifisch hohe
Stromtragfähigkeit. Sie sind aber thermisch sehr empfindlich gegen unzulässige Überlastungen.
Es ist daher eine Schutzeinrichtung erwünscht, deren Ansprechkennlinie für den Schutz
der Halbleitergleichrichterelemente möglichst an allen Stellen des zu überwachenden
überlastungsbereiches sich der Kennlinie der zulässigen Belastung bzw. überlastung
der Halbleitergleichrichtereleinente weitgehend annähert, denn das bedeutet eine
gute Ausnutzbarkeit der tatsächlichen Stromtragfähigkeit der Halbleitergleichrichtereleinente.
Im anderen Fall könnte die notwendige Rücksicht auf einen wirksamen Schutz einerseits
sowie die gleichzeitige notwendige Berücksichtigung einer jedoch nur unvollkommen
den angestrebten Effekt erreichbar machenden Schutzeinrichtung andererseits zu einer
Herabsetzung der möglichen zulässigen Strombelastung der Halbleitergleichrichterlemente
oder zu der Wahl eines größeren Typs zwingen, so daß sich im Endeffekt entweder
nur eine Kompromißlösung ergibt oder schließlich auch dann noch kein wirklich vollkommener
Schutz derHalbleitergleichrichterelemente erreicht ist.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß sich die hierdurch
vorgezeichnete Aufgabe lösen läßt, indem erfindungsgemäß mehrere gleichartige, abhängig
vom Verbraucherstrom erwärmte, jedoch in ihren thermischen Zeitkonstanten unterschiedliche
thermische, mit Deformation arbeitende und mechanisch in Reihe liegende überwachungsorgane
benutzt sind, wobei sie einander derart in gesamten zu überwachenden Bereich der
zulässigen überlastungskennlinie des Verbrauchers unterstützen, so daß die thermischen
Überwachungsorgane zusammen einen sich dieser überlastungskennlinie anpassenden
ungebrochenen Linienzug ergeben.
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Es gab unter der technischen Bezeichnung Wärmerelais bekannte Anordnungen
mit einer thermischen Auslösung und einer magnetischen Kurzschlußauslösung, bei
denen in thermischer Abhängigkeit ein Körper verformt wird, der entweder in Form
eines Streifens direkt vom elektrischen Strom durchflossen wird und dadurch unmittelbar
in ihm eine entsprechende Stromwärmeleistung entwickelt wird, oder der mittelbar
beheizt wird, indem an dem Wärmerelais für ihn eine Wicklung vorgesehen ist, deren
Stromwärmeleistung durch Wärmeübertragung auf ihn -übertragen wird.
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Im ersteren Fall zeigt es sich, daß bei geringen Überlastungen. nur
zu kurze Zeiten erreicht werden konnten, während im zweiten Fall eine erhebliche
Zeit bei geringen überlastungen, nur zu große Zeiten bei mittleren überlastungen
in der Größenordnung der 2,5- bis 4fachen Nennstromstärke erreicht werden
konnten, wobei aber dann gleichzeitig mit Rücksicht auf die Anlaßgröße von Verbrauchern,
wie Motoren, die magnetische Kurzschlußeinrichtung nicht auf allzu niedrige Werte
eingestellt werden konnte und in diesem Bereich die Auslösung der durch Wärmeübertragung
beheizten Auslöser eine Gefahrenquelle bilden konnte.
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Es wurde daher ein Relais mit drei auf einen gemeinsamen oder mehrere
zusammenwirkende Kontakte arbeitenden Betätigungseinrichtungen als eine geeignete
Lösung angesehen mit einem Wärmekörper mit Wicklung, also mittelbarer Beheizung
des Deformationskörpers bzw. Wärmeübertragung auf diesen, für den Bereich der geringen
überlastungen, mit einem direkt vom Strom durchflossenen Deformationskörper für
den Bereich der mittleren -Oberlastungen bis oberhalb des Anlaufstromes der Motoren
und mit einer magnetischen Kurzschlußauslösung, gegebenenfalls mit einer zusätzlichen
Verzögerungseinrichtung für den Bereich der großen überlastungen. Es wurde allso
einerseits sowohl von verschiedenartig arbeitenden Auslösern, elektromagnetischen
und thermischen, und selbst für die Erreichung der thermischen Auslösung wieder
mit voneinander in der Art der Beheizung sich unterscheidenden Einrichtungen gearbeitet.
Eine derartige Zusammenstellung ergibt offenbar jeweilig bevorzugte Bereiche nach
Zeitdauer und Stromwert der einzelnen voneinander
abweichend aufgebauten
anteiligen Auslöseorgane.
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Demgegenüber arbeiten bei der Erfindung die anteiligen thermischen
Auslöseorgane für die verschiedenen Bereiche mit einer stets grundsätzlich gleichartigen
Wirkungsweise, was sinngemäß zu einer engen Verwandtschaft in der Form der Einzelkennlinie
und der resultierenden Kennlinie der in mechanischer Reihenschaltung zusammenwirkenden
thermischen überwachungsorgane führt. Es läßt sich daher eine Anpassung der Ansprechkennlinie
der Auslöseeinrichtung an die Kennlinie der noch zulässigen Belastungen bzw. überlastungen
der Halbleitergleichrichterelemente und des Verbrauchers der Stromrichteranlage
relativ leicht erreichen.
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Es liegt sowohl im Rahmen der Erfindung, daß die thermischen Überwachungsorgane
entweder alle direkt als stromdurchflossene Widerstandsleiter oder alle indirekt
beheizt werden.
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Die thermischen überwachungsorgane können entweder vom vollen Verbraucherstrom
oder von einem diesem proportionalen bzw. anteiligen Strom durchflossen werden.
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Für den Fall, daß durch sie ein verhältnisgleicher - bzw. proportionaler
Strom hindurchgeschickt wird, kann die Speisung der überwachungsorgane abhän-gig
von der Spannung an einem im Wege des Belastungsstromes der Anlage liegenden Nebenwiderstand
erfolgen, es kann aber auch die Speisung der thermischen überwachungsorgane über
im Zuge des Belastungsstromes der Anlage liegende Stromwandler erfolgen.
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Zur Auslegung der thermischen überwachungsorgane für die bevorzugt
von ihnen zu beherrschenden Teilbereiche des gesamten zu überwachenden überlastungsbereiches
können verschiedene Maßnahmen an ihnen benutzt werden.
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So können die thermischen Teilüberwachungsorgane voneinander abweichende
Querschnitte erhalten. Ein anderer Weg würde sein, den thermischen Teilüberwachungsorganen
abweichende Oberflächenformen zu geben. Weiterhin können die thermischen Teilüberwachungsorgane
aus voneinander abweichenden Werkstoffen hergestellt sein.
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Es kann sich in gewissen Fällen im Rahmen der Erfindung als zweckmäßig
erweisen, die thermischen Teilüberwachungsorgane über Wärmeleitbrücken miteinander
zu verbinden oder unmittelbar thermisch miteinander zu koppeln oder in anderen Fällen
wieder die thermischen Teilüberwachungsorgane wärmeleitungsmäßig voneinander zu
entkoppeln und für diese Zwecke sinngemäß zwischen den in der mechanischen Reihenschaltung
aufeinanderfolgenden Teilüberwachungsorganen Zwischenstücke vorzusehen, welche als
thermische Entkopplungsorgane wirken, welche gegebenenfalls gleichzeitig auch die
Teilüberwachungsorgane elektrisch gegeneinander isolieren, so daß es sich dann in
diesem Falle als zweckmäßig bzw. notwendig ergibt, zwischen je zwei der aufeinanderfolgenden
Teilüberwachungsorgane jeweils eine elektrische Leitungsbrücke um die thermischen
Entkopplungsorgane herum vorzusehen, um die durchgehende elektrische Strombahn zu
schaffen.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand einer beispielsweisen
Ausführung wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.
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In der schematisch dargestellten Anordnung nach Fig. 1 nimmt
bei geschlossenem Schalter 11 der in der nicht besonders dargestellten Stromrichteranlage
fließende, zu überwachende Strom seinen Weg in elektrischer Reihenschaltung über
die untereinander verschiedenartig z.-B. in-ihrem Querschnitt ausgelegten tliermischen
Überwachungsorgane:1, 2 und 3 und über die Überbrückungsleitung- 4 z-wisäh7en'l
-und 2 sowie die überbrückungsleitung 5 zwischen 2 und 3.
Die thermischen
überwachungsorgane 1 und 2 sind über das sie thermisch gegenseitig entkoppelnde
und gleichzeitig gegeneinander elektrisch isolierende Zwischenteil 7, die
Organe 2 und 3 durch ein sinngemäßes Zwischenteil 6 mechanisch gekuppelt,
und sie sind Anteile einer mechanischen Reihenschaltung, zu der weiterhin der Sperrkörper
12, die vorgespannte Zugfeder 13 und die durch je eine Schraffur angedeutete
obere und untere Einspannstelle der Reihenschaltung gehören.
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Gegen die untere Fläche des Sperrkörpers 12 legt sich das Ende der
Klinke 8 dernur blockschaltbildmäßig angedeuteten Steuereinrichtung
9, deren Funktionsablauf und Einwirkung gemäß det Wirkungslinie
10 auf den Netzschalter 11 freigegeben wird, sobald die Summendehnung
der thermischen Dehnungsorgane 1 bis 3 einen zulässigen Wert überschreitet
und die Klinke 8 unter dem Sperrkörper im Uhrzeigersinne um ihre Achse hindurchlaufen
kann.
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Zur näheren Erläuterung des durch eine solche beispielsweise erfindungsgemäße
Anordnung erreichbaren Effektes wird nunmehr auf die F i g. 2 der Zeichnung
Bezug genommen. -
Diese Figur zeigt ein Schaubild, in welchem in der Ordinatenrichtung
das Verhältnis 1/1", nämlich des Iststromes zum Nennbelastungsstrom, z. B. des Verbraucherstromes,
und in der Abszissenrichtung die Zeit aufgetragen ist, innerhalb welcher die elektrische
Anlage geschützt werden soll. In dieses Schaubild ist die zulässige überlastkennlinie
für den Verbraucher bzw. für das aus den Halbleitergleichrichterelementen bestehende
Stromrichtersystem eingetragen und mit a bezeichnet.
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Ferner sind in diesem Schaubild noch drei weitere Kennlinien der thermischen
überwachungseinrichtung eingetragen.
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Die Kennlinie b' veranschaulicht die Wirkung, die hinsichtlich
der Anpassung der Kennlinie der thermischen überwachungseinrichtung an die Überkennlinie
a der zu schützenden Einrichtung erreicht werden könnte, wenn in der thermischen
überwachungseinrichtung nur ein überwachungsorgan, also z. B. nur ein Draht
1 benutzt würde. Es würde dann, beispielsweise wie dargestellt, eine Anpassung
der Kennlinie der thermischen überwachungseinrichtung an der überlastkennlinie der
zu schützenden Einrichtung nur in dem in der Figur rechts liegenden Bereich bei
langen Zeiten möglich sein. Werden je-
doch statt eines solchen Drahtes zwei
mechanisch in Reihe geschaltete thermische überwachungsorgane, wie z. B. it und
2, benutzt, so gelingt es, in Anpassung an die Kennlinie a eine Kennlinie zu erreichen,
wie sie mit Y' bezeichnet ist. Es ist zu erkennen, daß die Keianlinie dieser aus
zwei in ihrer Wirkung kombinierten Teilüberwachungsorgane, z. B. 1 und 2
bestehenden Einrichtung über einen wesentlich größeren Bereich der überlastkennlinie
a der zu schützendenEinrichtung angepaßt ist. DieseWirkung läßt sich über einen
noch größeren Bereich ausdehnen, indem mehr als zwei thennische Teilüberwachungsorgane
in
einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Anwendung gelangen. Das veranschaulicht
die Kennlinie b... bei Anwendung dreier Teilüberwachungsorgane, wie z. B.
1, 2 und 3.
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Die strom- und zeitabhängige Wirkung einer solchen Anordnung nach
F i g. 1 mit mehreren in Reihe geschalteten Teilüberwachungsorganen ist etwa
die nachfolgende.
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Wird eine solche mechanische Reihenschaltung von thermischen Teilüberwachungsorganen
durch einen relativ großen Strom durchflossen, so wird im wesentlichen zunächst
das thermische Teilüberwachungsorgan mit dem geringsten Querschnitt, nach dem Ausführungsbeispiel
also das mit 3 bezeichnete, am intensivsten aufgeheizt werden, so daß es
bevorzugt vor den anderen eine Längenausdehnung erfahren und somit die Auslösung
der Schutzeinrichtung durch Freigabe der Klinke 8 herbeiführen wird. Treten
jedoch nur relativ kleine überströme auf, so werden sich alle drei Drähte
1 bis 3 entsprechend dem Stromdurchfluß stromabhängig bzw. stromwärmeabhängig
aufheizen, bis schließlich die Summe der Dehnungen aller drei thermischen überwachungsorgane
1 bis 3 die Ursache der Auslösung der Schutzeinrichtung durch Freigabe
der Klinke 8 sein wird.