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Elektronische Anregeschaltung, insbesondere für überstromzeitrelais
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Anregeschaltung, insbesondere
für überstromzeitrelais, mit einer über einen RC-Kreis angesteuerten Doppelbasisdiode,
bei deren Zünden ein Steuerimpuls abgegeben wird.
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Anrege- oder Ansteuerschaltungen dienen zur Überwachung von Meßgrößen.
Sofern die jeweils überwachte Meßgröße einen vorgegebenen, mittels der Anregeschaltung
eingestellten Wert überschreitet, spricht die Anregeschaltung an und gibt ein Signal
für eine nachgeschaltete Einrichtung ab. Bei der Anwendung in überstromzeitrelais
wird durch dieses Signal meist ein Zeitkreis gestartet, dessen Zeitablauf beispielsweise
in Abhängigkeit von für eine zu schützende Leitung gewählten Staffelstufen eingestellt
ist.
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Es ist bereits eine Auslöseschaltung für einen elektrischen Leistungsschalter
bekannt, bei der ein Zeitkreis aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen und einem
Kondensator vorgesehen ist. Einem Widerstand des Zeitkreises liegt eine Zenerdiode
parallel. überschreitet der Spannungsabfall an diesem Widerstand die Zenerspannung,
erfolgt eine entsprechend schnellere Aufladung des Kondensators. Parallel zum Kondensator
liegt der Kontakt eines elektromechanischen Anregerrelais. Bei Erregung desselben
öffnet der Kontakt und gibt damit den Ablauf des Zeitkreises frei. An eine Klemme
des Kondensators ist weiter der Emitter einer Doppelbasisdiode angeschlossen. Diese
geht in den leitenden Zustand über, sobald die Kondensatorspannung eine vorgegebenen
Wert erreicht hat und gibt dann einen Zündimpuls an eine nachgeschaltete Vierschichttriode
ab. Bei der bekannten Auslöseanordnung ist also ein elektromechanisches Anregerrelais
vorhanden. Die Doppelbasisdiode ist erst dem von einem RC-Glied gebildeten Zeitkreis
nachgeschaltet. Die Möglichkeit der übersteuerung der Doppelbasidiode durch große
Überströme tritt daher nicht auf.
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Außerdem ist eine Schutzeinrichtung für elektrische Stromkreise bekanntgeworden,
bei der eine Auslöseeinrichtung für einen Schalter von einer Doppelbasisdiode angesteuert
wird, sobald die Spannung eines Kondensators einen durch die Zündspannung vorgegebenen
Wert erreicht hat. Der Kondensator gehört ebenfalls zu einem Zeitkreis, der von
dem Kondensator und mehreren mit diesem in Reihe liegenden Widerständen gebildet
wird. Den Widerständen sind teilweise Zenerdioden parallel geschaltet, um ein gewünschtes
Zeitverhalten zu erzielen. Die Freigabe des Zeitkreises erfolgt durch einen "Transistor,
der von einer elektronischen Anregeschaltung gesteuert wird. Die Anregeschaltung
umfaßt einen sättigbaren Transformator, der einen Vollweggleichrichter speist. Dem
Gleichrichter ist eine Brückenanordnung nachgeschaltet, zu der eine Zenerdiode,
eine Doppelbasisdiode sowie verschiedene Widerstände gehören. Der Spannungsabfall
an einem dieser Widerstände steuert den für die Freigabe des Zeitkreises vorgesehenen
Transistor. Die Übersteuerungssicherheit bei großen überströmen wird bei dieser
Anregeschaltung mittels des Sättigungstransformators erzielt. Durch diesen Transformator,
den Vollweggleichrichter und die Zenerdiode ergibt sich ein erheblicher Aufwand.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, ist es bekannt, insbesondere für die
Ansteuerung von Vierschichttrioden, Anrege- oder Ansteuerschaltungen vorzusehen,
bei denen eine Doppelbasisdiode über einen RC-Kreis angesteuert wird. Der beim Zünden
der Doppelbasisdiode abgegebene Impuls bewirkt das Zünden der Vierschichttriode,
von der dann weitere Steuerungsfunktionen eingeleitet werden. Als Anregeschaltung
für Schutzrelais lassen sich die bekannten Zündschaltungen mit Doppelbasisdiode
jedoch vor allem wegen einer möglichen Übersteuerung der Doppelbasisdiode bei sehr
großen überströmen nicht verwenden. In einem derartigen, betriebsmäßig zu berücksichtigenden
Fall bleibt nämlich die Doppelbasisdiode gezündet. Die sichere Funktion eines Schutzrelais
ist dann in Frage gestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anregeschaltung zu
erstellen, die auf ungeglätteten Gleichstrom als Abbild eines primären mehrphasigen
Wechselstroms möglichst unverzögert anspricht und deren Ansprechwert sowie Betriebssicherheit
auch durch große überströme nicht beeinträchtigt wird. Weiter soll die Leistungsaufnahme
der Anregeschaltung gering sein und der Ansprechwert über lange Zeit konstant bleiben.
In der Ausbildung als zeitabhängige Anregeschaltung wird ferner gefordert,
daß
der Zeitkreis bei Wegfall der Anregebedingung sehr schnell wieder zurückgestellt
wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der eingangs erwähnten elektronischen
Anregeschaltung dadurch gelöst, daß der an den Emitter der Doppelbasisdiode angeschlossene
Widerstand des RC-Kreises mit einem von einer dreiphasigen Eingangsschaltung gespeisten
Spannungsteiler verbunden ist und aus zwei Widerständen besteht, an deren Verbindungspunkt
eine mit der zweiten Basis verbundene Diode angeschlossen ist, die mit der Emitter-Basis-2-Strecke
der Doppelbasisdiode gleichsinnig gepolt ist.
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Der erfindungsgemäße Aufbau der Anregeschaltung gestattet eine derartige
Auslegung, daß die Schaltung praktisch auf den Momentwert einer pulsierenden Gleichspannung
in jeder Halbperiode anspricht, sofern ein vorgegebener Ansprechwert überschritten
wird. Es ist also kein Glättungskondensator erforderlich, womit auch die Verwendung
dreiphasiger Eingangsschaltungen ermöglicht wird. Unerwünschte Ansprechverzögerungen
durch einen Glättungskondensator entfallen. Die von dem Kondensator des RC-Kreises
bewirkte Zeitverzögerung ist in diesem Zusammenhang unerheblich, da dessen Zeitkonstante
gegenüber der Periodendauer der zu messenden Wechselspannung klein gewählt wird.
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Die Aufteilung des an den Emitter der Doppelbasisdiode angeschlossenen
Widerstandes in zwei Widerstände und das Einfügen einer Diode zwischen dem Verbindungspunkt
der Widerstände und der Basis 2 der Doppelbasisdiode ergibt folgende weitere Vorteile:
Bei einer Parallelschaltung von zwei Anregeschaltungen werden diese den ersten Teilwiderstand
entkoppelt. Da der erste Teilwiderstand sogar hochohmig gewählt werden kann, ist
diese Entkoppelung günstigerweise auch wirksam, wenn bei einer übersteuerung die
an den Verbindungspunkt der beiden Widerstände angeschlossene Diode leitend wird
und - bezogen auf die Doppelbasisdiode - ihre spannungsbegrenzende Funktion ausübt.
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Bei sehr hohen Überströmen verhindert die Diode, daß die Doppelbasisdiode
über das Minimum ihrer Kennlinie hinaus gesteuert wird. Die Doppelbasisdiode gibt
nämlich jeweils einen Impuls ab, sobald der Momentanwert der pulsierenden Eingangsspannung
einen eingestellten Wert überschreitet. Diese Impulsgabe fällt jedoch bei einer
Übersteuerung weg. Wird die Anregeschaltung in Verbindung mit impulsgesteuerten
Verzögerungsschaltungen verwendet, ist ein derartiger Wegfall gleichbedeutend mit
einem Wegfall der Anregebedingung und ergibt ein nicht zulässiges Verhalten der
Schaltung. Weiter ist bei der erfindungsgemäßen Anregeschaltung günstig, daß zur
Erzeugung der Steuerimpulse nur ein einfaches Bauteil, nämlich die Doppelbasisdiode,
verwendet wird. Ihr Ansprechwert ist auch über lange Zeiten sehr konstant. Gegenüber
Verstärkerschaltungen oder Meßtriggerschaltungen mit zwei oder mehr Transistoren
treten dabei Schwierigkeiten infolge Drift oder Kompensation temperaturabhängiger
Größen praktisch nicht auf, obwohl der Eingangskreis hochohmig ist.
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Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen An- i regeschaltung in einem
Überstromzeitrelais ist es günstig, den Zeitkreis aus einem niederohmigen Zweig
zu erstellen, zu dem parallel ein RC-Kreis mit hochohmigem Widerstand geschaltet
ist und wobei ferner der Verbindungspunkt des hochohmigen Widerstandes mit dem Kondensator
über eine Diode an einen Abgriff eines Widerstandes im niederohmigen Zweig angeschlossen
ist. Durch diese Auslegung des Zeitkreises lassen sich sowohl eine kurze Rückstellzeit
desselben wie auch große und insbesondere kleine Verzögerungszeiten mit einfachen
Mitteln - nämlich durch Einstellung eines einfachen niederohmigen Potentiometers
- erreichen.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand des in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels eines Schutzrelais mit verzögerter und Schnellauslösung
näher erläutert werden.
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Die Ströme in den Phasen R, S, T eines nicht dargestellten Netzes
bilden die primären Meßgrößen eines in der Figur gezeigten Schutzrelais. Sie werden
über Wandler WR, Ws, WT zugeführt. Jedem Wandler WR, Ws, WT sind Gleichrichter 1,
2, 3 in Mittelpunktschaltung sowie Abgleichwiderstände nachgeschaltet. Die Mittelabgriffe
der Sekundärwicklungen der Wandler WR, Ws, WT sowie die Kathoden aller Gleichrichter
sind jeweils miteinander verbunden. Die Meßgröße liegt damit zwischen den Mittelabgriffen
und den Kathoden an. Zur Überwachung der drei Phasen R, S, T des Netzes ist also
nur ein Schutzrelais erforderlich.
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Die Kathoden der Gleichrichter 1, 2, 3 und die Mittelanzapfungen der
Wandler sind über zwei von Widerständen 4, 5, 6 bzw. 7, 8, gebildete Spannungsteiler
miteinander verbunden. Die Widerstände 5 bzw. 7 sind einstellbar. Sie dienen zur
Einstellung von Ansprechwerten. Dem Widerstand 5 bzw. 7 ist weiter noch ein einstellbarer
Anpassungswiderstand 10 bzw. 9 nachgeschaltet, an dem ein RC-Kreis 17, 18, 19 bzw.
11, 12, 13 angeschlossen ist.
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Der RC-Kreis 17, 18, 19 bzw. 11, 12, 13 besteht aus einem ersten Widerstand
17 bzw. 11 und einem zweiten Widerstand 18 bzw. 12. Der Emitter einer Doppelbasisdiode
21 bzw. 15 ist an den Verbindungspunkt des zweiten Widerstandes 18 bzw. 12 mit dem
Kondensator 19 bzw. 13 angeschlossen. Die Widerstände 17, 18 bzw. 11, 12 und der
Kondensator 19 bzw. 13 sind derart bemessen, daß die Zeitkonstante klein gegenüber
der Periodendauer der zu messenden Wechselspannung ist. Die sich bei der Messung
ergebenden Verzögerungen bleiben daher vernachlässigbar klein. Da ferner auch bei
der von den Gleichrichtern 1, 2, 3 und Widerständen 4 bis 8 gebildeten Eingangsschaltung
kein Glättungskondensator vorgesehen ist, kommt der Vorteil einer praktisch unverzögerten
Messung voll zur Geltung. Darüber hinaus ermöglicht der Wegfall des Glättungskondensators
die Überwachung von drei Phasen eines Netzes mit einem einzigen Überstromrelais.
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An den Verbindungspunkt des Widerstandes 17 mit dem Widerstand 18
bzw. 11 mit 12 ist eine Diode 20 bzw. 14 angeschlossen, die ferner noch mit der
zweiten Basis der Doppelbasisdiode 21 bzw. 15 verbunden ist. Sie ist gleichsinnig
mit der Emitter-Basis-2-Strecke gepolt. Die Basis 1 von 21 bzw. 15 ist über einen
Widerstand 22 bzw. 16 mit der Bezugsleitung 47 verbunden. Von den Widerständen 17,
18 bzw. 11, 12 ist zumindest der erste Widerstand 17 bzw. 11 hochohmig ausgelegt.
Dadurch wird eine Rückwirkung, insbesondere des Meßkreises
der
Doppelbasisdiode 15, bei einem Leitendwerden der Diode 14 bzw. 20 (infolge
eines sehr großen Überstromes) auf den jeweiligen anderen Meßkreis vermieden. Der
Widerstand 18 bzw. 12 verhindert im Zusammenwirken mit der spannungsbegrenzenden
Diode 20 bzw. 14 eine Übersteuerung der Doppelbasisdiode 21 bzw. 15, bei der diese
über das Minimum ihrer Kennlinie hinaus (Überschreitung des Talstromes) gelangen
könnte. In diesem Fall wäre sonst bei Vorliegen eines entsprechenden Überstromes
die Abgabe eines Impulses in jeder Halbperiode der überwachten Wechselspannung in
Frage gestellt. Die von der Doppelbasisdiode 21 bzw. 15 bei ihrem Ansprechen abgegebenen
Impulse werden dabei am Widerstand 22 bzw. 16 abgegriffen.
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Bei der im wesentlichen durch die Anregeschaltung 17, 18, 19, 20,
21, 22 gebildeten Schnellstufe ist der Verbindungspunkt von 21 mit 22 über eine
Reihenschaltung aus einem Widerstand 41 und einer Trenndiode 42 an den Steuereingang
einer Vierschichttriode 43 angeschlossen.
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An den Verbindungspunkt der Doppelbasisdiode 15 mit dem Widerstand
1.6 ist der Steuereingang einer Vierschichttriode 23 angeschlossen, die in Reihe
mit einem Widerstand 24 sowie einem Kondensator 25 liegt. Parallel zum Kondensator
25 sind Widerstände 26, 27 geschaltet. Die Zeitkonstante des aus 25, 26, 27 gebildeten
RC-Kreises ist derart gewählt, daß von der Doppelbasisdiode 15 abgegebene Steuerimpulse
auf etwa eine halbe Periode verlängert werden. An den Verbindungspunkt der Widerstände
26, 27 ist die Basis eines Transistors 29 angeschlossen, dessen Emitter über eine
Diode 28 mit der anderen Klemme des Widerstandes 27 verbunden ist. An den Kollektor
des Transistors 29 ist ein niederohmiger Zweig eines Zeitkreises angeschlossen,
der aus einer Reihenschaltung eines Potentiometers 32 und eines Einstellwiderstandes
33 besteht. Eine Klemme von 33 sowie dessen Abgriff sind mit der Leitung 47 verbunden.
Mit dem Potentiometer 32 wird die jeweils gewünschte Verzögerungszeit eingestellt.
Der Widerstand 33 dient zur Anpassung an den jeweiligen Skalenendwert der Zeitskala.
Parallel zu den Widerständen 32, 33 liegt ein RC-Kreis 31., 36 mit einem
hochohmigen Widerstand 31. Der Verbindungspunkt des hochohmigen Widerstandes 31.
mit dem Kondensator 36 ist über eine Diode 35 und einen Widerstand 34 mit dem Abgriff
des einstellbaren niederohmigen Widerstandes 32 verbunden. Ferner ist an diesen
Verbindungspunkt der Emitter einer Doppelbasisdiode 38
angeschlossen. Parallel
zum hochohmigen Widerstand 31 ist eine Rückstelldiode 30 angeordnet. Sie ist derart
gepolt, daß sie bei leitendem Transistor 29 in Sperrichtung von der dann am Zeitkreis
anliegenden Spannung beaufschlagt wird. Bei Wegfall dieser Spannung gibt sie für
den Kondensator 36 einen niederohmigen Weg über die Widerstände 32, 33 zur Entladung
desselben frei.
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Durch die niederohmigen Widerstände 32, 33 wird außer der schnellen
Rückstellung des Zeitkreises weiter sowohl die Einstellung kurzer als auch langer
Ansprechzeiten ermöglicht. Dies erfolgt dadurch, daß der Kondensator 36 über die
Diode 35 entsprechend der Einstellung des Potentiometers 32 eine Voraufladung praktisch
unverzögert mit dem Ansprechen des Transistors 29 erhält. Die daran sich
anschließende Aufladung bis zum Ansprechwert der Doppelbasisdiode 38 erfolgt über
den hochohmigen Widerstand 31. Ein weiterer Vorteil ist in diesem Zusammenhang,
daß die Zeiteinstellung mit einem veränderlichen niederohmigen Widerstand vorgenommen
werden kann. Bei Einstellung mittels des Widerstandes 31 wäre ein stabiles, hochohmiges
Potentiometer erforderlich, das nur schwer herstellbar ist.
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Die erste Basis von 38 ist über einen Widerstand 39 mit der Bezugsleitung
47, die zweite Basis über Dioden 37 mit dem Emitter des Transistors 29 verbunden.
Die Dioden 37 sind gleichsinnig mit der Diode 28 und der Emitter-Basis-Strecke von
29 gepolt. Sie bewirken eine Temperatur- und Betriebsspannungskompensation des Ansprechwertes
der Doppelbasisdiode 38. Der Verbindungspunkt der Doppelbasisdiode 38 mit dem Widerstand
39 ist über einen Widerstand 40 mit dem Steuereingang der Vierschichttriode
43 verbunden. Diese liegt in Reihe mit einem Relais 44. Ihre Kathode ist
an die Leitung 47 angeschlossen. Die zweckmäßigerweise stabilisierte Betriebsspannung
wird über Klemmen 45, 46 zugeführt.
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Die Wirkungsweise des in der Figur gezeigten Schutzrelais ist folgende:
Am Widerstand 5 ist der Ansprechwert für die Schnellstufe des Schutzrelais auf einen
vorgegebenen Wert eingestellt. Die Schnellstufe besteht - wie vorstehend dargelegt
- im wesentlichen nur aus einer Anregeschaltung, die von den Widerständen
17, 18, dem Kondensator 19, der Diode 20 und Doppelbasisdiode
21 gebildet wird.
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Am Widerstand 7 ist der Ansprechwert für ein verzögertes Auslösen
auf einen vorgegebenen Wert eingestellt. Dieser Wert liegt erheblich unter dem Ansprechwert
der Schnellstufe. Mittels des Potentiometers 32 wird weiter die durch den Zeitkreis
30 bis 36 bedingte Verzögerung auf einen gewünschten Wert eingestellt.
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Im normalen Betriebszustand werden die vorgegebenen Ansprechwerte
nicht erreicht. Die Anregeschaltung 17 bis 21 der Schnellstufe sowie
die Anregeschaltung 11 bis 15 für ein verzögertes Auslösen sprechen dann nicht an.
Das Relais 44 ist dann nicht. erregt.
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Tritt jedoch in dem zu schützenden Netz ein Überstrom auf, so wird
im allgemeinen nur der Ansprechwert der Anregeschaltung 11 bis 15 überschritten.
Die Doppelbasisdiode 15 spricht dann an und gibt in jeder halben Periode der Wechselspannung
des überwachten Netzes einen Steuerimpuls ab. Dieser Impuls zündet die Vierschichttriode
23, wird damit verstärkt und anschließend mittels des weiteren RC-Kreises
25, 26, 27 auf etwa eine halbe Periode verlängert. Die verlängerten Impulse
steuern den Transistor 29 kontinuierlich an, sofern in jeder halben Periode
die Doppelbasisdiode 15 einen Impuls liefert. Die quasi-kontinuierliche Ansteuerung
ermöglcht trotz großer mittels des Zeitkreises 30 bis 36 erzielter Verzögerungszeiten
sowohl eine schnelle Freigabe des Zeitablaufes des Schutzrelais wie auch eine schnelle
Rückstellung des Zeitkreises.
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Die Freigabe des Zeitkreises 30 bis 36 erfolgt durch die Ansteuerung
des Transistors 29, der dann leitend wird. Damit wird die Diode 30 von einer sperrend
wirkenden Spannung beaufschlagt, und über die Widerstände 32, 34 sowie die Diode
35 erfolgt
eine sehr schnelle Voraufladung des Kondensators 36.
Nach Ablauf der Voraufladung wird der Kondensator 36 über den hochohmigen Widerstand
31 weiter langsam aufgeladen, bis die Durchbruchspannung der Doppelbasisdiode 38
erreicht ist. Beim Erreichen der Durchbruchspannung zündet 38, liefert einen Impuls
für die Vierschichttriode 43, so daß diese ebenfalls zündet und damit das Relais
44 erregt wird. Vom Relais 44 werden dann in bekannter Weise Signal- und Schalteinrichtungen
betätigt.
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Sofern jedoch vor dem Erreichen der Durchbruchspannung der Anaprechwert
der Anregeschaltung 11 bis 15 wieder unterschritten wird, sperrt nach etwa einer
halben Periode der Transistor 29. Der Kondensator 36 entlädt sich dann sehr schnell
über die Diode 30 und die niederohmigen Widerstände 32, 33.
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Die Wirkungsweise der Schnellstufe braucht im einzelnen nicht beschrieben
zu werden, da die Anregeschaltungen 11 bis 15 und 17 bis
21 in gleicher Weise arbeiten. Die Schnellstufe bewirkt ein praktisch unverzögertes
Ansprechen des Relais 44.