DE1513095A1 - Schaltungsanordnung mit Halbleiterfuehlern zum Schutz von elektrischen Vorrichtungen gegen UEbertemperaturen - Google Patents

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Patentanwälte 1 uerim 33, den 5. August 1966

Djpl.-lns„\V.Meis5nsr 1796/9 „ pr/Be

DipL-lng. H. TiscWr
1 Berlin 33 (Gr.unsv/ald)
HsrbertetT. 22 Tel. SS77257 1513095

YIIfMUÜS LSEElDkZIiS ÖS KÜSZÜ-Ä ilÜ Budapest II, 3-anz u, 16, Ungarn

SCHALiITONGSANOEDHiJNG MIiE HAiaLEITEHFUHtSaN ZUM SCHÜTZ VOIT EE*KTRISCHSÜT VORHICETÜHGEN GBGiH

Die Srfijadüag betrifft eine Schaltungeaaordnuä% mit Halbleiterfühlern. zum Schutss von elektrischen ?orrichtungeo, insbesondere von elektrischen Maschinen, Geräten und Wicklungen gegen Übertemperaturen,

Wie bekannt-, müssen elektrische Maschinen» Gerate oder vificklungen oft gegen betriebsbedingte Übertemperaturea geschützt werden« Besonders wichtig ißt dieser Schutz bei elektrischen Motoren und Geräten, wo die Erwärmung oder die Übertemperatur unmittelbar auf die Belastung bzw. Überlastung surückKufuhrenist. Durch eine Übertemperatur oberhalb der durch den verwendeten Isolierstoff gesetzten Grenze kann

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die Isolation der Wicklungen bereits gefährdet werden* Es kann auch erforderlich sein, die Zapf enla-.er bzw. dlte Stromzuführungen von Grossmasehinen gegen Overtemperature» zu schützen.

Hohe Übertemperaturen können in elektrischen Maschinen* insbesondere bei Motoren durch verschiedene Ursachen, hervorgerufen werden* Betriebswidrige Behandlung, laag andauernde geringe oder stoßsweise auftretende grosäe Überlastungen, Phasenschwund, starke Abnahme der Betriebsspannung, 7/indungßschluss und Unzulänglichkeiten der gewünschten Kühlung können gleichwie hohe Übertemperaturen herbeiführen. Die bekannten üblichen Motorschutzschalter fühlen dabei nicht die Temperaturen des Motors bzw* der Wicklungskopfe, sondern den Strom, der die Erwärmung bzw, Übertemperaturen nur mitbestimmt« Diese Massnahmen bieten somit nur einen beschränkten Schutz gegen Überteraperaturen. Ihr grösster Mangel besteht aber darin, dass die ,tfärmekennlinie des Schutzes mit der Kennlinie des Motors nicht übereinstimmt. «Is ist auch nachteilig, dass Umgebungstempera- * türen und andere thermische Umstände anders auf den Motor einwirken als auf den fcehutz, der nur bei andauernden starken Übertemperaturen und Kurzschlüssen einwandfrei arbeitet. .

Zwecks Verbesserung des Motorschutzes sind Jüngstens kleine Wärmeschalter in das Motorgehäuse baw. unmittelbar in die Wicklungen des Motors eingebaut worden. Die Wärmeschalter enthalten meistens Bimetallelemente, durch welche der Stromkreis des Motorschutzes geschlossen bzw. geöffnet wird. Da aber die Wärmeträgheit der Wärmeschalter ziemlich

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gross ist, sind sie wegen den langen Ansprechzeiten nicht ge* elfnet, "bei kurz andauernden»£calüssen abtuschalten. Wegen ihren Verzögerungsfehlern "bietet auch ihre kombinierte Verwendung mit einem Motorschutz keine vollständige Sicherheit gegen Übertemperaturen.

Es ist auch vorgeschlagen worden, einen vollständigen Schutz von elektrischen Motoren durch die Anwendung von wärmeempfindlichen Widerständen zu erwirken.. Drahtwicklungen und Halbleiter, wie z.B. Oxydthermistoren mit positivem oder negativem Tompöraturkocffizient, die unmittelbar in den v/icklungsköpfen angebracht oder dort eingebettet sind, sprechen wegen ihren geringen Abmessungen sehr schnell auf Temperaturänderungon der Wicklungsköpfe an. Deshalb ist es sehr wichtig, beim Einbetten für eine gute Wärmeübergabe zu sorgen,. Durch eine Verzogorung der Wärmewirkung zwischen einer Wärmeentstehungsstelle und den Fühlern kann die durch geringe Abmessungen und iiärmeträghe it bedingte schnelle Betätigung beeinträchtigt werden.

Es sind auch Schaltungen mit Fühlern aus Kaltleitorn, d*h. mit positivem Temperaturkoeffizient bzw, aus Normal« therm ist or en j d.h. mit negativem Temperaturkoeffizient bekannt. Im folgenden werden Fühler mit positivem Temperaturkouffizient kurz PTC Fühler ernannt, während Fühler mit negativem Temperaturkoeffizient kurz als NTO Fühler erwähnt werden, NTC Fühler werden in der Ee&,el in Brückenschaltuög verwendet, während ETC Fühler in Reihenschaltung zur Anwendung gelangen. Um einen Verstärker vermeiden zu können, werden in beiden Schaltungen empfindlich steuerbare üelais verwendet, Hierdurch kann bei Anwendung von sehr kleinen Fühlern die

Wärmeträgheit verringert und ein schnelles Ansprechen gesichert werden.

Wie- erwähnt, werden UTG Fühler in Verbindung mit Widerstandsmessbrücken, z.B. einer Wheatstone Brücke verwendet. Die Brücken sind dabei derart aufgebaut, dass die in je eine Phasenwicklung eingebetteten Fühler im einen Brückenzweig liegen, während in der Brückendiagonale bei den bekannten Schaltungen Messverstärker oder andere Messgeräte vorgesehen sind. Doait im Temperaturgebiet von normalen Betriebstemperaturen an bis zu den höchsten zulässigen Temperaturen keine gltiichmässige Fühlerempfindlichkeit gesichert werden muss, ist es bereits vorgeschlagen worden, die Brücke nur bei der zulässigen Höchsttemperatur auszugleichen. Vor und nach Brückenausgluichung treten dementsprechend in der Brückendiagonale einander entgegengesetzte Spannungen auf, während bei Ausgleichuii_w die Brückendiagoziale spannungsfrei ist.

Bei Schutzschaltungon mit PTC Fühlern sind die in die 'Wicklungskopfe je Phase eingebauten Fühler mit der Erregerwicklung des verwendeten Schutzrelais, mit einer Niederspannungsquulle, sowie mit einem ein- oder doppeiseitigen gleichrichter in Äeihe geschaltet, In Reihe geschaltet sind auch die Kontakte des Schutzrelais der Erregerwicklung des Motoranlassehalters und die Netzspannung. Tritt in einem Wicklungskopf eine Temperatur auf, die höher ist als die durch den Isolierstoff zugelassene obere Temperaturgrenze, so nimmt der widerstand des in den entsprechenden vificklungskopf eingebauten Fühlers stark zu, so dass das Schutzrelais anspricht, den Stromkreis der Irregerwicklung des Anlasschalters unterbricht und dadajjoh den Motor vom Hetz abschaltet,

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Boide bekannten Masεnahmen sind abor mit dem geneinsamen Nachteil behaftet, dass sie nur bei Hochleistungsmotoren wirtschaftlich verwendet werden können. Ihre verbreitote Anwendung bei Kleinmotoren, die immer mehr an Bedeutung gewinnen, scheitert am hohen Bezugspreis, was durch den umständlichen Aufbau aus sehr vielen Konstruktionsbestandteilen, durch das Schleifen der FallmagnetfIachen, durch die hermetische Kapselung der äusseren Umhüllung₅ sowie durch eine herstellungstechnologische Schwierigkeit bedingt ist, die darin besteht; dass die Federkräfte und der Kontaktdruck sehr'genau eingestellt werden müssen, um eine zuverlässigö ■ Arbeit s v/o is ö au sichern. Dazu sind aber besonders ausgebildete Arbeitskräfte erforderlich, weil eine Automatisierung des Herstellungsverfahrens aus wirtschaftlichen Gründen nicht durchgeführt werden kann.

Einu andere bekannte Möglichkeit besteht in der Anwendung von in Massenherstellung sehr billig herstellbaren Schaltröhren, die durch otwr. dio Hälfte der aur Steuerung von in -Schutzschaltungen verwendeten'..Jtel.üis. erf orderlichc-n Leistung gesteuert v/erden lcönner, wobei Schaltungen dieser Art.. in., mannigfaltiger vieise aufgebaut v/erden, sehr billig sind und bei Kleinmotoren einen vorteilhaft verwendbaren Schutz er-, möglichen* Sie haben auch den Vorteil, dass der Magnetkreis der Schaltröhre selbst -in das Kontaktglasrohr der Schaltröhre gelötet in Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre arbeitet, so dass die. Lebensdauer ein Mehrfaches der Lebensdauer der beschriebenen Relais beträft.

Die Erfinduiife bezweckt eine v/eiterentwicklung der bekannten Systeme und die Schaffung eines Schutzes mit PTC baw,

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FIG Halbleiterfühlern β'«£ο-· ÜbertoKiperatur^n, der eine w/e*entlieh erhöhte Betriebssicherheit und ^nsprochynpf'lndlichkeit-^ bei Verringerung des Leistungsbedarfes und der Abmessungoö.^{1 r}-~ aufweist. Durch Vereinfachung der Speisestromquelle.sollen ": auch die Entstehungskosten des erfindungsgeraässen Schutzes abnehmen. Die lirfindung geht davon aus, dass eine einfache gesteuerte Schaltröhre, die aus wenigen Bestandteilen aufgebaut wird, für die automatische Herstellung sehr geeignet, und daher billig ist, wobei ihr Raumbedarf lediglich ein Drittel des Raumbedarfes der bekannten Relais beträgt, wenn eine gewisse Kombination von Erregerwicklung und Betätigungemagnet herangezogen wird. Die Erfindung nämlich besteht darin, dass im Stromkreis der Halbleiterfühler ein itelais vorgesehen wird, das aus einer Schaltröhre, aus einer Wicklung zum Steuern der Schaltröhre, sowie aus einem Dauermagnet zum Einschalten der Schaltröhre besteht, wobei der Dauermagnet nach Einschalten der Schaltröhre in seine Ausgan^slage zurückkehrt. Die Ausgangslage des Mognets bildet dabei eine Grenzlage für die Ausschaltung, so dass das Relais durch, eine sehr geringe Leistung ausgelöst werden kann, die der Steuerwicklung der '}

!■·<? Schaltröhre zugeführt wird. Diese Leistung betragt etwa ά%& :

Hälfte der Leistung der bekannten Vorrichtungen.'

Bei erfindungsgemässen Schaltungsanordnungen fuf Temperaturschütz mit HTC Wärmefühlern (Normalthermistoren), die in einer Brückenschaltung liegen, wird die Steuerwicklung

der Brückenachaltung der Sehaltröhre' in der Brücfcendiagonale/liegen, Mit PTC

^JFühlern ausgebildete Schaltungsanordnungen für Temperaturschutz mit in Reihe geschalteteri-Halbleiterwärmefühlern wird die Steuerwicklung der Sehältröare- mit den V7ärmefühlern in

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Reihe und zu der die Wärmefühler und die Steuerwicklung ent·, haltenden Reihenschaltung ein Ausgleichwiderstand parallelgeschaltet, wobei an die gemeinsamen Punkte der parallelseschalteten Stromkreise ein Speisestromkreis mit Vorschaltwiderstand angeschlossen wird. Nötigenfalls können die Vor~ echaltv/iderstände induktiv an den Speisestromkreis angeschlos·' sen werden.

v7eit ere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der äeichnungen nähör erläutert. .

Fig* 1 zeigt dabei das Schaltbild einer, beispielsweisen Ausführungsform der erfindungsgemassen Schaltungsanordnung, Fig. 2 stellt eine bauliche Einzelheit dar,

FIi,,. 3 ist das Schaltbild einer anderen beispielsweisen Ausführun ,sform der Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung.

Gleiche Bezugszeionen weisen in den Zeichnungen auf ähnliehe Einzelheiten hin.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 ist die erfindungsgsmässe Relaisschaltung als eine Brückenschaltung 5 ausgebildet. Im einen Brückenzweig sind in Pcralle3.sehaltung drei Fühler 11a, Ub, Hc angeordnet, die jeweils in eine Phasenwicklung eines nicht dargestellten Elektromotors eingebettet sind. ■ Widerstände 15, 16 und 17, die ge einem der Fühler 11a_? lib und lic zugeordnet sind, gestatten durch die Herstellung bedingte Streuungen in den elektrischen Eigenschaften abzugleichen. Im anderen Brüokenzweig liegen regelbare Widerstände .18, 19 und 20, durch welche die parallelgeschalteten Brückenzweige aufeinander abgeglichen werden können. In der Brückendiagonale ist ein Relais 30 vorgesehen,, dessen Erregerwicklung mit 35 bezeichnet ist,

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Das Relais 30 braucht keine Messeigenschaften aufzuweisen. Es genügt, wenn es ohne besondere Betriebsgenauigkeit bei hoher Empfindlichkeit betätigt werden kann. Vorteilhaft werden Fühler gewählt, deren Widerstandsänderungen bei Temperaturänderungen in der Umgebung der Ansprechtemperatur sehr gross sind, damit in der Brückendiagonale eine sehr steile Stromänderung erreicht wird,

Die Erregerwicklung 35 ist auf &r einen Seite über Dioden 23, 24 und 25 an je einen parallelgescbalteten Zweig der Fühler lla, 11b und lic bei c, t und a angeschlossen. Auf der anderen Seite schliesst sich die Brückendiagonale bei d an die parallelgeschfAlteten Brückenzweige an, die einen ■ regelbaren bzw. festen Widerstand 21 bzw. 22 zum Ausgleichen der Brücke 5 enthalten. Durch eine geeignete Wahl bzw. Bemessung dieser Widerstände kann erreicht werden, dass oberhalb der Anspreehtemperatur die Dioden 23, 24 und 25 ia der Durchlassrichtung beansprucht werden. Bei 8 und 9 ist die Bpüekenschaltung an eine nicht dargestellte Crleioh.spannungS'-quelle angeschlossen«

Es ist leicht einzusehen, dass das Relais 50 inaner ansprechen wird, wenn in einem der parallelgeschalteten Brückenzweist der entsprechende Fühler 11a, lib und lic einer Übertemperatur ausgesetzt und deshalb über die in Durchlassrichtung liegende Diode 23, 24 oder 25 einen Strom liefert, der die Erregerwicklung 35 durchfl^esst und das Relais 30 auslöst. Die Betätigung des Relais JQ erfolgt demnach bei iffeertemperaturen einer beliebigen Phase in den drei Phase-©, unabhängig voneinander,

2 zeigt den. Aufbau eines erfindungsgemässcn Relais. « 8 ·

Einer Schaltröhre 30 sind οine Steuerwicklung 35 und. ein Dauermagnet 31 zu. eordnet. Der letztere ist gegen eine Feder 33 verschiebbar angeordnet. Bine Stellschraube 34 dient zut Einstellung der Ausschaltlage des Dauermagnets 31 bkw, einer Grenzlage für Ausschaltung. Mit einem Druckknopf 32 kann die Schaltröhre 30durch Vorschiebendes Dauermagnets 31 eingeschaltet werden. Das Relais ist derart aufgebaut, dass in der ausgeschalteten Lage des Dauermagnets die Polarität der Steuerwicklung 35 eier Polarität des durch den Dauermagnet 31 erregten Feldes gleich ist. Wird der Dauermagnet 31 in eine Grenzlage zur Ausschaltung eingestellt,, so ist die Polarität der Erregung der vorherigen entgegengesetzti Die Schaltröhre 30 kann auch mit Wechselkontakten versehen seiü«

Während die Brückenschaltung nach S¹Ig* 1 mit KTC Fühlern ausgestattet war, arbeitet die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung gemäss Fig. 3 mit PTC Fühlern 12a, 12b und 12c, die ebenfalls in je eine Phasenwicklung 10a, 10b und 10c eines Motors M eingebettet sind. Die Phasenwicklungen des Motors sind an die Leitungen R, S, T eines Dreiphasennetzes 6 mit Nulleitung 0 angeschlossen. Der Anschluss kann durch einen Anlassehalter 40 erreicht oder aufgehoben werden. Die PTG Fühler 12a und 12b und 12c sind in Reihe geschaltet und als Reihenschaltung an die unterteilten Erregerwicklungen 35a und 35b des Relais 30 angeschlossen. Die Reihenschaltung 35a, 12a, 12b, 12c und 35b ist bei 50 und 51 zu einem Widerstand 52 parallelgeschaltet, der zum Ausgleichen dient. Bei 50 und 51 ist ausserdem an den Stromkreis 52, 35a» 12a, 12b," ^: 12c und 35b ein Speisestromkreis angeschlossen, der aus einer Graetscclialtung 56» aus einem Filterkondensator 57» ζvB. einem

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Elektrolytkondensator und aus einem Vorschaltwiderstand 53 besteht, so dass ein gefilterter Strom geliefert wird." Der Speisestromkreis 56, 57 $ 53» ist über zwei Vorschaltwiderstände 54·» 55 an eine Phase T des Dreiphasennetzes 6 angeschlossen.

Das Relais 30 betätigt einen Kontakt 45, deren Stromkreis die Erregerwicklung 41 des Anlasschalters 40 enthält. Der Stromkreis wird über zwei Druckknöpfe 42 und 44 geschlossen, bzv/. geöffnets wobei dem Druckknopf 42 ein durch den Anlasschalter 40 betäti'ter Kontakt 43 parallelgeschaltet ist.

Die dargestellte beispielsweise Ausführungsform der crf indungsgemässen üe la is se haltung arbeitet wie folgt:

Wird der Druckknopf 32 niedergedrückt und dadurch der Magnet 31 gegen die Feder 33 in der Zeichnung nach oben verschoben, so wird die Schaltröhre eingeschaltet und der Kontakt 45 geschlossen. Durch Niederdrücken des Druckknopfes 42 wird dann der Stromkreis der Erregerwicklung 41 geschlossen, so dass der Anlasschalter 40 in dor Zeichnung nach untoπ belogt und der Lreiphasenstromkrois R,S₈T. des Motors M geschlossen wird. Nun erhalten die Wicklungen. 10a, 10b, 10c Strom aus dem Pr^iphasennetz 6, wodurch der Motor M in Drehung versetzt wird.

Sobald in einer der Phasenwicklungen 10a, 10b, 10c eine Üb~rtc-:iiperatur -entsteht, nimmt der Widerstand des entsprechender-JHihlers 12a, 12b bzw. 12c stark zu, so dass der Strom über die Erregerwicklungen 35a, 35b des Relais 30 stark abnimmt und das Relais 30 abfällt* Dann .Jird aber auch der Kontakt 45 gewf fnet und somit der über den Kontakt 43 geschlos-

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sene Stromkreis der Erregerwicklung 41 unterbrochen. Der Anlasschalter 40 wird damit in der Zeichnung wieder nach oben in die dargestellte Lage verlegt, in welcher der Dreiphasenstromkreis R.S,T. des Motors M unterbrochen ist und der Motor M stillsteht.

Soll der Motor M in beabsichtigter V/eise angehalten werden, so wird der Druckknopf 44 niedergedrückt und damit auch der Stromkreis der Erregerwicklung 41 des Anlasschalters 40 unterbrochen. Das Relais 30 bleibt dabei eingeschaltet, so dass ein nächstes Anlassen lediglich das Fiederdrücken des Druckknopfes 42 erfordert.

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Claims (1)

1. - PATENTANSPRÜCHE

   1« Schaltungsanordnung; mit Halblc.iterfühlern zum Schutz von.elektrischen Vorrichtungen gegen Übcrtcmpcraturan, dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t _f dass im Stromkreis der Halbleiterfühler ein Relais vorgesehen ist, das aus einer Schaltröhre (30), aus einer Wicklung (35) zum Steuern der Schalt röhr o, sowie· aus einem permanenten Magnet (3X) zum Einschalten der Schaltröhre besteht,, wobei der permanente Magnet nach Einschaltung der Schaltröhre in seine Auagangslage zurückkehrt.

   2» Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 für Schutzschaltun _: en mit Wärmefühlern (11a, 11b, lic) der Type DITC, die in einer Brückenschaltung (.5) liegen, dadurch g e k e η nz e ich η e t,_f dass die Steuerwicklung (35) der Sc halt rcrhre (30) in, der Brückendiagonale der Brückenschaltung (5) liegt (Fig. 1).

   3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 für Schutzschaltungen mit in Reihe geschalteten Halbleiterwärmefühlern C12a > 12b,, 12c) dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, dass die Steuerv/wicklung (;55a, 35b) der Schaltröhre (30) mit den Wärmefühlern (12a, 12b, 12c) in Reihe und zu der die Wärmefühler und die Steuerwicklung der' Schaltrötire enthaltenden Eeih-enschaltung ein Ausgleichwiderstand (52) parallel geschaltet ist;, wobei an die gemeinsamen Punkte (50, 51) der parallel geschalteten Stromkreise ein Speisestromkreis mit Vor schal twiderstand (54 * 55) angeschlossen ist (,Fig· 3)·

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   Die Patentanwalt«*

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