DE19540625A1

DE19540625A1 - Schutzschaltung und Einrichtung zur Überwachung von Geräte- und/oder Maschinentemperaturen

Info

Publication number: DE19540625A1
Application number: DE1995140625
Authority: DE
Inventors: Friedrich Kriwan
Original assignee: Kriwan Industrie Elektronik GmbH
Current assignee: Kriwan Industrie Elektronik GmbH
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2015-11-01
Also published as: DE19540625B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung sowie eine Einrichtung zur Überwachung von Geräte- und oder Ma schinentemperaturen gemäß den Oberbegriffen der Ansprü che 1 und 6.

Bei den aus der Praxis bekannten Schutzschaltungen kom men üblicherweise PTC-Thermistoren (Kaltleiter) zur An wendung. Für einen derartigen Widerstand sind sehr hohe positive Widerstands-Temperaturkoeffizienten und ein Widerstandsanstieg von mehreren Zehnerpotenzen charak teristisch. Der Widerstand bei der sogenannten Nennan sprechtemperatur ist nach DIN 44081 auf 1,33 kΩ festge legt. Üblicherweise wird z. B. bei Drehstrommotoren in jede der drei Wicklungsphasen ein derartiger PTC-Ther mistor eingebaut und in Serie geschaltet.

Fig. 6 zeigt eine solche bekannte Schutzschaltung, mit drei in Serie geschalteten PTC-Thermistoren, die je weils die gleiche Nennansprechtemperatur aufweisen.

In Fig. 7 ist die Veränderung des Gesamtwiderstandes der in Fig. 6 dargestellten Schutzschaltung gegenüber der Temperatur aufgetragen. Wird die Nennansprechtemperatur von 120°C der PTC-Thermistoren erreicht, ergibt sich ein Gesamtwiderstand von 4kΩ.

Ein mit der Schutzschaltung gekoppeltes elektronisches Auslösegerät kann so dimensioniert sein, daß es bei ei nem oberen Widerstandswert, beispielsweise 4kΩ, einen Abschaltvorgang und bei einem unteren Widerstandswert, beispielsweise 2kΩ einen Einschaltvorgang auslöst. Wird somit bei einem Temperaturanstieg auf 120°C der Gesamt widerstandswert von 4kΩ erreicht, kann über das Auslö segerät eine elektrische Maschine gegen thermische Überlastung geschützt werden, indem diese bei spielsweise über ein Relais abgeschaltet wird.

Die meisten Auslösegeräte lösen jedoch wiederum einen Einschaltvorgang aus, wenn der Gesamtwiderstand der Schutzschaltung auf 2kΩ abgesunken ist. Aufgrund der exponentiell verlaufenden Widerstands-Temperaturcharak teristik der PTC-Thermistoren wird der Rückschaltwert von 2kΩ bereits bei einer Abkühlung von 1 bis 2°C er reicht. Dies hat zur Folge, daß es zu ungewollt hohen Schaltzyklen kommt, die die zu schützende Maschine bzw. das Gerät stark beanspruchen.

Um diesem Nachteil zu begegnen, ist es aus der Praxis bekannt, zusätzliche Zeitrelais in die Schutzschaltung einzubauen oder im Auslösegerät Schalthäufigkeitsbe grenzungen zu integrieren. Beide Maßnahmen bedeuten je doch einen erheblichen materiellen und finanziellen Aufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Schutzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie die Einrichtung zur Überwachung von Geräte und/oder Maschinentemperaturen gemäß dem Gattungsbe griff des Anspruches 6 dahingehend weiterzuentwickeln, daß hohe Schaltzyklen mit einem geringen materiellen und finanziellen Aufwand vermieden werden und dadurch längere Abkühlzeiten der zu schützenden Maschinen oder Geräte erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich nenden Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung wer den anhand der Beschreibung einiger Ausführungsbei spiele und der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Schutzschaltung gemäß einem ersten erfin dungsgemäßen Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Widerstands-Temperaturkennlinie der Schutz schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm der Schaltzyklen einer Schutzschal tung gemäß Fig. 1 sowie einer Schutzschaltung ge mäß Fig. 7,

Fig. 4 eine Schutzschaltung gemäß einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 5 eine Widerstands-Temperaturkennlinie der Schutz schaltung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 eine Schutzschaltung gemäß dem Stand der Tech nik,

Fig. 7 eine Widerstands-Temperaturkennlinie der Schutz schaltung gemäß Fig. 6.

Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel ei ner Schutzschaltung zur Überwachung von Geräte- und/oder Maschinentemperaturen besteht aus wenigstens einem ersten PTC-Thermistor 1, einem zweiten PTC-Ther mistor 2 sowie wenigstens einem parallel zum zweiten PTC-Thermistor geschalteten Schaltungselement 4.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind neben dem er sten PTC-Thermistor 1 zwei weitere PTC-Thermistoren 1′, 1′′ vorgesehen, wobei in der praktischen Anwendung bei spielsweise jeweils einer der Thermistoren 1, 1′, 1′′ in eine der drei Wicklungsphasen eines Drehstrommotors eingebaut sind.

Die Nennansprechtemperatur des ersten PTC-Thermistors 1 wird größer als die Nennansprechtemperatur des zweiten Thermistors 2 gewählt. In der dargestellten Schaltung weist der erste PTC-Thermistor 1 eine Nennansprechtem peratur von 120°C und der zweite PTC-Thermistor 2 eine Nennansprechtemperatur von 70°C auf. Die weiteren PTC-Thermistoren 1′, 1′′ entsprechen in ihrer Nennansprech temperatur dem ersten PTC-Thermistor 1.

Die Schutzschaltung weist ferner zwei Anschlußklemmen 5, 6 auf, um sie an ein nicht näher dargestelltes Aus lösegerät anzuschließen. Ein derartiges, allgemein be kanntes Auslösegerät ist mit der zu überwachenden Ma schine oder dem zu überwachenden Gerät gekoppelt, um es vor thermischer Überlastung zu schützen. Dabei wird bei Erreichen einer bestimmten oberen Temperatur die Ma schine oder das Gerät abschaltet. Sobald die Maschine oder das Gerät sich unter eine bestimmte Temperatur ab gekühlt haben, leitet das Auslösegerät wieder einen Einschaltvorgang ein.

Der PTC-Thermistor hat die besondere Eigenschaft, daß er einen sehr hohen Widerstands-Temperaturkoeffizienten aufweist und bei einer Temperaturerhöhung einen Wider standsanstieg von mehreren Zehnerpotenzen ausführt. Der typische Widerstandsverlauf eines PTC-Thermistors ist in Fig. 7 dargestellt. Durch die Serienschaltung von drei Thermistoren verdreifacht sich der Widerstandswert bei einer bestimmten Temperatur. Der allgemeine Verlauf ist aber identisch. Bei der sogenannten Nennansprech temperatur beträgt der Widerstand nach DIN 44081 1,33kΩ, so daß sich dieser Wert bei einer Serienschal tung von drei Thermistoren auf ca. 4kΩ erhöht. Im dar gestellten Ausführungsbeispiel liegt die Nennansprech temperatur bei 120°C.

Die im Handel üblicherweise erhältlichen Auslösegeräte schalten bei Erreichen eines Widerstandes von 4kΩ aus und bei Erreichen eines Widerstandswertes von 2kΩ wie der ein. Wie aus der Fig. 7 zu ersehen ist, ist jedoch die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Wider standswerten lediglich etwa 1°C. Um zu verhindern, daß die angeschlossene Maschine sofort wieder eine Tempera tur von 120°C erreicht und dadurch wieder einen Ab schaltvorgang hervorruft, ist es wünschenswert, die Ma schine stärker abkühlen zu lassen.

Dies wird durch eine Schutzschaltung gemäß Fig. 1 er reicht. Die in Fig. 2 dargestellte Widerstands-Tempera turkennlinie dieser Schaltung zeigt, daß der obere Wi derstandswert von 4kΩ gleichfalls bei einer Temperatur von 120°C ausgelöst wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die PTC-Thermistoren 1, 1′, 1′′ eine Nennansprech temperatur von 120°C aufweisen.

Nachdem sich der Gesamtwiderstand der Schutzschaltung aus der Summe der Einzelwiderstände ergibt, kann der untere Widerstandswert von 2kΩ erst dann erreicht wer den, wenn auch der zweite PTC-Thermistor 2 etwa seine Nennansprechtemperatur erreicht hat. Da die Nennan sprechtemperatur des zweiten PTC-Thermistors 2 im dar gestellten Ausführungsbeispiel bei 70°C liegt, wird knapp oberhalb dieser Temperatur ein Gesamtwiderstand von 2kΩ erreicht. Dies wiederum bedeutet, daß das Auslösegerät erst bei Erreichen von etwa 70°C wieder einen Einschaltvorgang auslöst. Die zu überwachende Ma schine bzw. das Gerät kann sich somit um etwa 50°C ab kühlen.

Kommt es im Anschluß daran wieder zu einem Temperatur anstieg, steigt der Widerstandswert des zweiten PTC-Thermistors 2 extrem an, wie das die gestrichelte Linie 20 zeigt. Der Widerstandswert des zweiten PTC-Thermi stors 2 wird bereits nach einer Temperaturerhöhung von 1 bis 2°C 4kΩ erreichen. Um zu verhindern, daß die zu überwachende Maschine bereits bei 71 oder 72°C abge schaltet wird, wird erfindungsgemäß parallel zu dem zweiten PTC-Thermistor 2 das Schaltungselement 4 vorge sehen. Dieses Schaltungselement 4 hat die Aufgabe, den Gesamtwiderstand der Schutzschaltung zumindest bis zum Erreichen der Nennansprechtemperatur des ersten PTC-Thermistors 1 unter dem oberen Widerstandswert von 4kΩ zu halten.

Für diesen Zweck sind besonders Dioden und hier insbe sondere Zenerdioden geeignet. Die Durchlaßspannung der Diode bzw. Dioden ist an den vom Auslösegerät einge prägten Strom 1 anzupassen. Die Diode bewirkt dann eine Begrenzung der über den zweiten PTC-Thermistor ab fallenden Spannung.

Der Gesamtwiderstand der Schutzschaltung wird daher in einem Temperaturbereich von etwa 70 bis 120°C im we sentlichen durch den von der Diode 4 begrenzten Span nungsabfall am zweiten PTC-Thermistor 2 bestimmt. Die ser Bereich des Widerstandsverlaufes ist in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet und stellt im we sentlichen einen relativ konstanten Widerstandswert in einem Bereich zwischen 2 und 4kΩ dar.

Kurz vor Erreichen der Nennansprechtemperatur der Ther mistoren 1, 1′, 1′′ steigt der Widerstandswert dieser Thermistoren stark an. In diesem Bereich wird der Ge samtwiderstand im wesentlichen durch den Widerstand der Thermistoren 1, 1′, 1′′ bestimmt. In der Zeichnung ist dieser Bereich mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet.

Fig. 3 zeigt die Auswirkungen der Schutzschaltung gemäß Fig. 1 im Vergleich zur Schutzschaltung gemäß Fig. 6 auf die Schaltzyklen. Dabei ist die Kurve 7 der Schutz schaltung gemäß Fig. 6 und die Kurve 8 der Schutzschal tung gemäß Fig. 1 zugeordnet. Es ist leicht zu erkennen, daß ein mit der Schutzschaltung gemäß Fig. 6 gekoppeltes Auslösegerät bereits bei einem Temperaturabfall bzw. -anstieg von etwa 1°C einen Ein- bzw. Ausschaltvorgang einleitet. Es kommt daher zu einer relativ hohen Anzahl an Schaltvorgängen. Bei der Schutzschaltung gemäß Fig. 1 wird der nächste Schaltvorgang erst dann ausgelöst, wenn sich die Temperatur um 50°C abgekühlt bzw. erhöht hat. Die Schalthäufigkeit des Auslösegerätes wird somit deutlich verringert. Im dargestellten Ausführungsbei spiel führt das mit der Schutzschaltung gemäß Fig. 1 ge koppelte Auslösegerät lediglich einen Schaltvorgang aus, während ein mit der Schutzschaltung gemäß Fig. 6 gekoppeltes Auslösegerät vier Schaltzyklen durchläuft.

Die Nennansprechtemperaturen des ersten bzw. zweiten PTC-Thermistors 1, 2 und insbesondere deren Temperatur differenz sind prinzipiell frei wählbar und werden zweckmäßigerweise an die zu schützende elektrische Ma schine bzw. das zu schützende Gerät angepaßt. Zweckmä ßigerweise sollte jedoch die Differenz der Nennan sprechtemperaturen des ersten und zweiten PTC-Thermi stors 1, 2 wenigstens 10°C, vorzugsweise wenigstens 20°C betragen.

In Fig. 4 ist eine zweite erfindungsgemäße Schutzschal tung dargestellt, bei der für gleiche Bauteile diesel ben Bezugszeichen verwendet worden sind. Diese Schutz schaltung weist neben den Bauteilen der Schutzschaltung gemäß Fig. 1 ferner einen dritten PTC-Thermistor 3 auf, dessen Nennansprechtemperatur zwischen der Nennan sprechtemperatur des ersten und zweiten PTC-Thermistors 1, 2 liegt. Parallel zum dritten PTC-Thermistor 3 ist wiederum ein zweites Schaltungselement 9 parallel ange ordnet. Dieses zweite Schaltungselement 9 dient wie derum dazu, den Spannungsabfall am dritten PTC-Thermi stor 3 zu begrenzen und dadurch den Gesamtwiderstand der Schutzschaltung auf einen Wert unterhalb des oberen Widerstandswertes zu halten, bis die Nennansprechtempe ratur des ersten PTC-Thermistors erreicht ist. Das er ste Schaltungselement 4 soll den Spannungsabfall am zweiten PTC-Thermistor begrenzen, so daß der Gesamtwi derstand der Schutzschaltung niedriger ist, als der Ge samtwiderstand nach Erreichen der Nennsprechtempera tur des dritten PTC-Thermistors.

In Fig. 5 ist die Widerstands-Temperaturkennlinie der Schutzschaltung gemäß Fig. 4 dargestellt. Die Nennan sprechtemperaturen des ersten, zweiten und dritten Thermistors 1, 2, 3 liegen bei diesem Ausführungsbei spiel bei 130, 90 und 100 °C. Der Widerstandswert der Gesamtschaltung erreicht somit bei Überschreiten einer Temperatur von 90°C einen Widerstandswert < 2kΩ. Bei einer weiteren Temperaturerhöhung erhöht sich der Wi derstand des zweiten PTC-Thermistors 2 gemäß der ge strichelt dargestellten Kennlinie 20 in besonders star kem Maße. Das Schaltungselement 4 begrenzt jedoch den Spannungsabfall über diesen Widerstand, so daß sich ein Widerstand der aus dem zweiten PTC-Thermistor und dem Schaltungselement 4 gebildeten Parallelschaltung auf einen Wert zwischen 2 und 3kΩ einstellt. Dieser Bereich ist in der Widerstands-Temperaturkennlinie mit 40 ge kennzeichnet. Steigt die Temperatur über die Nennan sprechtemperatur von 100°C des dritten PTC-Thermistors 3 an, so würde der Widerstand der Gesamtschaltung den gestrichelten Kennlinienverlauf 30 nehmen, wenn nicht wiederum der Spannungsabfall über den dritten PTC-Ther mistor 3 durch das Schaltungselement 9 begrenzt würde. D.h. auch in einem Bereich von etwa 100 bis 130°C stellt sich ein bestimmter Widerstandswert zwischen 3 und 4kΩ ein. Dieser Bereich ist in der Widerstands- Kennlinie mit 90 bezeichnet. Erst bei Erreichen der Nennansprechtemperatur des ersten PTC-Thermistors wird der Gesamtwiderstandswert über 4 kΩ ansteigen, so daß am Auslösegerät ein Abschaltvorgang eingeleitet wird.

Der Einschaltvorgang wird jedoch erst dann wieder aus gelöst, wenn die Temperatur unter die Nennansprechtem peratur des zweiten PTC-Thermistors, d. h. unter 90°C abgefallen ist.

Die beiden Bereiche 40, 90, der Widerstands-Temperatur kennlinie ermöglichen eine mehrstufige Auswertung, wenn das Auslösegerät entsprechend angepaßt ist. So kann beispielsweise bei Erreichen des dem Bereich 40 ent sprechenden Widerstandswertes eine Vorwarnung erfolgen und bei Erreichen des dem Bereich 90 entsprechenden Wi derstandswertes eine Kühleinrichtung bzw. eine Fremdbe lüftung eingeschaltet werden. Selbstverständlich sind auch andere Anzeige-, Steuer- oder Regelsignale denk bar.

Auch mit der Schutzschaltung gemäß dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel läßt sich die Schalthäufigkeit des Auslö segerätes mit relativ einfachen und kostengünstigen Bauteilen reduzieren. Zudem besteht die Möglichkeit, zwischen dem Ein- bzw. Ausschaltvorgang andere Anzei gen, Regelungen oder Steuerungen vorzunehmen.

Claims

1. Schutzschaltung zur Überwachung von Geräte- und/oder Maschinentemperaturen mit wenigstens einem ersten PTC-Thermistor (1, 1′, 1′′), wobei die Schutzschal tung an ein Auslösegerät anschließbar ist, das bei Überschreiten eines oberen Widerstandswertes der Schutzschaltung einen Abschaltvorgang und bei Unter schreitung eines unteren Widerstandswertes einen Einschaltvorgang einleitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung

- wenigstens einen zweiten PTC-Thermistor (2) auf weist, der in Reihe zum ersten PTC-Thermistor (1, 1′, 1′′) geschaltet ist und eine niedrigere Ansprechtemperatur aufweist, und
- wenigstens ein parallel zum zweiten PTC-Thermi stor (2) geschaltetes Schaltungselement (4) vor gesehen ist, um den Gesamtwiderstand (R) der Schutzschaltung zumindest bis zum Erreichen der Nennansprechtemperatur des ersten PTC-Thermi stors (1) unter dem oberen Widerstandswert zu halten.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Schaltungselement (4) durch eine Diode, insbesondere eine Zenerdiode gebildet wird.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß neben dem ersten und zweiten PTC-Ther mistor (1, 2) wenigstens ein weiterer PTC-Thermistor (1′, 2′) vorgesehen ist, der die gleiche Nennan sprechtemperatur aufweist wie der erste PTC-Thermi stor (1).

4. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Nennansprechtemperatur des ersten PTC-Thermistors (1, 1′, 1′′) wenigstens 10°C, vor zugsweise wenigstens 20°C, über der Nennansprechtem peratur des zweiten PTC-Thermistors (2) liegt.

5. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein dritter PTC-Thermistor (3) vorge sehen ist, der eine Nennansprechtemperatur aufweist, die zwischen der Nennansprechtemperatur des ersten und zweiten PTC-Thermistors (1, 1′, 1′′, 2) liegt, wobei das erste Schaltungselement (4) derart dimen sioniert ist, daß es den Gesamtwiderstand der Schutzschaltung in einem Temperaturbereich zwischen der Nennansprechtemperatur des zweiten PTC-Thermi stors (2) und der Nennansprechtemperatur des dritten PTC-Thermistors (3) im wesentlichen auf einem ersten Widerstandswert hält und ferner ein zweites, paral lel zum dritten PTC-Thermistor (3) geschaltetes Schaltungselement (9) vorgesehen ist, das den Ge samtwiderstand der Schutzschaltung in einem Tempera turbereich zwischen der Nennansprechtemperatur des dritten PTC-Thermistors (3) und der Nennansprechtem peratur des ersten PTC-Thermistors (1) im wesentli chen auf einem zweiten Widerstandswert hält, der hö her liegt als der erste Widerstandswert, jedoch niedriger als der obere Widerstandswert.

6. Einrichtung zur Überwachung von Geräten- und/oder Maschinentemperaturen, bestehend aus einem Auslöse gerät sowie einer Schutzschaltung mit wenigstens ei nem ersten PTC-Thermistor (1), wobei das Auslösege rät bei Überschreiten eines oberen Widerstandswertes der Schutzschaltung einen Abschaltvorgang und bei Unterschreiten eines unteren Widerstandswertes einen Einschaltvorgang einleitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schutzschaltung ein dritter PTC-Thermi stor (3) vorgesehen ist, der eine Nennansprechtempe ratur aufweist, die zwischen der Nennansprechtempe ratur des ersten und zweiten PTC-Thermistors (1, 1′, 1′′, 2) liegt, wobei das erste Schaltungselement (4) derart dimensioniert ist, daß es den Gesamtwider stand der Schutzschaltung in einem Temperaturbereich zwischen der Nennansprechtemperatur des zweiten PTC-Thermistors (2) und der Nennansprechtemperatur des dritten PTC-Thermistors (3) im wesentlichen auf ei nem ersten Widerstandswert hält und ferner ein zwei tes, parallel zum dritten PTC-Thermistor (3) ge schaltetes Schaltungselement (9) vorgesehen ist, das den Gesamtwiderstand der Schutzschaltung in einem Temperaturbereich zwischen der Nennansprechtempera tur des dritten PTC-Thermistors (3) und der Nennan sprechtemperatur des ersten PTC-Thermistors (1) im wesentlichen auf einem zweiten Widerstandswert hält, der höher liegt als der erste Widerstandswert, je doch niedriger als der obere Widerstandswert, wobei das Auslösegerät derart ausgelegt ist, daß es bei Erreichen des ersten bzw. zweiten Widerstandswertes der Schutzschaltung Steuer- oder Regelsignale er zeugt.