DE197896C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schutzvorrichtungen für Wechselstromkreise und besteht aus einem Relais, das einen Ausschalter auslöst. · Das Relais soll den Ausschalter zur Wirkung bringen, wenn die Richtung des Stromes sich umkehrt.oder wenn der Strom ein bestimmtes Maß überschreitet, ohne Rücksicht auf die Spannung oder den Leistungsfaktor des Stromkreises.

Relais besitzen gewöhnlich ein Drehmoment, das dem Produkt aus Strom, Spannung und Leistungsfaktor des zu schützenden Stromkreises proportional ist. Solche Vorrichtungen haben aber deshalb nicht befriedigen können, weil es bei übermäßiger Stromstärke vorkommen kann, daß Spannung und Leistungsfaktor abfallen und folglich nicht genügendes Drehmoment auftritt, um das Instrument zur Wirksamkeit zu bringen und den Unterbrecher auszulösen.

Man hat wohl auch vorgeschlagen, das Drehmoment größer werden zu lassen, je nachdem die Spannung" abfällt; aber solche Einrichtungen sind im allgemeinen viel zu kompliziert, um der Praxis dienen zu können.

Der vorliegenden Erfindung zufolge soll das Relais außer der gewöhnlichen Wattmessereinrichtung noch Teile haben, welche der Stromstärke entsprechend wirken, wobei die aus beiden Wirkungen entstehenden Drehmomente einander entgegengesetzt sind. Wenn der. Strom, einen bestimmten Betrag überschreitet,- so' kann das Drehmoment, welches vom Strom allein abhängt, im Vergleich zu dem aus dem Produkt aus Strom, Spannung und Leistungsfaktor überwiegen, und zwar so weit, daß das Relais anspricht und den Unterbrecher ausschaltet. Wenn aus irgendeinem Grund der Strom seine Richtung umkehrt, wirken beide Drehmomente in derselben Riehtung, und wenn das so entstandene Gesamtdrehmoment einen bestimmten Betrag überschreitet, bringt das Relais den Unterbrecher zur Auslösung.

In der Zeichnung ist die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt.

Fig. ι zeigt sie in ihrer Anwendung auf ein Dreiphasensystem.

Fig. 2 stellt die Drehmomente abhängig von der Stromstärke dar.

Fig. 3 ist eine Ausführungsform für ein Zweiphasen system,

Fig. 4 eine andere für ein Dreiphasensystem.

Fig. 5 endlich mit den zugehörigen Kurven in Fig. 6, 7 und 8 zeigt abermals eine neue Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. ι ist ein Stromkreis 1,2,3 durch einen Stromunterbrecher 4 und dessen elektromagnetische Auslösespule 5 geschützt. Der Erregerstromkreis der Spule wird durch den Schalterarm 6 des Relais 11 geschlossen,: und zwar befindet er sich in der Normalstellung im unterbrochenen Zustande, indem die Feder 7 den Unterbrecher zurückzieht. Die Relaisstange oder Achse 10 trägt zwei Metallscheiben 12 und 13, welche sich zwischen den Polen der .

Magnetkerne 14 und 15 sowie 16 und 17 drehen können. Je ein Pol der Magnetkerne 14 und 15 ist mit Kurzschlußspulen 18 versehen, während je ein Pol der Kerne 16 und 17 durch be-

S sondere Spulen 19 und 20 erregt wird. Der Magnetkern 14 wird von einer Wicklung 21, welche mit der Wicklung 19 und mit der Sekundärwicklung 22 des Serientransformators 23 sich in Hintereinanderschaltung befindet, erregt; der Magnetkern 15.trägt eine Wicklung 25 in Hintereinanderschaltung mit der Wicklung 20 und der Sekundärwicklung 26 des Reihentransformators 27, dessen Primärwicklung in dem Stromkreis 3 liegt. Der Magnetkern 16 hat eine Wicklung 29, die durch die Sekundärwicklung 30 des Transformators 31 erregt wird, dessen Primärwicklung an die Speiseleiter 1 und 2 angeschaltet ist. Der Magnetkern 17 endlich trägt eine Wicklung 33, welche von der Sekundärwicklung 34 des Transformators 35 gespeist wird, dessen Primärwicklung 36 an die Leitungen 2 und 3 angeschlossen ist. Die Wicklungen der Kerne 14 und 15 erzeugen ein Drehmoment, das angenähert dem Quadrat der Stromstärke proportional ist, während das von den Wicklungen der Kerne 16 und 17 erzeugte Drehmoment angenähert der Leistung proportional ist. Die Wicklungen sind so geschaltet, daß das Drehmoment, welches auf die Scheibe 12 ausgeübt wird, bei normaler Stromstärke dem aiif die Scheibe 13 ausgeübten Drehmoment entgegenwirkt. Solange * die Summe oder Differenz der Drehmomente, mit anderen Worten die . algebraische Summe einen bestimmten Wert nicht überschreitet, verhindert die Feder 7 den Arm 6 mit dem Kontaktstück 8 in Eingriff zu kommen.

Für den praktischen Gebrauch kann es vorteilhaft sein, Dämpfungsvorrichtungen für den Drehkörper anzuordnen, um bei plötzlichen, augenblicklichen Überlastungen, und Störungen das Öffnen des Ausschalters zu verhüten. Es befindet sich deshalb an der Achse 10 das Schaufelrad 37, welches natürlich durch eine ähnliche Vorrichtung ersetzt werden kann.

Die Wirkungsweise des Systems läßt sich aus den Kurven der Fig. 2 erkennen. Die Abszissen sind der Stromstärke proportional und die Ordinaten den Drehmomenten, welche auf die leitenden Scheiben ausgeübt werden. Die Kurve C zeigt die Veränderungen des von der Stromstärke abhängigen Drehmomentes; sie hat etwa die Form einer Parabel, da das Drehmoment sich angenähert dem Quadrat der Stromstärke proportional verändert. Die Kurve W zeigt die Veränderung des von der Wattmesseranordnung herrührenden Drehmomentes und ist bei 100 Prozent Leistungsfaktor angenähert eine gerade Linie, da das Drehmoment der Wattmesservorrichtung' angenähert der ersten Potenz der Stromstärke proportional ist. Die beiden Kurven schneiden sich in einem Punkt χ und alsdann sind die beiden Drehmomente gegeneinander ausgeglichen.

Es sei angenommen, daß, um den Schaltann 6 gegen die Kraft der Feder zu bewegen, ein Drehmoment erforderlich ist, · welches durch die Länge der Ordinate. OT dargestellt wird. Wenn nun z. B. der Strom einen Betrag erreicht, der durch die Länge der Abszisse OI dargestellt ist, so wird das Drehmoment, welches durch die Strommesservorrichtung ausgeübt wird, größer als das durch die Wattmesservorrichtung hervorgerufene Drehmoment, und zwar um einen Betrag T₂, T₁. Wenn dieser Betrag gleich oder größer als die Länge OT ist, dann wird der Schaltarm 6 in Kontakt mit der Klemme 8 gebracht und. dadurch der Stromkreis der Magnetwicklung 5 geschlossen werden, so daß der Stromunterbrecher 4 sich öffnet.

Wenn ein¹ Strom gleich der Abszisse OZ₁, aber in einer der normalen entgegengesetzten Richtung fließt, so ist das Drehmoment, welches durch die Strommesservorrichtung ausgeübt wird, gleich der Ordinate OT_S, und das durch die Wattmesservorrichtung hen^orgerufene Drehmoment gleich OT₄. Beide Drehmomente wirken in gleicher Richtung, so daß das Gesamtdrehmoment durch die Summe der Ordinaten OT_S, OT^ dargestellt wird. Ist die Summe der Drehmomente OT_Z und OT₄, gleich oder größer als OT, so wird der Schaltarm 6 in Kontakt mit der Klemme 8 gebracht, der Magnet 5 erregt und der Stromunterbrecher 4 geöffnet.' Dabei ist zu beachten, daß der Schaltarm 6 den Kontakt 8 schließt, gleichviel ob die Stromstärke einen unzulässigen Betrag erreicht, oder ob der Strom seine Richtung umkehrt, da die Richtung des Drehmomentes der Wattmesservorrichtung sich ändert, wenn sich die Richtung des Stromes umkehrt.

In der Fig. 3 ist die Erfindung in Anwendung auf ein Zweiphasensystem und unter Benutzung einer anderen Relaisform dargestellt, bei der die Watt- und Strommesservorrichtung für jedes Leiterpaar vereinigt ist. Jede Vorrichtung enthält einen U-förmigen Kern 43 mit Polstücken 44, zwischen denen sich leitende Zylinder 45 drehen, wobei beide Zylinder durch eine Achse 10 starr verbunden sind. Die Wicklungen 19 und 20 umgeben die Teile 46 der Polstücke, d. h. Teile, wo der Kern verengt ist. In sich geschlossene Leiter 18 und 181 sind auf den Polstückteilen 46 und 47 sowie 471 angebracht. Die Hauptwicklungen 291, welche auf die Schenkel der Kerne 43 gewickelt sind, sind hinter die Sekundärwicklungen 30

und 34 der Transformatoren 31 und 35 geschaltet.

Die Wicklungen 291 entsprechen den Wicklungen 29, 33 in Fig. ι und wirken mit den Wicklungen 19, 20 (den Wicklungen 19, 20 in Fig. ι entsprechend) zusammen, so daß sie auf den drehbaren Teil ein Drehmoment ausüben, welches der Energie im Verteilungskreis proportional ist. Anderseits üben die Wickhingen 19, 20 im Verein mit den kurzgeschlossenen Leitern 18, 181 auf den drehbaren Teil ein Drehmoment aus, welches dem Quadrat des Stromes im Hauptstromkreis proportional ist. Es entspricht dies der Wirkung der Wicklungen 21, 25 und des kurzgeschlossenen Leiters 18 in Fig. 1. Die einzelnen Drehmomente kommen folgendermaßen zustande: Der drehbare Teil 45 des links liegenden Instrumentes wird von einer magnetischen Strömung durchflossen, welche von der Wicklung 291 herrührt und in horizontaler Richtung ■ zwischen den Polstücken 46 und 47 verläuft.

Eine zweite solche Strömung rührt von den Wicklungen 19 her und durchsetzt den drehbaren Teil in vertikaler Richtung, wobei sich der magnetische Stromkreis auf die Polstücke 46,47 beschränkt. Infolge der verschiedenen Induktanzen dieser Wicklungen sind die magnetischen Strömungen in der Phase verschoben und ergeben, weil auch räumlich verschoben, ein Drehfeld, welches ein Drehmoment auf den drehbaren Teil 45 ausübt, das . der Energie im Speisestromkreis proportional ist. Die Wicklungen 19 bringen für sich allein ebenfalls ein Drehmoment auf den Teil 45 hervor, da Teile der Enden der Polstücke mit Kurzschlußleitern 18, 181 umgeben sind. Dieses Drehmoment ist offenbar dem Quadrat des Stromes in der Wicklung proportional, also auch dem Quadrat des Stromes im Speisekreis.

Endlich wirkt ein drittes Drehmoment auf den beweglichen Teil 45 ein, welches von der vereinigten Wirkung der Wicklungen 291 und der kurzgeschlossenen Leiter 18, 181 herrührt. Dieses ist dem Quadrat des Stromes in der Wicklung 291 proportional, mithin dem Quadrat der Spannung im Speisestromkreis. Manchmal wirkt dieses dritte Drehmoment schädlich, wie später bei Erläuterung von Fig. 4 auseinandergesetzt wird.

Eine besonders günstige Form für eine Drehstromanlage endlich zeigt Fig. 4.

Ein U-förm.iger Kern 48 hat Polstücke 49 und trägt eine AVindung 50, welche von der . Sekundärwicklung 22 des Transformators 23 gespeist wird, so daß die in der Wicklung 50 herrschende, Stromstärke der Stromstärke der Leitung 1 proportional ist. Eine zweite Wicklung 51, welche auf demselben Kern angebracht ist und von der Wicklung 50 induziert wird, liegt in einem geschlossenen Stromkreis parallel mit 'der Wicklung 52, die die verengten Teile des Kernes 50 umgibt, welche durch die Aussparungen 53 gebildet werden. Der Strom in der Wicklung 50 · bringt ein Horizontalfeld zwischen den Polstücken 49 hervor. Der Strom in der \Vicklung 50 induziert einen Strom in der Wicklung 51, der der Wicklung 52 zugeführt wird und ein vertikales Feld zwischen den Polstücken 49 hervorruft. Der Strom in der Wicklung 52 ist somit dem in der Wicklung 50 proportional, und da der Strom in dieser Wicklung von der Sekundärwicklung 22 des Transformators 23 abgeleitet wird, so entsteht ein Drehmoment T₁ infolge dieses horizontalen und vertikalen Feldes, welches dem Quadrat der Stromstärke im Leiter 1 proportional ist.

.Der Strom, welcher von der Sekundärwicklun.g 30 des Transformators 31 herrührt, durchfließt die Windungen 52 und bringt ein vertikales Feld zwischen den Polstücken 49 hervor, während der Strom, der die Wicklung 50 durchfließt und aus der Sekundärwicklung 22 des Transformators 23 stammt, ein horizontales Feld zwischen den Polstücken 49 hervorbringt. Beide Felder vereinigen sich, um ein Drehmoment T₂ auf das bewegliche Element 45 auszuüben; dies ist proportional E-Icos Θ, d. h. proportional dem Energiebetrag des Stromkreises, wenn E die elektromotorische Kraft, /den Strom im Hauptstromkreis und Θ den Phasenwinkel zwischen elektromotorischer Kraft und Strom im Hauptkreis bezeichnet.

Der Strom, der aus der Sekundärwicklung 30 des Transformators 31 herrührt, teilt sich bei den Punkten 54 und 55, indem ein Teil die Wicklung 52, der Rest aber die Wicklung 51 durchfließt.. Der Stromteil, welcher 52 durchfließt, bringt ein Vertikalfeld zwischen ■ den Polstücken 49 hervor und der Rest, durch 51 fließend, erzeugt ein Horizontalfeld zwischen den genannten Polstücken. Beide Felder wirken zusammen, um ein Drehmoment T₃ auszuüben, welches dem Produkt der Stromstärken der Wicklungen 51, 52 proportional ist. Da nun beide Wicklungen 51 und 52 von der Sekundärwicklung 30 des Transformators 31 gespeist werden, so ist das Drehmoment T₃ offenbar dem Ouadrat der Stromstärke in der Wicklung 30 und damit auch dem Quadrat der Spannung proportional.

Es sei hervorgehoben, daß der Strom in der Wicklung 52, der vom Transformator 31 herkommt, in seiner Richtung demjenigen entgegengesetzt ist, welcher aus der Wicklung 51 stammt, die eine Sekundärwicklung zur Wicklung 50 ist. Mithin wird .,das Drehmoment T₂ im Normalzustand dem Drehmoment T₁ ent-

gegengesetzt,, und die Gleichung, welche für das resultierende Drehmoment T gilt (welches Drehmoment auf das bewegliche Element 45 ausgeübt wird), hat die folgende Form:

T = T₁ — T₂ -+ T₃.

Dies läßt sich auch schreiben:

T= A'P — B-EJ + C'E\

wobei A, B und C Konstanten bedeuten.

Die Entstehung des resultierenden Drehmomentes, welches auf das bewegliche Glied ausgeübt wird, läßt sich leicht aus dem Diagramm der Fig. 6 ersehen; dabei bedeuten die Abszissen die Stromstärken, die Ordinaten die Drehmomente T₁, T₂ und T₃. Das resultierende Drehmoment ist durch die Kurve A-B dargestellt und ist, wie gesagt, gleich T₁ — T₂-\- Ί\. Die Werte des resultierenden Drehmomentes für verschiedene positive und negative Werte der Stromstärke im Leiter 1 finden in der Figur ihren tatsächlichen Ausdruck.

Da es im allgemeinen wünschenswert ist, daß die Stromunterbrechung· bei normaler Stromrichtung" erst erfolgt, wenn der Strom die normale Stärke sehr übersteigt, und bei umgekehrter Stromrichtung schon erfolgt, wenn.der Strom noch sehr gering ist, so ist es klar, daß diese Form der Vorrichtung sich im allgemeinen als die zweckmäßigste darstellen wird.

Jn manchen Fällen indessen ist es wünschenswert, die Arbeitsbedingungen zu ändern, und zu diesem Behufe ist das Joch des Kernes des Instrumentes, welches in Fig. 5 gezeigt ist, noch mit einer zusätzlichen Kompensationswicklung 56 ausgestattet, welche mit der Sekundärwicklung 30 des Transformators 31 in Reihe geschaltet ist. Der Zweck dieser Kompensationswicklung 56 ist, das Feld, welches von dem die Wicklung 51 durchfließenden und vom Transformator 31 gelieferten Strom herrührt, zu schwächen und somit das Drehmoment für einen gegebenen Stromwert zu verkleinern. Die Wirkung der Wicklung 56 ist also die, für einen gegebenen Stromwert den Wert der Drehmomente T₂ und T₃ zu verkleinern. Dies läßt sich leicht aus der Fig. 7 erkennen ; die Abszissen sind dabei der Stromstärke im Hauptstromkreis proportional, die Ordinaten aber den einzelnen Drehmomenten. Wie in Fig. 6 ist das resultierende Drehmoment T (dargestellt durch Kurve C-D) gleich T₁ — T₂-J- T₈ bei gegebenem Stromwert. In Fig. 8 sind die Kurven A-B und C-D zu dem Behuf gezeichnet, den Vergleich zu erleichtern und die Tatsache zu beweisen, daß bei Verwendung einer Kompensationswicklung 56 der Rückstrom einen höheren Betrag erreichen muß, um den Unterbrecher zu öffnen, als bei nicht vorhandener Kompensationswicklung.

Die Erfindung ist dargestellt für Zwei- und Dreiphasensysteme, aber ohne weiteres ist erkennbar, wie sie auch bei Einphasensystemen ihre Verwendung findet, wobei natürlich nur ein Instrument nötig ist.

Claims (5)

1. Patent-Ansprüche·;

   i. Sicherheitsvorrichtung zur selbsttätigen Unterbrechung eines Stromkreises bei Überschreitung der normalen Stromstärke und bei Rückstrom, dadurch gekennzeichnet, daß auf das den Ausschalter be-.wegende Glied bei normaler Stromrichtung zwei. entgegengesetzte Drehmomente einwirken, deren eines von der Energie und deren anderes von der Stromstärke abhängig ist.
2. 2. Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1 für Mehrphasen- · Stromkreise, dadurch gekennzeichnet, daß auf zwei Metallscheiben (12, 13) zwei Elektromagnetsysteme einwirken, von denen das eine durch Stromtransformatoren (23,27) erregt wird und an den Polen mit Kurzschlußspulen versehen ist, so daß es ein dem Quadrat der Stromstärke proportionales Drehmoment erzeugt, während das andere Magnetsystem von Spannungstransformatoren (31,35) erregt wird und an den Polen durch Stromtransformatoren gespeiste Wicklungen trägt, so daß es ein der Energie proportionales Drehmoment erzeugt.
3. 3. Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1,. dadurch ge- ■ kennzeichnet, daß auf den Schenkeln eines eine Metaljtrommel (45) induzierenden Elektromagnetes (43) eine durch einen Spannungstransformator (31) gespeiste Wicklung (291) und auf den Polschuhen eine durch einen Stromtransformator (23) gespeiste Wicklung (19) angebracht ist, so daß die Felder der beiden Wicklungen ein der Energie proportionales Drehmoment erzeugen, während durch die Felder der Polschuhwicklung (19) und der auf Vorsprüngen der Pole angebrachten no Kurzschlußwicklungen · (18, 181) ein dem Quadrat der Stromstärke proportionales Drehmoment erzeugt wird.
4. 4. Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- ¹¹S kennzeichnet, daß auf den Schenkeln eines eine Metalltrommel induzierenden Elektromagnetes (48) eine durch einen Stromtransformator (23) gespeiste Wicklung .. (50) und eine zweite von ihr induzierte ¹^o

   Wicklung (51) angebracht ist, die mit einer auf den Polschuhen angeordneten Wicklung (52) in Reihe geschaltet ist, so daß die Felder der letzteren und der Schenkelwicklung (50) ein dem Quadrat der Strömstärke proportionales Drehmoment erzeugen, wobei die Polschuhwicklung (52) gleichzeitig an einen- Spannungstransformator (31) angeschlossen ist, so daß das vom Spannungsstrom dieser Spule erzeugte Feld, zusammen mit dem Feld der vom Hauptstrom durchflossenen Schenkelspule (50) ein der Energie proportionales Drehmoment erzeugt.
5. 5. Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensierung des vom Spannungsstrom der einen Schenkelwicklung (51) hervorgebrachten Feldes eine weitere vom Spannungsstrom durchflossene Wicklung (56) auf die Magnetschenkel aufgebracht ist.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.