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Schaltungsanordnung für einen elektronischen Überstromschalter Die
Erfindung betrifft eine elektronische Überstromschaltanordnung für Wechselstrom
in Trägerfrequenz- oder anderen in Gestelleinheiten zusammengefaßten elektrischen
Systemen.
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Bei ungeregelten, netzgespeisten Stromversorgungsgeräten ial es üblich,
einen Kurzschluß- und Überlastungsschutz sowohl für die Stromversorgung als auch
fUr die Gestellverdrahtung auf der Betriebsspannungsseite über mehrere Verteilsicherungen
zu erreichen. Dabei ist der Nennstromwert ihrer Verteilsicherung erheblich kleiner
als der Nennstrom der Stromversorgung, so daß bei ausgangsseitigen Kurzschlüs@@n
innerhalb kürzester Zeit die Sicherung in dem @@@spre@@enden Siromkreis ausl@st.
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Es sind aber such Sauweisen bekannt und in V'rwen?:-ung, die keine
Verteilsicherungen aufweisen, Die Sicherungen werden den angeschlossenen Verbraucher@
@@geordnet und befinden sich in Form elektronischer Sicherungen in den entsprechenden
Geräteeinsätzen.
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Die gesamte Verteilung der Betriebsspannung bis zu den Geräteeinsätzen
ist damit unabgesichert.
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Erfolgt vor dem Geräteeinsatz ein Kurzschluß, so kann der der Stromversorgung
auf der Netzverteilseite vorgeschaltete Sicherungsautomat, wenn der Kurzschlußstrom
genügend groß ist, unter Umständen über die verzögerte thermische Auslösung ansprechen.
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Der Sicherungsautomat läßt sich jedoch unter Berücksichtigung der
Einschaltstromstöße nicht für die Abschaltung eines sekundären Kurzschlusses dimensionieren.
Damit es bei Normalbetrieb nicht zu einer Fehlauslösung des Sicherungsautomaten
kommt, muß der Nennstromwert des Sicherungsautomaten dem zweifachen oder nächst
höheren Wert des Gerätenennstromes entsprechen.
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Hierbei darf der Scheitelwert des Einschaltstromes den 12,5-fachen
Werft des Nennstromes des Sicherungsautomaten nicht überschreiten. Einschaltströme
werden dadurch hervorgerufen, daß
bei beispielsweise positiver Kernremanenz
des Transformators im Nulldurchgang die Netzspannung bei anschließend positiver
Spannungshalbwelle zugeschaltet wird, wodurch das Kernmaterial in die Sättigung
kommen kann. Beträgt der Nennstrom der Stromversorgung beispielsweise 0,9 Ampere,
so muß ein Sicherungsautomat von 2 Ampere vorgeschaltet werden, der bei 40% Überlastung
(2,8 Ampere) erst.nach einer Stunde auslösen kann (großer Prüfstrom). Dieses Beispiel
zeigt, daß es auf Grund einer Überlastung um etwa den Faktor 3 (0,9 A x 3 = 2,7
A) eine Stunde dauern kann, bis-der automat abschaltet. In dieser Zeit kennen, da
der.Strom quadratisch in die Stromwärme eingeht, beträchtliche Übertemperaturen
und Überlastungen beziehungsweise Zerstôrungen auftreten.
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Man kann zerstörende Auswirkungen beim Auftreten eines Kurzschlusses
durch plus völlige Absch@ltung des Gerätes ve@@eiden, was normalerweise durch handelsübliche
Sicherungsautomaten mit ihren bekannten Unzulänglichkeiten geschieht. man kann ihnen
aber auch durch eine Strombegrenzeranordnung begegnen, die, wenn sie elektronisch
arbeitet ein Stellglies @@@ @ntsprechenden Regeleinrichtungen erfordert. Der zusätzliche
Aufwand zu einer bestenhenden 220-Volt Wechselstromversorgung ist hierbei sehr erheblich.
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Angeführt sei auch eine elektronische Schaltanordnung nach DT-AS 1
283 359, bei der die Abschaltung über eine Schmelzsicherung erfolgt. Es wird hierbei
beim Auftreten eines Überstromes ein steuerbarer Gleichrichter durchgeschaltet.
Dieser Gleichrichter verursacht hierbei zunächst einen Kurzschluß und dieser Eurzschluß
löst die Sicherung aus; diese Methode entspricht einer indirekten Abschaltung und
stellt keine zeitgemäße Lösung mehr dar.
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Darüber hinaus wird bei dieser Schaltungsanordnung der Überstrom auf
der Gleichstromseite gemessen, das heißt Überströme, die auf Grund defekter Siebkondensatoren
oder Gleichrichter in der Stromversorgung intern auftreten, werden hiermit nicht
erfaßt. Das
Gerät ist also in sich selbst nicht geschützt.
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Demgegenüber richtet sich die Aufgabenstellung der Erfindung auf einen
Uberstromschalter, der wechselstromseitig angeordnet den gesamten Komplex, das heißt
die Stromversorgung in sich selbst, die Gestellverdrahtung und die Geräteeinheit
unabhängig von der Umgebungstemperatur vor Kurzschldssen und vor unzulässigem Überstrom
schützt, wobei eine individuelle und genaue Empfindlichkeiteinstellung der Schalter
gewährleistet ist sowie Wartungsfreiheit und absolute Betriebssicherheit gegeben
sind.
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Diese Aufgabenstellung wird gelöst vermittels einer elektronischen
Überstromschaltanor?nung für Wechselstrom durch eine in der Wechselstromspeiseleitung,
die durch einen Transformator von der Verbraucherseite galvanisch getrennt istb
angeordnete steuerbare Halbleiterdiode mit bidirektionalem Schaltverhalten, die
über einen mit ihrer Steuerelektrode über einen Strombegrenzungswiderstand verbundenen
Schalter stromdurchlässig oder sperrend schaltbar ist und durch einen vom Verbraucherstrom
durchflossenen Stromwandler, dessen Sekundärseite einer Schalteinrichtung zuge führt
ist, in der ein definierter Meßwert einstellbar ist, der für die Schalteinrichtung
die Einstellung eines gewünschten Ansprechkriteriums ermöglicht, wodurch der Schalter
gesteuert wird, der die Halbleiterdiode in den Sperrzustand steuert, wobei der Schalter
bei eingetretener Sperrung der Diode durch eine Halteschaltung bis zur Behebung
der Sperrursache gehalten wird.
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Die Erfindung und ihre Wirkungsweise werden anhand der Zeichnung näher
beschrieben: Die Zeichnung zeigt als Beispiel eine Schaltanordnung zur direkten
elektronischen Abschaltung einer Geräteeinheit über eine steuerbare Halbleiterdiode
(Triac).
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Auf der Leistungsseite ist die Stromversorgung G mit dem Gleichrichter
einschließlich Siebteil und den Verbrauchern angeordnet.
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Der Transformator Ti transformiert die Netzwechselspannung auf einen
solchen Wert herab, der nach Gleichrichtung und Siebung im Stromversorgungsteil
G am Verbraucher V als Gleichspannung in der gewünschten Höhe zur Verfügung steht.
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Der elektronische Überstromschalter ist-auf der Primärseite des Transformators
Ti angeordnet. Die steuerbare Diode D im Hauptstromweg stellt den elektronischen
Schalter dar, der die Netzspannung im Steuersinn durchschaltet oder sperrt. In Ruhestellung
des Schalters r (Stellung 2) fließt ein Steuerstrom vom Netz über den Schalter r
und den Strombegrenzungswiderstand W in die Steuerelektrode der Halblei;terdiode
D, wodurch die Diode in den niederohmigen leitenden Zustand versetzt wird. Im Sekundärkreis
des Netztransformators Ti ist ein Stromwandler T2 angeordnet, der als Strommeßeinrichtung
fungiert und unter galvanischer Trennung die Bildung einer Meßgröße gestattet, die,
nach einer hier nicht näher dargestellten Gleichrichtung, die Schalteinrichtung
R2 steuert, wobei die Schalteinrichtung Schwellwertcharakteristik besitzt und bei
einer bestimmten Meßgröße, die vom Strom durch den Stromwandler T2 abhängig ist,
in den entgegengesetzten Zustand kippt und den Schalter r in die Schaltstellung
1 umschaltet. Durch die unter Vorspannung stehende Halteeinrichtung R7 wird der
Schalter r in der Schalterstellung 1 gehalten.
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Durch die Umschaltung des Schalters r von Stellung 2 auf Stellung
1 geht die steuerbare Diode D1 bei der nächstfolgenden Halbwelle in den Sperrzustand
über, die Stromversorgung und von ihr gespeiste Verbraucher werden somit von der
Netzspannung abgeschaltet.
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Der technische Fortschritt gegenüber bekannten Anordnungen ist darin
begründet, daß der Überstromschalter nach der Erfindung wegen der Meßwertbildung
über einen galvanisch trennenden Stromwandler T2 auch auf sekundärseitig auftretende
Überströme eines Transformators - also schon auf der Wechselstromseite - anspricht.
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Damit werden überströmte und Kurzschlußströme, die bei einer Störung
in der Stromversorgung G, beispielsweise durch schadhafte Siebkondensatoren beziehungsweise
defekte Gleichrichter etc., auftreten können, auch mit erfaßt, womit praktisch alle
Geräte einschließlich der Gestellverdrahtung geschützt sind.
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Der vorgesehene Stromwandler T2 erzeugt unter galvanischer Trennung
auf seiner Sekundärseite nach entsprechender Gleichrichtung an einer Bürde eine
genaue definierbare stromproportionale Meßgleichspannung, die die Schalteinrichtung
R2 steuert.
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Durch entsprechend dimensionierte Siebglieder ist die Meßspannung
so bedämpfbar, daß kurzzeitige Stromspitzen, die durch den Ladestoß der Siebkondensatoren,
wie sie beispielsweise beim Einschalten des Gerätes auftreten, nicht zur Umschaltung
des Schalters r und damit nicht zur Auslösung der elektronischen Abschaltung führen.
Der Ansprechwert der Schalteinrichtung R2 ist gegenüber bekannten Schutzeinrichtungen
für jede Empfindlichkeit präzise einstellbar.
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Ein wesentlicher Vorteil besteht auch darin, daß der die Schalteinrichtung
R2 steuernde Stromwandler T2 auf der Sekundärseite des Transformators Ti angeordnet
ist; wäre dies primärseitig der Fall, so könnte es wegen der extremen Ströme die
hier auftreten, zu Fehlauslösungen kommen. So können beispielsweise die durch den
Transformator Ti hervorgerufenen Einschaltströme das 25-fache des Nennstromes betragen.
Durch zusätzliche Siebglieder lassen sich diese Spitzen wohl soweit bedämpfen, daß
keine Fehlauslösungen auftreten, dies erfordert jedoch zusätzliche Bauelemente und
führt zu einer unerwünschten Ansprechverzögerung des Überstromschalters, die bewirkt,
daß bei einem direkten Kurzschlußfall nicht schnell genug abgeschaltet wird.
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Ein weiterer Vorteil ist es, daß auf der Leistungsseite keine mechanischen
Kontakte vorhanden sind, die einem Verschleiß unterworfen sind. Kontakte sind nur
auf der Steuerebene vorhanden, wodurch wegen der galvanischen Trennung des Schalters
r von der
Erregerseite ein einfacher Schaltungsaufbau möglich ist.
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Wird als Schalter r ein Reedkontakt verwendet, so arbeitet diese Anordnung
besonders zuverlässig. Ein solcher Reedkontakt ist unempfindlich gegen Spannungsspitzen,
die durch Schaltvorgänge im Netz hervorgerufen werden können und die der Netzspannung
überlagert sind.