DE2303993A1 - Schaltungsanordnung zur erkennung eines durch phasenausfall oder erdschluss in der stromversorgung eines drehstrommotors bedingten fehlers - Google Patents

Schaltungsanordnung zur erkennung eines durch phasenausfall oder erdschluss in der stromversorgung eines drehstrommotors bedingten fehlers

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Description

Sprecher & Schuh AG. Aarau (Schweiz)
Schaltungsanordnung zur Erkennung eines durch Phasenausfall oder Erdschluss in der Stromversorgung eines Drehstrommotors bedingten Fehlers
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erkennung eines durch Phasenausfall oder Erdschluss in der Stromversorgung eines Drehstrommotors bedingten Fehlers aus zu den Strombeträgen in den Motoraussenleitern proportionalen Erfassungswechselspannungen .
Zum Schutz von Drehstrommotoren gegen schädliche Erwärmung derer Wicklungen werden z.B. elektronische Motorschutzrelais verwendet;, bei denen über eine von den Strombeträgen in den Motoraussenleitern abhängige Messspannung vermittels einer elektrischen Motornachbildung ein die Erwärmung des Motors wiedergebendes Steuersignal erzeugt und durch das Steuersignal beim Erreichen der Grenztemperatur das Relais zum Abschalten der Stromversorgung für den Motor.erregt wird. Trotz Verwendung eines solchen Motorschutzrelais kann es jedoch beim Auftreten
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eines Erdschlusses, einer Leitungs- oder Wicklungsunterbrechung zu einer unzulässigen Erwärmung der Motorwicklung kommen. Der Ausfall einer Phase führt zu einem Stromanstieg in den beiden nicht betroffenen Aussenleitern (Zweiphasenbetrieb). Ist der Motor in Stern geschaltet, so entspricht bei Phasenausfall zwar der Stromanstieg in den nicht betroffenen Aussenleitern dem Stromanstieg in den zugehörigen Wicklungen, die Gesamtverluste steigen aber stärker an, so dass das Relais zu spät abschalten würde. Bei einem in Dreieck geschalteten Motor bleibt bei Phasenausfall die Stromstärke in zwei Wicklungen in etwa unverändert, während der Strom in der dritten Wicklung ansteigt. Der prozentuale Stromanstieg in dieser dritten Wicklung ist im allgemeinen jedoch grosser als die prozentuale Stromzunahme in den beiden nicht betroffenen Aussenleitern, so dass es zu einer Ueberhitzung dieser dritten Wicklung kommen kann, wenn das Relais nicht vorzeitig abschaltet. Besonders gefährdet ist der Motors wenn bei einer Wicklung ein Erdschluss auftritt. Die Stromzunahme beim Auftreten eines Wicklungserdschlusses ist aber vom Ort des Erdschlusses abhängig und umso geringer je näher die Erdschlussstelle bei einem in Stern geschalteten Motor dem Sternpuhkt und bei einem in Dreieck geschalteten Motor der Wicklungsmitte liegt, so dass beim Auftreten eines Wicklungserdschlusses die Ueberlastung zunächst so niedrig sein kann, dass das Relais nicht abschaltet. In einem symmetrischen Drehstromsystem ist der Scheitelwert der gleichgerichteten Phasenspannungen bei 3-pulsiger Gleichrichtung doppelt so hoch wie der niedrigste Momentanwert dieser Spannungen. Sobald Unsymmetrien auftreten, ändert sich dieses Verhältnis. Dies wird bei bekannten Einrichtungen zum Schutz von Drehstromverbrauchern ausgenutzt, bei denen aus den mittels Drehstromgleichrichter gleichgerichteten Phasenspannungen eine dem Scheitelwert proportionale Messspannung erzeugt und aus der Messspannung und
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dem niedrigsten Momentanwert das Verhältnis, meist jedoch die Differenz gebildet wird. Ueberschreitet das Verhältnis bzw. die Differenz einen bestimmten Wert, d.h. wird dasDrehstromsystem unsymmetrisch, erfolgt Signalgabe oder Abschaltung des Verbrauchers. Solche Einrichtungen werden sehr aufwendig, wenn statt der Phasenspannungen die vorstehend erwähnten Erfassungswechselspannungen in der Höhe von 1 Volt und weniger für die Herleitung der Messspannung zur Verfügung stehen, da dann teure Präzisionsgleichrichter verwendet werden müssten.
Aufgabe der Erfindung ist, eine im Aufbau verhältnismässig einfache Schaltungsanordnung für die Fehlererkennung bei einem Drehstrommotor anzugeben, die aus Erfassungswechselspannungen von 1 Volt und weniger das Auftreten eines Erdschlusses und eines Phasenausfalles getrennt feststellt und entsprechende Meldesignale abgibt, so dass zur Erzeugung der Erfassungswechselspannungen preisgünstige Strom/Spannungs-Wandler benutzt werden können und durch die für Erdschluss und Phasenausfall separaten Meldesignale das Motorschutzrelais für einen optimalen Schutz des Drehstrommotors gesteuert werden kann'.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeit-Multiplexvorrichtung und eine dieser nachgeschaltete Gleichrichterschaltung vorgesehen sind, um aus den Erfassungswechselspannungen durch zyklisch aufeinanderfolgende Probenahmen einheitlicher Dauer ein Zeit-Multiplexsignal zu erzeugen, dessen Signalamplituden und Signalfrequenz durch die ineinandergeschachtelten Erfassungswechselspannungen gegeben sind, und aus dan positiven oder negativen Anteilen des Zeit-Multiplexsignals durch Glättung oder Mittelwertbildung eine Messspannung zu bilden, deren Höhe in etwa dem Scheitelwert der höchsten Erfassungswechselspannung bzw. dem arithmetischen Mittelwert der drei Erfassungswechselspannungen proportional
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ist, dass für die Erkennung eines Phasenausfalls das Zeit-Multiplexsignal mittels eines Differentiators differenziert wird und die den höchsten Amplitudenwert aufweisenden Spannungsimpulse des Differentiators in einem ersten Komparator mit einem prozentualen Anteil der Messspannung verglichen werden, wobei dieser prozentuale Anteil der Messspannung so gewählt ist, dass der Phasenausfall-Komparator bei ungestörter Stromversorgung des Motors nicht anspricht und beim Auftreten eines Phasenausfalls ein Phasenausfall-Meldesignal abgibt, und dass für die Erkennung eines Erdschlusses aus dem Zeit-Multiplex-Signal mittels eines Tiefpasses für mit der Frequenz der Erfassungswechselspannungen auftretende Signalkomponenten der Spitzenwert abgeleitet und der Spitzenwert in einem zweiten Komparator mit einem anderen prozentualen Anteil der Messspannung verglichen wird, wobei dieser andere prozentuale Anteil der Messspannung so gewählt ist, dass der Erdschluss-Komparator bei ungestörter Stromversorgung desMotors nicht anspricht und beim Auftreten eines Erdschlusses ein Erdschluss-Meldesignal abgibt. Das mit einer Zeit-Multiplexvorrichtung, die von einfacher Bauweise sein kann, erzeugte Multiplexsignal enthält die für die Fehlererkennung benötigten Informationen für ungestörte und durch Phasenausfall und Erdschluss gestörte Stromversorgung des Motors und zur Separierung der Erdschluss- und Phasenausfallinformation reicht ein Tiefpass und ein Differentiator aus, die je aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehen können. Durch die auf getrennten Kanälen erhaltenen Meldesignale kann das elektronische Motorschutzrelais so gesteuert werden, dass es beim Auftreten eines Erdschluss-Meldesignals bzw. Phasenausfall-Meldesignals wahlweise praktisch unverzögert oder beschleunigt auslöst, so dass der Schutz des Motors in jedem Falle gewährleistet· ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nur ein Gleichrichter erforderlich ist. Als Gleichrichter kann ein
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Präzisionsgleichrichter verwendet werden, dessen Ausgang an einen Spannungsteiler angeschlossen und zur Glättung der Ausgangsspannung mit mindestens einem Kondensator verbunden ist, wobei der Spannungsteiler so bemessen wird, dass von ihm die Anteile der Messspannung für den Erdschluss- und/oder Phasenausfall-Komparator abgegriffen werden können. Zur Normierung des Zeit-MuItiplexsignals kann zwischen den Ausgang der Zeit-Multiplexvorrichtung und die Gleichrichterschaltung ein Verstärker mit einstellbarer Verstärkung geschaltet sein, wobei vorteilhaft ein Operationsverstärker verwendet wird, dessen einer Eingang mit dem Ausgang der Zeit-Multiplexvorrichtung verbunden und dessen anderer Eingang zur Einstellung der Verstärkung an einen Spannungsteiler angeschlossen ist, wobei das Widerstandsverhältnis der durch den Abgriff für den Operationsverstärkereingang festgelegten Spannungsteilerzweige die Verstärkung bestimmt. Auch die Erdschluss- und/oder Phasenausfall-Komparatorschaltung kann als Komparator einen Operationsverstärker enthalten, dessen einer Eingang mit dem Tiefpass bzw. dem Differentiator verbunden ist, an dessen anderem Eingang der jeweilige prozentuale Anteil der Messspannung liegt und dessen Ausgang mit dem Steuereingang eines elektronischen Schalters, insbesondere eines Feldeffekt-Transistors verbunden ist, der beim Auftreten eines Erdschluss- bzw. Phasenausfall-Signals am Ausgang des Operationsverstärkers anspricht. Diese elektronischenSchalter können zur Steuerung des elektronischen Motorschutzrelais ohne Schwierigkeiten an den hierzu geeignetsten Stellen der Steuerschaltung eingeschaltet sein. Vorzugsweise ist mit dem Feldeffekt-Transistor der Erdschluss-Komparatorschaltung und mit dem Feldeffekt-Transistor der Phasenausfall-Komparatorschaltung je ein Widerstand des die Verstärkung des Verstärkers -bestimmenden Spannungsteilers überbrückt und die Verstärkung des Verstärkers bei Auftreten eines Erdschlusses
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bzw', eines Phasenausfalls durch Sperren des Feldeffekt-Transi- ! s.tors durch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers der entsprechenden Komparatorschaltung auf einen anderen Wert umstellbar und zusätzlich kann an die Ausgänge der Operationsverstärker der Erdschluss- und Phasenausfall-Komparatorschaltung eine Fehleranzeigeschaltung mit einem akustischen oder optischen Signalgerät angeschlossen sein, um das Auftreten eines Fehlers gleichzeitig zu signalisieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine Schaltungsanordnung zur Signalisierung von Erdschluss- und Phasenausfallfehlern,
Fig. 2 schematisch ein Oszillogramm für ein Zeit-Multiplexsignal in der Schaltungsanordnung der Fig. 1,
Fig. 3 Stromzeigerdiagramme für einen Drehstrommotor bei ungestörter und durch Unsymmetrie der Speisespannungen gestörter Stromversorgung, und
Fig. 4 ein Schaltbild für die Schaltungsanordnung der Fig. 1, in welchem mehr Einzelheiten ersichtlich sind.
Wie im Blockschaltbild der Fig. 1 ersichtlich ist, sind an die Aussenleiter R,S,T, des Motors M Strom/Spannungswandler WR, Wg, W^ angeschlossen, die als Eingangs signale für die Schaltungsanordnung den Motorströmen proportionale Spannungen, die Erfassungswechselspannungen ÜR, U31 U^1 liefern. Die Strom/Spannungswandler können einfacher und preisgünstiger Bauart sein, da für die Schaltungsanordnung Erfassungswechselspannungen nur geringer Höhe, z.B. 1 Volt und darunter benötigt werden. Die Erfassungswechselspannungen ÜR, U3, U^ sind an die drei Eingänge Εχ eines Zeit-Multiplexers 1 gelegt, der, von
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einem Taktgeber 2 gesteuert, die drei Eingänge E, ständig der Reihe nach für jeweils eine gleiche Zeitspanne an eine Sammelleitung 3 anschliesst, wobei die Taktfrequenz wesentlich höher als die Frequenz des Motorstromes (50 Hz) ist und z.B. 2 kHz beträgt. Fig. 2zeigt ein Oszillogramm für das von der Sammelleitung 3 übertragene Multiplexsignal. Das Oszillogramm dieses Zeit-Multiplexsignals weist aufeinanderfolgende "Signalpatebe" gleicher Dauer und positiver bzw. negativer Amplitude auf, durch die die ineinandergeschachtelten Probenwerte der drei Erfassungswechselspannungen UD, Uc, Um wiedergegeben sind. Wegen der zyklisch aufeinanderfolgenden Probenahmen aus den drei Erfassungswechselspannungen UR) U„, Um ist im Oszillogramm bei ungestörter Stromversorgung des Motors und hoher Taktfrequenz, d.h. kurzer Probenahmezeit (Dauer der oignalpakete) die Gesamtfläche von drei aufeinanderfolgenden und entsprechend ihrer positiven oder negativen Amplitude bewerteten Signalpaketen gleich Null. Im Diagramm der Fig. 2 sind drei solche aufeinanderfolgende Signalpakete durch Schraffierung hervorgehoben und mit Ug, , Urm ι U1,- bezeichnet.
11 n.J.
Zur Verstärkung des Zeit-Multiplexsignals ist ein Verstärker 4 vorgesehen, der für eine gute Uebertragung der Signalflanken eine ausreichend hohe Grenzfrequenz besitzt und dessen Verstärkung zur Normierung des Ausgangssignals für die Weiterverarbeitung einstellbar ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 4 ist zur Gleichrichtung und Glättung bzw. Mittelwertbildung einer Gleichrichterschaltung 5 zugeleitet, die die Messspannung UM abgibt. Die Gleichrichterschaltung 5 enthält einen Präzisionsgleichrichter, durch den z.B. die negativen Signalpakete des verstärkten MuItiplexsignals abgeschnitten werden, und zur Glättung bzw. Mittelwertbildung der Ausgangsspannung des Gleichrichters einen Kondensator, von dem die Messspannung
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UM abgegriffen wird. Die Ausgangsspannuhg des Gleichrichters gibt über das Multiplexsignal die eine Einhüllende der drei Erfassungswechselspannungen UD, Ua, IL, wieder und enthält bei ungestörter Stromversorgung des Motors im symmetrischen Betrieb eine Oberschwingung von 150 Hz^mit einem Verhältnis U . /U von o,5. Die Messspannung UM am Kondensator ist je . rom max jyi
nach Schaltung einem Mittelwert der drei Erfassungswechselspannungen U„, U„, U_ bzw. dem Scheitelwert der höchsten Erfassungswechselspannung proportional. Die Messspannung D*M wird zur Ansteuerung eines elektronischen Motorschutzrelais EMS-benutzt und bei der vorliegenden Schaltungsanordnung zur Erkennung eines bei dem Motor auftretenden Erdschlusses oder Phasenausfalls b enötigt.
Die Gesamtfläche von drei aufeinanderfolgenden Signalpaketen (Fig. 2) ist, wie vorstehend erwähnt, bei ungestörter Stromversorgung des Motors gleich Null, d.h. bei drei aufeinanderfolgenden oignalpaketen ist die Flächensumme der positiven Signalpakete gleich der Flächensumme der negativen Signalpakete, sie ist jedochiingleich Null, wenn ein Erdschluss vorliegt. Mit dom Auftreten eines Erdschlusses ergibt sich im Oszillogramm der Fig. 2 eine resultierende Komponente, die in der Ausgangsspannung des Verstärkers 4 als 50 Hz-Komponente in Erscheinung tritt. Für die Erüschlusserkennung ist in der Schaltungsanordnung der Fig. 1 ein Tiefpass 6 vorgesehen, der an den Ausgang des Verstärkers 4 angeschlossen und so bemessen ist, dass die Taktfrequenz gut unterdrückt, die 50 Hz-Frequenz hingegen praktisch nicht geschwächt wird. In einer Komparatorsehaltung wird der Spitzenwert der bei einem Erdschluss in der Ausgangsspannung des Verstärkers 4 vorhandenen 50-Hz Komponente mit der Messspannung U-, verglichen. Da durch Unsymmetrie!! bei den Stromwandlern WR, Wg, WT ein Erdstrom vorgetäuscht werden kann und eine gewisse Ueberlastung des Motors ohne Schädigung zuläs-
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sig ist, wird der Spitzenwert mit einem bestimmten Prozentsatz der Messspannung U^ verglichen und die Komparatorschaltung 7 gegebenenfalls unter Hinzunahme weiterer Schaltteile, wie z.B. eines gesteuerten elektronischen Schalters, so ausgelegt, dass ein einen Erdschluss meldendes Signal SE abgegeben wird, sobald der Spitzenwert den bestimmten Prozentsatz der Messspannung Uj, überschreitet.
In der Stromversorgung des Motors fällt eine Phase aus, wenn eine Unterbrechung eines Aussenleiters, z.B. durch Ausfall einer Sicherung, oder bei einer Wicklung auftritt. Hierbei können folgende beiden Fälle unterschieden werden: a) der Motor kippt wegen hoher Belastung und stark abgeschwächtem Kippmoment in Zweiphasenbetrieb oder b) bei geringer Belastung läuft der Motor mit erhöhtem Schlupf weiter, wobei die Wicklungs- und Aussenleiterströme wegen der etwa konstanten abverlangten Leistung stark ansteigen. Bei Ausfall einer Phase blei*· ben die vektorielle Summe der Aussenleiterströme und entsprechend im Oszillogramm des Zeit-Multiplexsignals (Fig. 2) die Gesamtfläche von drei aufeinanderfolgenden Signalpaketen gleich Null.
Wenn die vektorielle Summe von drei Zeigern Null ist, so liegt im Zeigerdiagramm bekanntlich ihr Ursprung im Schwerpunkt des zwischen den Zeigern ausgespannten Dreiecks und durch den Ursprung wird jede Seitenhalbierende im Teilverhältnis 2:1 geteilt, so dass jede Seitenhalbierende eine Länge von 3/2 des entsprechenden Zeigers hat. Für Zeiger gleicher Länge ergibt sich ein gleichseitiges Dreieck. Das Dreieck wird umsomehr verzerrt, je grosser die Unsymraetrien in den Längen und Phasenwinkeln der Zeiger sind. Ein solches Zeigerdiagramm gilt auch für eine symmetrische bzw. unsymmetrische Drehspannung, bei der die vektorielle Summe der Spannungszeiger gleich Null ist, also
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auch für den vorliegenden Fall eines Drehstrommotors im symmetrischen Betrieb und bei Phasenausfall. Für die Aussenleiterströme IR, Ig, IT sind in Fig. 3 entsprechende Stromzeigerdiagramme gezeigt, in denen die Längen der Seitenhalbierenden jeweils 3/2 | IR|, 3/21131, 3/2JITJ betragen. Bei ungestörter Stromversorgung ergibt sich mit | IR ( = llgj = I Im | ein gleichseitiges Dreieck und mit dem Ausfall einer Phase treten Unsymmetrien in der Länge der Stromzeiger und den Phasenwinkeln auf, so dass das Dreieck dann mehr oder weniger verzerrt ist. Im verzerrten Stromzeigerbild" der Fig. 3 ist die Länge der längsten Dreiecksseite a
Für die längste Dreiecksseite a gibt es zwei Extremwert?, einen kleinsten Wert, wenn-|lR| == (ΐοί^τ *st isle^cnseiti6es Dreieck) und einen grössten Wert, wenn |lq| = 0 ist. Zur Erfassung einer im Stromzeigerdreieck auftretenden Unsymmetrie wird aer Quotient aus dem Betrag des längsten Stromzeigers oder der Summe der Beträge der drei Stromzeiger und der längsten Dreiecksseite gebildet, so dass man eine Verhältniszahl V erhält, die für beide Methoden ein Mass für die Unsymmetrie ist. Für den Fall der Bildung des Quotienten aus dem längsten Stromzeiger und der längsten Dreiecksseite ergibt sich die Verhältniszahl V entsprechend Fig. 3 (a = längste Dreiecksseite, I„ = längster Stromzeiger) zu
I1Rl
Vl
Ist die Seite b oder c die längste Dreiecksseite, so sind die Indices entsprechend vertauscht.
Als Werte für diese Verhältniszahl V1 werden erhalten:
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für den Fall | IR | = |lg| = |lT| Vn = 1/ ifs '= 0,577
für den Fall | IR | = |lT|, Jl3I = 0 V12 - 1/2 = 0,500
für den Fall I I3 | - | IT |, IXRI = Vs" jlj... V13 =fT/Tf = 0,654 Wird der Quotient aus der Summe der Stromzeigerbeträge und der längsten Dreiecksseite gebildet, so ergibt sich die Verhältniszahl V2 (Fig. 3) zu
V2
Als Werte für diese Verhältniszahl V2 werden erhalten:
für den Fall | IR j = | IS|«|IT| Vg1 = 3/ JZ =1,73
für den Fall | IR| = j I7J ,Ig = 0 V22 = f =1
für den Fall | I3 | = | IT| ,|IR| = ψ)ΐΊ\ .. V23 = (2+ ~V3~}/ψ = 1,41.·
T| ,|IR
Wie aus den Verhältniszahlen ersehen werden kann, sind die Unterschiede zwischen ungestörtem und gestörtem Betrieb grosser, wenn der Quotient aus dem arithmetischen Mittelwert der drei Ströme und der längsten Seite des Dreiecks gebildet wird. Da die bildung eines exakten arithmetischen Mittelwertes schaltungstechnisch aufwendig ist, bewegt sich eine praktische Ausführung vorteilhafterweise zwischen den beiden Extremfällen. Da auch die Erzeugung eines der Verhältniszahl V proportionalen Spannungssignals einen verhältnismässig grossen Aufwand erforderlich macht, wird der höchste Nadelimpuls des Differentiators mit einem prozentualen Anteil der Messspannung verglichen.
In der Schaltungsanordnung der Fig. 1 sind an die Eingänge eines !Comparators 10 die Nadelimpulse des Differentiators 9 und die Messspannung des Gleichrichters 5 gelegt und der Komparator 10 ist so eingestellt, dass bei ungestörter Stromversorgung des Motors die höchsten Amplituden der vom Differentiator 9 abgegebenen Impulse etwas unter dem Messspannungspegel sind und
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der Komparator IO beim Auftreten eines Phasenausfalls, bei dem dann Impulse mit über dem Messspannungspegel liegender Amplitude vorhanden sind, ein den Ausfall einer Phase meldendes Signal SP abgibt.
Fig. 4 zeigt ein Schaltbild für ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach Fig. 1. Als Taktgeber 2 ist ein z.B. mit einem Unijunction-Transistor UTr bestückter Oszillator üblicher Bauart verwendet, dessen RC-Glied R1, C1 eine Zeitkonstante für eine Taktfrequenz von 2 bis 3 k Hz aufweist. Der Zeit-Multiplexer 1 enthält zwei Flip-Flops FF1 und FF2', die zusammen mit einer Nand-Torschaltung Nand 4 einen in zyklischer Folge bis drei zählenden Zähler bilden. Der Ausgang des Taktgebers 2 ist .an den Takteingang des einen Flip-Flops FF1 angeschlossen. An die Ausgänge Q1, Q-, und Q2, CL der beiden Flip-Flops FF1 und FF2 sind drei Nand-Torschaltungen Nand I, Nand 2, Nand 3 so angeschlossen, dass die eine Torschaltung Nand 1 z.B. bei der an den Ausgängen Q-, und Q2 auftretenden Signalkombinationen 0, 0,die Torschaltung Nand 2 bei der Signalkombination L, 0 und die Torschaltung Nand 3 bei der Signalkombination 0, L ein Steuersignal abgibt. Als Schalter zum Anschliessen der Stromwandler Wn, WQ, VL1 an die Sammelleitung 3
ti O 1
dienen Feldeffekt-Transistoren FET 1, FET 2 und FET 3, die durch die Steuersignale der Nand-Torschaltungen Nand I, Nand 2 und Nand 3 leitend gesteuert werden.
Die Verstärkerschaltung 4 enthält einen Operationsverstärker OV 1, an dessen nicht invertierenden Eingang die Sammelleitung 3 angeschlossen ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OVl liegt an einer zwischen dessen Ausgang und eine eine stabilisierte Referenzspannung U~ „führende Leitung 11 geschalteten Spannungsteiler mit einem von Hand einstellbaren Vorwiderstand Rp, mit dem die Verstärkung
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des Operationsverstärkers zur Anpassung der Schaltungsanordnung an die jeweils vorliegende Nennstromstärke des Motors eingestellt werden kann,"und drei Festwiderstände R3, R., R5, von denen die Widerstände R4 und R5 durch Schaltstrecken über brückbar sind, um, wie an späterer Stelle noch erläutert wird, die Verstärkung beim Auftreten von Fehlern in der Stromversorgung auf höhere Werte umzuschalten.
Der Ausgang des Operationsverstärkers OV 1 ist durch einen Kondensator C2 mit einem Präzisionsgleichrichter 5 üblicher Schaltung verbunden. Durch den Kondensator Cp wird von dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers OV 1 der GleichstromanteiX abgetrennt, der durch die bei hohen Verstärkungen stark wirksame Offsetspännung des Operationsverstärkers entsteht. Der Präzisionsgleichrichter 5 enthält einen Operationsverstärker OV 4, dessen nicht invertierender Eingang an der die Referenzspannung U„ ., führenden Leitung 11 liegt und bei dem der invertierende Eingang durch einen Widerstand Rg mit dem Kondensator C„ und zudem durch eine Diode D,, der ein Widerstand R7 und eine Diode D2 parallel geschaltet ist, mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OV 4 verbunden ist. Die Ausgangsklemme K 1 der Gleichrichterschaltung 5 liegt am Verbindungspunkt von Widerstand R„ und Diode Dg. An den Ausgang K 1 ist über einen Widerstand Rg eine RC-Schaltung mit den Widerständen R,Q, R,, und den Kondensatoren C3, C. angeschlossen. Diese RC-Schaltung bildet einen Tiefpass, durch den die Taktfrequenz unterdrückt ist, und die Zeitkonstante der RC-Schaltung ist vorzugsweise so hoch gewählt, dass die Welligkeit der gleichgerichteten Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung ziemlich gering, z.B. kleiner als 1# ist. In dieser Schaltungsanordnung tritt eine Spitzengleichrichtung ein, bei der der Kondensator C0 jeweils auf den Scheitelwert dee höchsten Signal-
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paketes im Multiplexsignal (Fig. 2) aufgeladen wird. Wird der Ausgang K 1 durch einen im Verhältnis zu (Rg+R.Q+R,.) niederohmigen Widerstand R_ mit der Leitung 11 verbunden, so entspricht das Messsignal IL, am Kondensator C_ etwa dem Mittelwert der drei Erfassungsströme. Die vom elektronischen Motorschutzrelais EMS benötigte Messspannung UM kann hochohmig und gesiebt über eine Anschlussklemme 12 von dem Kondensator C0
und niederohmig über eine Anschlussklemme 13 vom Ausgang K 1 der Gleichrichterschaltung 5 abgenommen werden.
Die zur Erkennung eines Erdschlusses vorgesehene Komparatorschaltung 7 enthält einen Operationsverstärker OV 2, dessen Ausgang über eine Diode D. mit dem Gate eines Feldeffekt· Transistors FET 4 verbunden ist. Mit dem Kanal des Feldeffekt-Transistors FET 4 ist der Widerstand R4 des an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV 1 angeschlossenen Spannungsteilers R2, R3, R4, R5 überbrückt. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers OV 2 ist an den aus dem Widerstand R,„ und dem Kondensator G5 bestehenden Tiefpass 6 angeschlossen und der invertierende Eingang an den zwischen Ausgang K 1 und Kondensator C3 geschalteten Spannungsteiler aus den Widerständen Rg, R-jq» *hl* Die Aus gangs spannung der Verstärkerschaltung 4 ist dem Tiefpass 6 über den Kondensator Cg zugeleitet. Tritt ein Erdschluss auf, so erscheint im Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 4 eine 50 Hz-Wechselspannung, deren Spitzenwert über den Tiefpass 6 an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV 2 angelegt iet. Die Ansprechschwelle des Operationsverstärkers OV 2 ist durch die Höhe des vom Spannungsteiler R9, R10, R11 abgegriffenen Anteiles der Messspannung IL. bestimmt. Sobald der Spitzenwert die Ansprechschwelle überschreitet, erscheinen am Ausgang des Operationsverstärkers OV 2 Spannungsimpulse, die durch die Diode D4 entkoppelt den Feldeffekt-Transistor FET 4 sperren, wodurch der
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der Widerstand R im am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV 1 angeschlossenen Spannungsteiler wirksam und über die nun infolge des auf R2: (R3+R4) geänderten Widerstandsverhältnisses grössere Verstärkung des Operationsverstärkers OV 1 die Messspannung U^ so weit erhöht wird, dass das elektronische Motorschutzrelais EMS anspricht und die Stromversorgung des Motors abschaltet.
Die in Fig. 4 gezeigte Schaltungsanordnung für den Phasenausfallschutz ist im Aufbau besonders einfach. Sie enthält einen Operationsverstärker OV 3 in der Komparatorschaltung 10, dessen invertierender Eingang an dem an den Ausgang der Gleichrichterschaltung 5 angeschlossenen Spannungsteiler Rg, R10, R,, liegt und dessen nicht invertierender Eingang über den aus dem Kondensator C„ und den Widerständen R-, „ und R, . bestehenden Differentiator 9 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OV 1 verbunden ist. Die vom Differentiator 9 an den Operationsverstärker OV 3 abgegebenen Spannungsimpulse werden mit der Messspannung U,, verglichen und sobald die Spannungsimpulse grosser als die am invertierenden Eingang des Operationsverstärker OV 3 anliegende Messspannung werden, erscheint am Ausgang desselben Spannungsimpulse. Das Verhältnis der Widerstandswerte für den Differentiator-Widerstand R,„ und den Widerstand R,- ist so gewählt, dass der Operationsverstärker OV 3 bei ungestörter Stromversorgung des Motors nicht anspricht. Die beim Auftreten eines.Phasenausfalles am Ausgang des Operationsverstärkers OV 3 anliegenden Spannungsimpulse werden, durch eine Diode D5 entkoppelt dem Gate eines Feldeffekt-Transistors FET 5 zugeleitet. Der Kanal des Feldeffekt-Transistors FET 5 ist dem Widerstand R5 des an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV.1 angeschlossenen Spannungsteilers Rp, R_, R1 R parallelgeschaltet, so dass durch Sperren des Feldeffekt-Transistors FET 5 die Verstärkung des Operationsver-
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stärkers OV 1 erhöht wird. Der Widerstand R1- hat hierbei einen solchen Wert, dass durch dessen Zuschaltung über die höhere Verstärkung des Operationsverstärkers OV 1 die Messspannung um einen bestimmten Betrag angehoben wird.
Zur Signalisierung von Erdschluss und Phasenausfall ist eine Fehleranzeigeschaltung 15 vorgesehen. Im gezeigten Schaltungsbeispiel der Fig. 4 ist in dieser Fehleranzeigeschaltung 15 die Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors Tr, eine Gallium-Arsenid-Diode GD, ein Begrenzungswiderstand R,6 und eine Referenzdiode ZD in Reihenschaltung über Anschlussklemmen 14 und 16 an Betriebsspannung gelegt. Der Transistor Tr ist von einem Feldeffekt-Transistor FET 6 angesteuert, dessen Gate über eine Diode Dß mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OV 3 (Phasenausfall) und eine Diode D3 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OV 2 (Erdschluss) und ferner durch einen Kondensator C_ mit der die Referenzspannung führenden Leitung 11 verbunden ist. Ein Ausgangesignal des Operationsverstärkers OV 2 bei Erdschluss oder ein Ausgangssignal des Operationsverstärkers OV 3 bei Phasenausfall steuert über den Feldeffekt-Transistor FET 6 den Transistor Tr leitend, so dass von der Gallium-Arsenid-Diode ein Lichtsignal abgegeben wird.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    / l.JSchaltungsanordnung zur Erkennung eines durch Phasenaus fallod er Erdschluss in der Stromversorgung eines Drehstrommotors bedingten Fehlers aus zu den Strombeträgen in den Motoraussenleitern proportionalen Erfassungswechselspannungen, -dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeit-Multiplexvorrichtung (1,2) und feine dieser nachgeschaltete Gleichrichterschaltung (5) vorgesehen sind, um aus den Erfassungswechselspannungen (Up, Ug, UnJ durch zyklisch aufeinanderfolgende Probenahmen einheitlicher Dauer ein Zeit-Multiplexsignal zu erzeugen und aus den positiven oder negativen Anteilen des Zeit-Multiplexsignals durch Glättung eine Messspannung (U„) zu bilden, deren Höhe in etwa dem arithmetischen Mittelwert des gleichgerichteten Multiplexsignals gleich ist, dass für die Erkennung eines Phasenausfalls das Zeit-Multiplexsignal mittels eines Differentiators (9) differenziert wird und die den höchsten Amplitudenwert ·aufweisenden Spannungsimpulse des Differentiators (9) in einem ersten Komparator (10) mit einem prozentualen Anteil der Messspannung (UM) verglichen werden, wobei der prozentuale Anteil der Messspannung (U-J so gewählt ist, dass der Phasenausfall-Komparator (10) bei ungestörter Stromversorgung des Motors nicht anspricht und beim Auftreten eines Phasenausfalls ein Phasenausfall-Meldesignal (SP) abgibt, und dass für die Erkennung eines Erdschlusses aus dem Zeit-Multiplexsignal mittels eines Tiefpasses (6) für mit der Frequenz der Erfassungswechselspannungen (Up, Ug, U™) auftretende Signalkomponenten der
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    Spitzenwert abgeleitet und der Spitzenwert in einem zweiten Komparator (7) mit einem anderen prozentualen Anteil der Messspannung (UjJ verglichen wird, wobei dieser prozentuale Anteil der Messspannung (U-.) so gewählt ist, dass der Erdschluss-Komparator (7) bei ungestörter Stromversorgung des Motors nicht anspricht und beim Auftreten eines Erdschlusses ein Erdschluss-Meldesignal (SE) abgibt.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgang der Zeit-Multiplexvorrichtung (1, 2) und die Gleichrichterschaltung (5) ein Verstärker (4) mit einstellbarer Verstärkung zur Normierung des Ausgangssignals geschaltet ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärker (4) ein Operationsverstärker (OV 1) verwendet ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang der Zeit-Multiplexvorrichtung (1,2) verbunden und dessen anderer Eingang zur Einstellung der Verstärkung an einen Spannungsteiler (Rp, Ro» R^f Rc) angeschlossen ist, wobei das Widerstandsverhältnis der durch den Abgriff für den Operationsverstärkereingang festgelegten ^pannungsteilerzweige die Verstärkung bestimmt.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdschluss- und/oder Phasenausfall-Komparatorsehaltung (7, 10) als Komparator einen Operationsverstärker (OV 2 bzw. OV 3) enthält, dessen einer Eingang mit dem Tiefpass (6) bzw. dem Differentiator (9) verbunden ist, an dessen anderem Eingang der jeweilige prozentuale Anteil der Messspannung (υ«) liegt, und dessen Ausgang an den Steuereinang eines elektronischen Schalters, insbesondere eines Feldeffekt-Transistors FET 4 bzw. FET 5 angeschlossen ist, der beim Auftreten eines Erdschluss- bzw. Phasenausfall-Signals am Ausgang des Komparators anspricht. ,
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  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung (5) einen Präzisionsgleichrichter Gl, D1, D2, R17) enthält, dessen Ausgang an einen Spannungsteiler (Rg, Rg, R10, R11) angeschlossen und zur Glättung der Ausgangsspannung mit mindestens einem Kondensator (C-) verbunden ist, und dass die Anteile der Messspannung (UjJ für den Erdschluss und/oder Phasenausfall-Komparator (7, 10) von dem Spannungsteiler (R3, Rg, R10' Rll^ abgegriffen sind.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Feldeffekt-Transistor (FET 4) der Erdschluss-Komparatorschaltung (7) und mit dem Feldeffekt-Transistor (FET 5) der Phasenausfall-Komparatorschaltung (10) je ein Widerstand (R- bzw. R5) des die Verstärkung des Verstärkers (4) bestimmenden Spannungsteiler (Rp, R3, R-, R5) überbrückt und die Verstärkung des Verstärkers (4) bei Auftreten eines Erdschlusses und eines Phasenausfalles durch Sperren des Feldeffekt-Transistors (FET 4 bzw. FET 5) durch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers (OV 2 bzw. OV 3) der entsprechenden Komparatorschaltung (7 bzw. 10) auf einen anderen Wert umstellbar ist, und dass an die Ausgänge der Operationsverstärker (OV 2, OV 3) der Erdschluss- und Phasenausfall-Komparatorschaltung (7,' 10) eine F ehle ranze iges ehalt ung 15 mit einem akustischen öder optischen Signalgerät (GD) angeschlossen ist.
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DE2303993A 1972-08-23 1973-01-27 Schaltungsanordnung zur erkennung eines durch phasenausfall oder erdschluss in der stromversorgung eines drehstrommotors bedingten fehlers Withdrawn DE2303993A1 (de)

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