DE2310103B2

DE2310103B2 - Elektronischer ueberstromausloeser

Info

Publication number: DE2310103B2
Application number: DE19732310103
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. 2350 Neumünster Meyer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-03-01
Filing date: 1973-03-01
Publication date: 1976-11-25
Also published as: DE2310103C3; IT1008348B; DE2310103A1; FR2220105A1; FR2220105B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Überstromauslöser zum Schutz von Motoren, Leitungen, Anlagen u.dgl. für die Zusammenarbeit mit bekannten Leistungsschaltelementen, wie Schützen, Leistungsschaltern, Motorschutzschaltern u.dgl., unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers und eines Digitalschaltkreises, der im Auslösefall eine Auslöseentscheidung herbeiführt.

Zum Schutz von Motoren, Leitungen, Anlagen u. dgl. sind die bekannten Leistungsschaltelemente — wie Schütze, Leistungsschalter, Motorschutzschalter u. dgl. — mit Überstromauslösern ausgerüstet oder arbeiten zumindest mit solchen zusammen. Ein wesentliches gemeinsames Merkmal aller dieser Auslöseeinrichtungen ist ein Auslösezeitverhalten, das umgekehrt proportional zum überwachten Strom ist. Einige Einrichtungen dieser Art enthalten noch weitere Funktionen, wie z. B. die Kurzschlußschnellauslösung und die Differentialauslösung, die eine Auslösung für 6s den Fall bewirkt, daß die Unterschiede in der Stromhöhe in den einzelnen Phasen einen vorbestimmten Betrag überschreiten.

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Neben den bekannten Lösungen auf Bimetall- und elektromagnetischer Basis sind in letzter Zeit mehr und mehr elektronische Lösungen auf den Markt gekommea Bei diesen Einrichtungen wird das Auslöseverhalten durch im wesentlichen analog wirkende elektronische Einrichtungen bewirkt So kann z. B. das strominverse Auslösezeitverhalten durch Integration des Stromquadrates mit gleichzeitiger Rückführung des integrierten Wertes an einen sogenannten »Integrierverstärker« bewirkt werden. Derartige analog wirkende Lösungen haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Eines der Hauptprobleme stellt die Langzeitstabilität dar. Zu ihrer Erzielung ist besonderer Aufwand erforderlich. Außerdem müssen zur Erzielung des Zeitverhaltens relativ große und damit teure Kondensatoren und andere Bauelemente verwendet werden. Bisher ist es nicht möglich gewesen, derartige Einrichtungen zu einem auch für kleine konventionelle Überstromauslöser konkurrenzfähigen Preis herzustellen.

Durch die Veröffentlichung »Fehlerschutz durch Digitalrechner« in der Zeitschrift »Elektrie«, 26 (1972). H. 1, Seiten UlO und Uli ist es bereits bekannt, Rechner für die Aufgaben von Schulzeinrichtungen heranzuziehen. Dabei wird ein Analog-Digital-Wandler sowie ein Digitalschaltkreis verwendet, der im Auslösefall eine Auslöseentscheidung herbeiführt. Dabei werden die Wechselströme und -spannungen in Abständen von 0,5 ms abgetastet und in Digitalsignale umgewandelt. Aus den zeitgetreu gespeicherten Digitalsignalen werden dann Rückschlüsse für die Überwachungsfunktion gezogen. Für die Anwendung bei einem elektronischen Überstromauslöser sind diese Maßnahmen nicht ohne weiteres geeignet, da bei einer dauernden Abtastung der Temperaturverlauf, wenn überhaupt, nur mit sehr großem rechnerischem Aufwand errechnet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Überstromauslöser der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der einerseits sehr genau arbeitet, der andererseits auch ohne den beschriebenen Aufwand herstellbar ist. Erfindungsgemäß wird dies bei einem Überstromauslöser der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß der Temperaturverlauf dem Stromverlauf derart digital nachgebildet ist, daß in vorbestimmten Zeitabständen abgetastete Stromwerte auf Temperaturwerte umgerechnet und mit einer festgelegten Endtemperatur verglichen werden.

Dadurch wird der Aufwand zur Erstellung eines elektronischen Überstromauslösers erheblich reduziert, ohne daß die Genauigkeit dabei herabgesetzt wird. Durch eine geeignete Wahl der Schrittweite bei einer gegebenen Zeitkonstanten kann man erreichen, daß die Multiplikation mit dem jeweiligen Temperaturwert auf ein einfaches Stellenverschieben reduziert ist. Desweiteren kann der digitale Schaltkreis auch in Form eines Zählers aufgebaut sein, der die Temperatur des zu simulierenden Überstromschutzorgans dadurch simuliert, daß sein Zählerstand proportional zur Stromhöhe vorwärts und proportional zur Temperaturabnahme rückwärts gezählt wird. Schließlich kann auch statt eines besonderen digitalen Schaltkreises ein entsprechender Schaltkreis eines bereits vorhandenen Rechners verwendet werden, so daß der Überstromauslöser dann lediglich aus den Ein- und Ausgabegliedern besteht.

Der Erfindungsgedanke wird im folgenden näher erläutert:

Das Erwärmungsverhalten eines üblichen Über-

Stromauslösers kann im einfachsten Fall durch folgende Differentialgleichung beschrieben werden:

dfl
dt

U)

Darin ist T die Zeitkonstante, ft die Temperatur und #„ die Endtemperatur, die sich für einen vorgegebenen Strom nach unendlich langer Zeit einstellt Schreibt man die Differentialgleichung als Differenzengleichung und formt sie etwas um, so erhält man:

Δ& =

(2)

die bekannte Beziehung, wonach die Änderung dem Abstand von dem zu erreichenden Endwert proportional ist Zur Berechnung eines neuen Wertes der Temperatur in einem Digitalrechner wird nun die Temperaturänderung zu dem alten Wert addiert Führt man dies durch, so ergibt sich für den neuen Wert der Temperatur — bezogen auf den alten Wert — folgende Gleichung:

(3)

Mit dieser Beziehung kann das Verhalten eines Überstromausiösers einwandfrei digital simuliert werden. Durch geeignete Wahl der Schrittweite At kann man bei gegebener Zeitkonstante Tdie Konstante AtIT so wählen, daß die erforderliche Multiplikation mit dem jeweiligen Temperaturwert auf einfaches Stellenverschieben reduziert wird. Wird beispielsweise AtI7=0,001 gewählt, so ergibt sich für die Berechnung des neuen Temperaturwertes folgendes Schema:

= 0,001 · ^₀₀ + «,„ - 0,001

ϋ_α1,

(4)

Damit ist der gesamte zur Berechnung des neuen Temperaturwertes erforderliche Rechenumfang auf einfaches Stellenverschieben und Addieren bzw. Subtrahieren reduziert.

Zur Erläuterung der Funktion und des Aufbaues des Anmeldungsgegjnstandes wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der in F i g. 1 ein Flußdiagramm dargestellt ist. In F i g. 2 ist eine Rechnerkonfiguration gezeigt. F i g. 3 zeigt die Anordnung der Erfindung im Zusammenwirken mit einem Schaltgerät. In F i g. 4 ist eine Zählerkonfiguration gezeigt.

Der Ablauf eines vollständigen Rechenzyklus wird in dem Flußdiagramm gemäß F i g. 1 erläutert. Der aus dem Analog-Digital-Wandler 1 bereitgestellte Augenblickswert des Stromes wird in digitaler Form an das Eingaberegister 2 für den Strom übergeben. Im einfachsten Falle wird die Endtemperatur proportional dem Wert des Stromes angenommen, dann kann unmittelbar der eigentliche Rechenschritt gemäß Formel (3) durchgeführt werden. Im Anschluß daran wird in 3 geprüft, ob die neue Temperatur die Auslösetemperatur überschritten hat; falls nicht, wird mit der Rückkehr zum Eingaberegister 2 ein neuer Rechenzyklus eingeleitet; falls doch, wird über den Befehlsgeber 4 ein Auslösebefehl gegeben, und daran anschließend kehrt das Programm zum Eingaberegister 2 für den Strom zurück. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Auslösebefehl dazu führt, daß der Strom abgeschaltet wird und damit das Eingangsregister den Wert 0 aus dem Analog-Digital-Wandler erhält. Dann simuliert das beschriebene Flußdiagramm auch einwandfrei den Abkühlungsvorgang.

Eine mögliche Konfiguration eines Rechners für die vorliegende Aufgabe ist in Fig.2 dargestellt Mittels eines Taktgebers It, der im einfachsten Falle aus der Netzfrequenz bestehen kann, werden aus einem Programmspeicher 12 in zyklischer Reihenfolge die einzelnen Schritte des Rechenvorganges mittels der anschließenden Verknüpfung 13 auf die übrigen Einheiten des Werkes gegeben. Dieses besteht in seinem mittleren Teil aus einem Addierwerk 14 mit Akkumulator 15 sowie zwei weiteren Registern 16 und 17 zur Speicherung des momentanen Temperaturwertes und zur Speicherung des momentanen Stromes, einem Komplementbildner 18 zur Durchführung der oben beschriebenen Subtraktion und weiterhin aus einem Vergleicher 19, der den Momentanwert der Temperatur mit der Auslösetemperatur im Auslösetemperaturspeicher 20 aus dem zugehörigen Speicher vergleicht und bei Überschreitung der Auslösetemperatur den Auslösebefehlspeicher 21 aktiviert.

Der Programmablauf ist in einem derartigen Rechner wie folgt:

Schritt Nr. 1

Der Inhalt des Akkumulators 15 wird auf den 7-Speicher 16 übertragen (zu Beginn ist dieser Wert gleich Null). Der Komplementbildner 18 ist direkt an den T-Speicher angeschlossen und bildet laufend das Komplement des Temperaturwertes.

Schritt Nr. 2

Das Komplement von Γ wird stellenverschoben zu dem im Akkumulator stehenden Wert von T addiert. Damit steht im Akkumulator der Wert 0,999 · T zur Verfügung (bei Verwendung des oben bereits erwähnten Zahlenbeispiels).

Schritt Nr. 3

Der Inhalt des Eingaberegisters Strom 17 wird stellenverschoben mittels des Addierwerkes 14 zu dem Inhalt des Akkumulators 15 addiert. Vor Ausführung dieser Addition wird das Eingaberegister gesperrt, so daß etwaige Änderungen des Augenblickswertes für den Strom sich während der Rechenoperation nicht auswirken können. Am Ende dieses Schrittes steht im Akkumulator 15 der neue Temperaturwert.

Schritt Nr. 4

Im Vergleicher 19 wird der im Akkumulator 15 stehende neue Temperaturwert mit der Auslösetemperatur, die in dem zugehörigen Speicher 20 steht, verglichen. Falls die Auslösetemperatur überschritten ist, wird gleichzeitig der Auslösebefehlspeicher 21 auf »Auslösen« (z.B. logische 1) gestellt. Damit ist der komplette Rechenzyklus beendet; er besteht also nur aus insgesamt 4 Schritten; das Programm kehrt jetzt zu Schritt 1 zurück.

Gegebenenfalls kann dieses Programmschema bzw. diese Konfiguration durch eine Reihe weiterer Einrichtungen vervollständigt werden. So ist es z. B. möglich, für 3phasige Anordnungen mit 3 T"-Speichern und 3 Eingaberegistern für den Strom zu arbeiten und diese mit dem einzigen Rechenwerk nacheinander zu bearbeiten. Es ist ebenfalls leicht einzusehen, daß eine Differenzbildung zwischen den einzelnen T-Werten und eine davon abhängige Differentialauslösung möglich ist. Weiterhin kann eine Kurzschlußauslösung dadurch

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eingeleitet werden, daß der Momentanwert des Stromes jeweils mit einem weiteren Kurzschlußauslösegrenzstromwert verglichen wird. Eine zeitlich gestaffelte Auslösung ist durch Verwendung eines einfachen Zykluszählers möglich. Damit kann jede gewünschte Auslösezeit in Δf-Inkrernenten eingestellt werden.

Die gesamte Anordnung des digitalen Überstromauslösers im Zusammenwirken mit einem leistungsschaltenden Glied - z. B. einem Schütz — ist in F i g. 3 dargestellt. Aus dem Hauptstromkreis wird mit einem passenden Stromwandler 22 der Analog-Digital-Wandler 23 angesteuert, der seinerseits auf das Eingaberegister des digitalen Schaltkreises 24 wirkt. Das Register für den Auslösebefehl dieses digitalen Schaltkreises 24 wirkt auf den Verstärker 25, der mit seinem Auslösekontakt 26 den Stromkreis der Spule 27 eines Schützes unterbricht Dieses Schütz schaltet im Auslösefalle den Hauptstromkreis mit seinem Hauptkontakt 28 aus. Am digitalen Schaltkreis ist angedeutet die Eingabe E des Auslösestromwertes und R als Symbol für eine Rückstellung nach Auslösung.

Zur Realisierung des beschriebenen Digital-Schaltkreises bedient man sich vorzugsweise der Großintegration mittels MOS-Schaltkreisen. Der gesamte Aufwand für den digitalen Schaltkreis in dem beschriebenen Umfang läßt sich leicht auf einem einzelnen Chip unterbringen. Der Analog-Digital-Wandler kann gegebenenfalls ebenfalls in MOS-Technik ausgeführt sein. Für den Verstärker 25 verwendet man vorteilhaft diskrete Technik, weil die erforderlichen Leistungen mit den kleinen Leistungspegeln der MOS-Technik nicht leicht zu realisieren sind. Grundsätzlich läßt sich der Erfindungsgedanke aber auch noch auf eine andere Weise verwenden:

In größeren Steuerungsanlagen werden bereits vielfach ohnehin Prozeßrechner verwendet, die den oben beschriebenen logischen Ablauf ohne weiteres mitübernehmen können. Das Auslösegerät besteht in diesem Falle lediglich aus dem Stromwandler, dem Analog-Digital-Wandler, dem Ausgangsverstärker und geeigneten Interfaces zwischen diesen und dem Rechner.

Die erwünschte Funktion des beschriebenen digitalen Schaltkreises muß nicht notwendigerweise in der oben beschriebenen Form realisiert werden, es sind durchaus auch andere Lösungen denkbar. So kann z. B. die Temperatur des Bimetalls durch einen Geradeaus-Zähler simuliert werden. In einem Frequenzteiler werden aus der Taktfrequenz eine Reihe von Teilerfrequenzen zur Verfügung gestellt, die je nach Höhe des Stromes zum Vorwärtszählen des Temperaturzählers benutzt werden. Die gleichzeitige Abkühlung wird durch Rückwärtszählung bewirkt. Die Rückwärtszählung erfolgt mit umso höherer Frequenz, je näher der Zählerstand an den vorgewählten Auslösezählerstand herankommt. Dieses Verfahren erfordert eine relativ grobe Stufung der Auslösekennlinie, könnte aber für einfache Aufgabenstellungen billiger sein als die weiter

ίο oben beschriebene Rechnerlösung. Nähere Einzelheiten der Konfiguration eines digitalen Schaltkreises in Form eines Zählers ist in Fig.4 dargestellt. Aus einem Analog-Digital-Wandler 31 wird in einigen relativ groben Stufen der Stromwert dem Verknüpfungsteil signalisiert. Der Taktgeber liefert an den Frequenzteiler eine Frequenz, die z. B. aus der Netzfrequenz bestehen kann, und am Ausgang des Frequenzteilers stehen eine Vielzahl von Teilfrequenzen zur Verfugung. Aus diesen Frequenzen wird mittels der Verknüpfungslogik 32 je nach Höhe des Stromes eine Frequenz ausgewählt, die zum Vorwärtszählen des Zählers 33 führt. Dabei kann das Vorwärtszählen zweckmäßigerweise durch die aufsteigende Flanke des Taktimpulses erfolgen. Der Zählerstand wird der Verknüpfungslogik ebenfalls signalisiert, die daraus Rückwärtszählimpulse mit Hilfe des Frequenzteilers 34 und des Taktgebers 35 macht, dabei wird zum Rückwärtszählen vorzugsweise die abfallende Flanke benutzt. Auf diese Weise ist es möglich, den Zähler so zu steuern, daß der Zählerstand ein Abbild der Temperatur ist. Im Beharrungszustand ändert sich der Zählerstand nicht, d.h. auf jeden Vorwärtszählschritt folgt unmittelbar ein Rückwärtszählschritt. Die Auslösung wird dann signalisiert, wenn der vorgewählte Zählerstand erreicht ist.

Auch diese Einrichtung läßt sich mit integrierten Schaltkreisen ausführen. Dabei können z.T. bereits handelsübliche TTL-Schaltkreise verwendet werden, die gegebenenfalls eine sehr preisgünstige Lösung ermöglichen.

Ein elektronischer Überstromauslöser der beschriebenen Art läßt sich in verschiedenen Variationen herstellen. So kann man den Auslöser ein- oder dreiphasig bauen. Bei der dreiphasigen Ausführung kann eine Differentialauslösung vorgesehen sein.

Außerdem kann sowohl bei der einphasigen, als auch bei der dreiphasigen Ausführung eine Kurzschlußschnellauslösung mit einstellbarer Verzögerungszeit vorgesehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 23

1. Elektronischer Überstromauslöser zum Schutz von Motoren, Leitungen, Anlagen u.dgl. für die Zusammenarbeit mit bekannten Leistungsschaltelementen, wie Schützen, Leistungsschaltern, Motorschutzschaltern u-dgL, unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers und eines Digitalschaltkreises, der im Auslösefall eine Auslöseentscheidung herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturverlauf dem Stromverlauf derart digital nachgebildet ist, daß in vorbestimmten Zeitabständen abgetastete Stromwerte auf Temperaturwerte umgerechnet und mit einer festgelegten Endtemperatur verglichen werden.

2. Elektronischer Oberstromauslöser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Wahl der Schrittweite bei einer gegebenen Zeitkonstanten, daß die Multiplikation mit dem jeweiligen Temperaturwert auf ein einfaches Stellenverschieben reduziert ist

3. Elektronischer Überstromauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Schaltkreis in Form eines Zählers aufgebaut ist, der die Temperatur des zu simulierenden Überstromschutzorgans dadurch simuliert, daß sein Zählerstand proportional zur Stromhöhe vorwärts und proportional zur Temperaturabnahme rückwärts gezählt wird.

4. Elektronischer Überstromauslöser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß statt eines besonderen digitalen Schaltkreises die entsprechenden Schaltkreise eines bereits vorhandenen Rechners verwendet sind und somit der Überstromauslöser lediglich aus den Ein- und Ausgabegliedern (2 und 4 in F i g. 3) besteht.