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Elektronisches Überlastrelais Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches
Überlastrelais, bei dem der in einer zu überwachenden elektrischen Einrichtung fließende
Strom in eine proportionale Impulsfolge umgewandelt ist und die Impulse dieser Impulsfolge
einer einen Schaltbefehl auslösenden Uberwachungseinrichtung zugeführt sind, die
in Abhängigkeit vom betriebsmä-Biegen Erwärmungszustand der zu überwachenden Einrichtung
beeinflußt ist.
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Ein solches Uberlastrelais ist durch Ausstellung auf der INTERKAMA
1965 bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Überlastrelais wird ein Kondensator auf
eine dem Last strom proportionale Spannung aufgeladen. Sobald die Spannung an dem
Kondensator einen eingestellten Wert (Nennlast) überschreitet, gibt eine angeschlossene
Schwellwertstufe Impulse ab, die einer Integrationsstufe zugeführt werden.
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Mit dieser Integrationsstufe ist eine zweite Schwellwertstufe verbunden,
sobald das Ausgangssignal der Integrationsstufe den Schwellwert dieser Schwellwertstufe
überschreitet. An dem Kondensator ist außerdem parallel zu der ersten Schwellwertstufe
eine weitere Schwellwertstufe angeschlossen, deren Ansprechwert niedriger eingestellt
ist als der Ansprechwert der ersten Schwellwertstufe. Diese weitere Schwellwertstufe
ist ebenfalls mit der Integrationsstufe verbunden. Somit werden durch diese Schwellwertstufe
der Integrationsstufe bereits Impulse vor dem Ansprechen der ersten Schwellwertstufe
zugeführt. Hierdurch wird die Erwärmung der zu schützenden Einrichtung
durch
den Betriebsstrom nachgebildet. Außerdem ist eine Entladung der Integrationsstufe
beim Ausbleiben von Impulsen der ersten Schwellwertstufe und der zu dieser parallel
geschalteten weiteren Schwellwertstufe vorgesehen.
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Hierdurch wird das Abkühlen der zu schützenden Einrichtung nachgebildet.
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Mit dem Überlastrelais läßt sich die Übertemperatur der zu schützenden
Einrichtung bei lang andauernden Überlastungen gut erfassen. Ist die zu schützende
Einrichtung einem konstanten Lastspiel unterworfen, so kann das bekannte Uberlastrelais
entsprechend dem konstanten Lastspiel noch relativ genau eingestellt werden. Liegt
dagegen ein wechselndes Lastspiel vor, so muß das bekannte Überlastrelais entsprechend
dem ungünstigsten Last spiel eingestellt werden. Dies führt dann bei anderen Lastspielen
zu falschen Meßwerten und gegebenenfalls zu einer vorzeitigen Abschaltung der zu
überwachenden Einrichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Überlastrelais
zu schaffen, das unabhängig von den jeweiligen Betriebsverhältnissen stets die richtige
Ubertemperatur der zu schützenden Einrichtung erfaßt.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem elektronischen
Überlastrelais der eingangs beschriebenen Art nach der Erfindung dadurch, daß als
Uberwachungseinrichtung ein Umkehrzähler vorgesehen ist, dem eine aus der Differenz
einer dem Quadrat des in der Einrichtung fließenden Stromes proportionalen Größe
und einer dem Ausgangssignal des Umkehrzählers proportionalen Größe gebildete Impulsfolge
zugeführt und dessen Zählrichtung entsprechend dem Vorzeichen der Differenz eingestellt
ist.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich ein einfaches Uberlastrelais
dadurch, daß dem Eingang des Umkehrzählers ein Analog-Digital-Umwandler vorgeschaltet
ist, an dessen Eingang über ein erstes Potentiometer der Ausgang
einer
Subtraktionsstufe liegt, deren einem Eingang über ein Quadrierglied eine dem Quadrat
des in der Einrichtung fließenden Stromes proportionale Spannung und deren anderem
Eingang über ein zweites Potentiometer eine dem Ausgangssignal des Umkehrzählers
proportionale und durch einen Analog-Digital-Umwandler umgeformte Spannung zugeführt
ist, daß weiterhin an den Ausgang der Subtraktionsstufe zwei Grenzwertstufen angeschlossen
sind, von denen die eine bei positivem Signal am Ausgang der Subtraktionsstufe einen
Befehl für Vorwärtszählen und die andere bei negativem Signal am Ausgang der Subtraktionsstufe
einen Befehl für Rückwärtszählen an den Umkehrzähler gibt.
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Die Abhängigkeit der Übertemperatur der zu schützenden Einrichtung
von der jeweils herrschenden Umgebungstemperatur kann vorteilhafterweise dadurch
berücksichtigt werden, daß der Subtraktionsstufe zusätzlich eine der Umgebungstemperatur
proportionale Spannung zugeführt ist.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
wird der Gegenstand der Erfindung nachfolgend näher beschrieben.
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An die Sekundärwicklung eines Stromwandlers 1, dessen Primärwicklung
vom Strom der zu schützenden Einrichtung durchflossen ist, ist über einen Gleichrichter
2 ein Quadrierglied 3 angeschlossen. Der Ausgang des Quadriergliedes 3 ist mit dem
einen Eingang einer Subtraktionsstufe 4 verbunden. Der Ausgang dieser Subtraktionsstufe
liegt über ein erstes Potentiometer 5 am Eingang eines Analog-Digital-Umwandlers
6, dessen Ausgang wiederum mit dem Eingang eines Umkehrzählers 7 verbunden ist.
Der Ausgang des Umkehrzählers 7 ist sowohl mit einer Auslöseeinrichtung 8 als auch
mit einem Digital-Analog-Umwandler 9 verbunden.
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Der Ausgang des Digital-Analog-Umwandlers ist über ein zweites Potentiometer
10 an den anderen Eingang der Subtraktionsstufe 4 angeschlossen. An dem Ausgang
der Subtraktionsstufe sind neben dem Analog-Digital-Umwandler 6 noch zwei Grenzwertstufen
11 und 12 angeschlossen.
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Die Grenzwertstufen sind so ausgelegt, daß die Grenzwertstufe 11 bei
positivem Signal am Ausgang der Subtraktionsstufe 4 einen Befehl an den Umkehrzähler
7 für Vorwärtszählen gibt. Die Grenzwertstufe 12 gibt dagegen bei negativem Signal
am Ausgang der Subtraktionsstufe 4 einen Befehl für Rückwärtszählen an den Umkehrzähler
7.
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Die Arbeitsweise des Uberlastrelais nach der Erfindung erklärt sich
wie folgt. Die Belastung einer elektrischen Einrichtung, insbesondere einer elektrischen
Maschine, führt zu einer Erwärmung derselben, die der Wärmegleichung Q = c1 d9 +
c28 dt 2 entspricht. In dieser Gleichung bedeutet Q die durch die Belastung erzeugte
Wärmemenge und z die Temperatur, um welche die Temperatur der elektrischen Einrichtung
über die Umgebungstemperatur ansteigt. c1 und c2 sind Konstanten.
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Die in einer elektrischen Einrichtung erzeugte Wärmemenge ist dem
Quadrat des in dieser Einrichtung fließenden Stromes proportional. Durch den Stromwandler
1 wird über den Gleichrichter 2 dem Quadrierglied 3 eine dem in der elektrischen
Einrichtung fließenden Strom proportionale Größe zugeführt. Von dieser zugeführten
Größe wird in dem Quadrierglied das Quadrat gebildet, so daß am Ausgang des Quadriergliedes
3 eine der in der elektrischen Einrichtung erzeugten Wärmemenge Q proportionale
Größe ansteht. Diese Größe wird dem einen Eingang der Subtraktionsstufe 4 zugefuhrt.
Beim Einschalten der elektrischen Einrichtung erscheint am Ausgang des Digital-Analog-Umwandlers
9 noch kein Ausgangssignal, so daß am anderen Eingang der Subtraktionsstufe 4 ebenfalls
noch kein Signal ansteht. Damit ist das Ausgangs signal der Subtraktonsstufe 4 zunächst
gleich dem Eingangssignal. Über das erste Potentiometer 5 gelangt das Ausgangssignal
der Subtraktionsstufe 4 an den Eingang des Analog-Digital-Umwandlers. Hier wird
das analoge Signal in ein digitales Signal umgewandelt. Das von dem Analog-Digital-Umwandler
6 abgegebene digitale Signal wird dem Umkehrzähler 7 zugeführt.
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Der Umkehrzähler 7 weist neben seinem eigentlichen Zähleingang noch
zwei Richtungseingänge auf. Diese beiden Richtungseingänge sind mit den beiden Grenzwertstufen
11 und 12 verbunden. Je nachdem, ob das Signal am Ausgang der Subtraktionsstufe
4 positiv oder negativ ist, erhält der eine oder andere Richtungseingang des Umkehrzählers
7 über die Grenzwertstufen 11 bzw. 12 einen Befehl. Bei positivem Signal am Ausgang
der Subtraktionsstufe 4 erhält der Richtungseingang für Vorwärtszählen des Umkehrzählers
7 über die Grenzwertstufe 11 einen Befehl. Ist das Signal am Ausgang der Subtraktionsstufe
4 dagegen negativ, so wird dem Richtungseingang für Rückwärtszählen des Umkehrzählers
7 über die Grenzwertstufe 12 ein Befehl erteilt. In dem Umkehrzähler 7 werden somit
bei positivem Signal am Ausgang der Subtraktionsstufe 4 die von dem Analog-Digital-Umwandler
6 gelieferten Impulse addiert, bei negativem Signal am Ausgang der Subtraktionsstufe
4 dagegen subtrahiert.
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Das am Ausgang des Umkehrzählers 7 erscheinende Signal wird durch
den Digital-Analog-Umwandler 9 wieder in eine analoge Größe umgewandelt. Diese analoge
Größe wird über das zweite Potentiometer 10 dem anderen Eingang der Subtraktionsstufe
4 zugeführt. Das am Ausgang des Umkehrzählers 7 aus den zugeführten Impulsen gebildete
Signal ist der Ubertemperatur der zu überwachenden Einrichtung proportional. Die
Abschalteinrichtung 8, die ebenfalls an den Ausgang des Umkehrzählers 7 angeschlossen
ist, spricht erst bei einem bestimmten Wert am Ausgang des Umkehrzählers 7 an.
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Dieser Wert entspricht dann der für die elektrische Einrichtung zulässigen
Ubertemperatur.
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Durch die beiden Potentiometer 5 und 10 können die für jede elektrische
Einrichtung verschiedenen Konstanten c1 und c2 eingestellt werden. Mit dem Überlastrelais
nach der Erfindung wird eine genaue Anpassung an die weiter oben angegebene Wårmegleichung
erreicht. Da dem einen Eingang der Subtraktionsstufe ein + er Wärmemenge proportionale
Größe
und dem anderen Eingang von dem Digital-Analog-Umwandler 9 über das zweite Potentiometer
10 eine der Übertemperatur proportionale Größe zugeführt wird, erscheint am Ausgang
der Subtraktionsstufe ein dem Differentialquotienten d zu proportionales Signal.
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dt Solange die durch den Strom in der elektrischen Einrichtung erzeugte
Wärmemenge Q größer ist als die abgeführte Wärmemenge, welche dem Summanden c 0
der Wärmegleichung ent-2 spricht, ist das Ausgangssignal der Subtraktionsstufe 4
positiv und der Umkehrzähler 7 zählt somit in Vorwärtsrichtung. Das Signal am Ausgang
des Umkehrzählers 7 steigt somit weiter an. Damit steigt auch das über den Digital-Analog-Umwandler
9 an den anderen Eingang der Subtraktionsstufe 4 geführte Signal an. Das Ausgangs
signal der Subtraktionsstufe 4 wird dadurch immer kleiner und der Anstieg des Ausgangssignals
des Umkehrzählers 7 verlangsamt sich bis schließlich das von dem Digital-Analog-Umwandler
9 zugeführte Signal gleich dem von dem Quadrierglied 3 zugeführten Signal ist. Dies
entspricht einem Gleichgewicht zwischen der erzeugten Wärmemenge und der von der
elektrischen Einrichtung an die Umgebung abgegebenen Wärmemenge.
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Beim Auftreten eines Uberstromes wird das der Subtraktionsstufe 4
von dem Quadrierglied 3 zugeführte Signal wieder größer als das über den Digital-Analog-Umwandler
9 am anderen Eingang der Subtraktionsstufe 4 anstehende Signal.
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Am Ausgang der Subtraktionsstufe 4 erscheint somit wieder ein positives
Signal. Infolgedessen zählt der Umkehrzähler 7 beim Auftreten eines Überstromes
in Vorwärtsrichtung weiter und das Signal an seinem Ausgang steigt weiter an.
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Übersteigt das Ausgangssignal des Umkehrzählers 7 dabei den Ansprechwert
der Abschalteinrichtung 8, so wird durch die Abschalteinrichtung 8 bei Erreichen
ihres Ansprechwertes eine Abschaltung der elektrischen Einrichtung vorgenommen.
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Ändert sich der in der elektrischen Einrichtung fließende Strom infolge
eines Lastspieles, so ändert sich damit auch das der Subtraktionsstufe 4 von dem
Quadrierglied 3 zugeführte Signal, welches der erzeugten Wärmemenge proportional
ist. Zu Beginn eines Lastspieles wird zunächst die Temperatur ansteigen, was durch
ein Ansteigen des Wertes des Ausgangssignales am Umkehrzähler 7 zum Ausdruck kommt.
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Nimmt nun z.B. der Strom in der elektrischen Einrichtung infolge des
Lastspieles einen niederen Wert an, so geht auch das über das Quadrierglied 3 dem
Eingang der Subtraktionsstufe 4 zugeführte Signal entsprechend zurück.
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Es kann nun vorkommen, daß die von dem kleineren Strom erzeugte Wärmemenge
kleiner ist als die von der zu überwachenden elektrischen Einrichtung an die Umgebung
abgestrahlte Wärmemenge, d.h. die elektrische Einrichtung kühlt während des Lastspieles
ab. Das beschriebene Uberlastrelais vermag eine derartige Abkühlung ebenfalls zu
erfassen. Wenn nämlich das von dem Quadrierglied 3 der Subtraktionsstufe 4 zugeführte
Signal kleiner ist als das von dem Digital-Analog-Umwandler 9 dem anderen Eingang
der Subtraktionsstufe 4 zugeführte Signal, erscheint am Ausgang der Subtraktionsstufe
ein negatives Signal. Durch die Grenzwertstufe 12 wird der Umkehrzähler 7 auf Rückwärtszählen
umgeschaltet, so daß das Ausgangssignal des Umkehrzählers entsprechend der sinkenden
Temperatur der elektrischen Einrichtung ebenfalls abnimmt. Der Vorgang des Rückwärtszählens
dauert solange, bis wieder Gleichgewicht zwischen der erzeugten und der abgestrahiten
Wärmemenge besteht.
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Bei dem Uberlastrelais nach der Erfindung müssen somit lediglich durch
die beiden Potentiometer 5 und 10 die der zu überwachenden Einrichtung entsprechenden
Konstanten c1 und c2 eingestellt werden. Dann vermag das Uberlastrelais sowohl bei
kontinuierlicher Belastung als auch bei wechselndem Last spiel stets die richtige
Temperatur der zu überwachenden Einrichtung zu erfassen. Dadurch ist es möglich,
eine elektrische Einrichtung entsprechend ihren Auslegungsdaten voll auszunutzen
und es sind keine Sicherheitszuschläge notwendig. Führt man außerdem der
Subtraktionsstufe
4 noch eine der Umgebungstemperatur proportionale Spannung zu, so kann die absolute
Temperatur der zu überwachenden Einrichtung erfaßt werden. Weiterhin ist es möglich,
durch Umschalten der Konstanten c1 und c2 z.B. die verschiedenen Erwärmungsverhältnisse
eines Motors während des Stillstandes (keine Belüftung durch Ventilatoren) oder
während des Laufes zu erfassen.
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3 Patentansprüche 1 Figur