DE2325767C3 - Elektronisches Oberlastrelais - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Überlastrelais nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Ein solches Überlastrelais ist Gegenstand des nicht vorveröffentlichten älteren deutschen Patentes 58 174. Bei diesem Überlastrelais wird die Erwärmung der stromdurchflossenen Einrichtung erst ab einer bestimmten wählbaren Größe des Stromes überwacht; die durch ungefährliche Ströme bedingte Erwärmung bleibt dagegen unberücksichtigt, so daß bei Auftreten eines die besagte Schwelle überschreitenden Stromes von einem Zählerstand Null ausgegangen wird. Eine wärmemäßige Vorbelastung der überwachten Einrichtung kann durch zusätzliche Bauteile näherungsweise erfaßt werden. Hierbei wird einem Umkehrfühler des Überlastrelais eine dem Quadrat des überwachten .Stromes der Einrichtung proporlionalc erste Impulsfolge zugeführt und in Abhängigkeit vom Auftreten dieser Impulsfolge vom Ausgang des Umkehrzählers ein Impulsgenerator gestartet, der eine konstante rückstellcndc zweite Impulsfolge dem Umkchrzähler zuführt, deren Frequenz größer ist als die der ersten Impulsfolge.

solange die Ströme der überwachten Einrichtung unterhalb der gewählten Schwelle liegen. Der Umkehrzähler wird in diesem Arbeitsbereich des Überlastrelais ständig auf »Null« zurückgestellt, d. h. intermittierend

ι ein- und ausgeschaltet und mit ihm auch der Impulsgenerator entsprechend ein und ausgeschaltet. Erst bei oberhalb des Schwellwertes liegenden Strömen wird dem Umkehrzähler eine erste vorwärtszählende Impulsfolge größere Frequenz als die mit konstanter Frequenz rückwärtszählende zweite Impulsfolge zugeführt, so daß eine vorwärtszählende resultierende Differenzimpulsfolge wirksam wird, die den Umkehrzähler bis auf einen die Abschaltung der überwachten Einrichtung veranlassenden Zählerstand bringt. Die

, konstante zweite Impulsfolge kann aber die von der Größe des Stromes abhängige Übertemperatur nicht erlassen, da von der mit dem Stromquadrat linear ansteigenden ersten Impulsfolge nur die konstante zweite Impulsfolge abgezogen wird, was keine Nachbildu.ig der erforderlichen e-Funktion des Umkehrzählers ermöglicht.

Ein die Übertemperatur unter günstigen Verhältnissen erfassendes Überlastrelais ist auf der INTERKAMA 1%5 gezeigt worden. Es ist in den Grundzügen aus der Drückschrift »AEG-Meßwesen, Transistorschutzrelais« 1907.608, A24RS/10.65 seit 1965 bekannt. Bei dem ausgestellten Relais ist als Speicher ein Kondensator auf eine dem Laststrom proportionale Spannung aufgeladen wird. Sobald die Spannung an dem Kondensator einen eingestellten Wert (Nennlast) überschreitet, gibt eine angeschlossene Schwellwertstufe Impulse ab, die einer Integrationsstufe zugeführt werden. 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 Scnwellwertstufe ist ebenfalls mit der Integrationsstufe verbunden. Somit weiden durch diese Schwellwertstufe der Integrationsstufe bereits Impulse vor dem Ansprechen der ersten Schwellwertstufe zugeführt. Hierdurch wird die Erwärmung der zu srhützenden Einrichtung durch den Betriebsstrom nachgebildet. Außerdem ist eine Entladung der Integrationsstufe beim Ausbleiben von Impulsen der ersten Schwellwcrtstufe und der zu dieser parallel geschaltete.! weiteren Schwellwertstufe vorgesehen. Hierdurch wird das Abkühlen der zu schützenden Einrichtung nachgebildet.

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 Überlastrelais entsprechend dem konstanten Lastspiel noch relativ genau eingestellt werden. Liegt dagegen ein wechselndes Lastspiel vor, so muß das bekannte Überlastrelais entsprechend dem ungünstigsten Lastspiel eingestellt werden. Dies führt dann bei anderen Lastspielen zu falschen Meßwerten und gegebenenfalls zu einer vorzeitigen Abschaltung der zu überwachenden Einrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Überlastrelais zu schaffen, das unabhängig von den bei unterschiedlichen Betriebsverhältnissen verschieden anfallenden und abgeführten Wärmemengen stets die richtige Uhcrtemperatnr der zu schützen-

den Einrichtung erfaßt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem elektronischen Überlastrelais nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches durch die Maßnahmen nach dem Kennzeichen des Hauptanspruches.

Anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels wird der Gegenstand der Erfindung nachfolgend näher beschrieben.

An die Sekundärwicklung eines Stromwajidlers 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 veibunden. 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 Abschalteinrichtung 8 als auch mit einem Digital-Analog-Umwandler 9 verbunden. Der Ausgang des Digita!-Ana!og-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.

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.

Die Arbeitsweise des Überlastrelais nach der Erfindung erklärt sich wie folgt. Die Belastung einer elektrischen Einrichtung, insbesondere einer elektrischen Maschine, führt zu einer Erwärmung derselben, die der Wärmegleichung

al·) Q = C_{1 dt +}r₂»

entspricht. In dieser Gleichung bedeutet ζ) die durch die Belastung erzeugte Wärmemenge und θ die Temperatur, um weiche die Temperatur der elektrischen Einrichtung über die Umgebungstemperatur ansteigt, c·, und ei sind Konstanten.

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 Quadrierg/^:ed 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 zugeführt. Beim Einschalten der elektrischen Einrichtung erscheint am Ausgang des Digital-Änalog-Umwandlers 9 noch kein Ausgangssignal, so daß am anderen Eingang der Subtraktionsstufe 4 ebenfalls noch kein Signal ansteht. Damit ist das Ausgangssignal der Subtraktionsstufe 4 zunächst gleich dein Eingangssignal. Über das erste Potentiometer 5 gelangt das Ausgangssignal der Subtraktionsstufe 4 an den Eingang des Anal<,:,-Digital-Umwandlers 6. Hier wird das analoge Signal in ein digitales Signal umgewandelt. Das von dem Analog-Digital-Umwandler 6 abgegebene digitale Signal wird dem Umkehrzähle·- 7 zugeführt.

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 dein Analog-Digital-Umwandler 6 gelir'.rten Impulse addiert, bei negativem Signa! am Aus_bäP~ der Subtraktionsstufe 4 dagegen subtrahiert.

Das am Ausgang des Umkehrzähiers 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 züge führt. Das am Ausgang des Umkehrzählers 7 aus den zugeführten Impulsen gebildete Signal 1st der Übertemperatur der zu überwachenden Einrichtung proportional. Die Abschalteinrichtung 8, die ebenfalls an den Ausgang des Umkehrzählers 7 angeschlosser ist, spricht erst bei einem bestimmten Wert am Ausgang des Umkehrzählers 7 an. Dieser Wert entspricht dann der für die elektrische Einrichtung zulässigen Übertemperatur.

Durch die beiden Potentiometer 5 und 10 können die für jede elektrische Einrichtung verschiedener Konstanten Ci und C2 eingestellt werden. Mit dem Überlastrelais nach der Erfindung wird eine genaue Anpassung an die weiter oben angegebene Wärmegleichung erreicht. Da dem einen Eingang der Subtraktionsstufe eine der Wärmemenge proportionale Größe und dem anderen Eingang von dem Digital-Analog-Umwandler 9 über das zweite Potentiometer 10 eine üer Übertemperatur proportionale Größe zugeführt wird, erscheint am Ausgang der Subtraktionsstufe ein dem Differentialquotienten -j-proportionales Signal.

Solange die durch den Strom in der elektrischen Einrichtung erzeugte Wärmemenge Qgroßer ist als die abgeführte Wärmemenge, welche dem Summanden c^d der Wärmegleichung entspricht, ist das Ausgangssignal der Sbbtraktionsstufe 4 positiv und der Umkehrzähler 7 zählt somit in Vorwärtsrichtung. Das Signal am Ausgang des Umkehrzählers 7 steigt samit weiter an Damit steigt auch das über den Digital-Analog-Umwandler 9 an den anderen Eingang der Subtraktionsstufe 4 geführte Signal an. Das Ausgangssignal der Subtraktiorsstufe 4 wird dadurch immer kleiner und der Anstieg des Ausgangssignals des Umkehrzählers 7 verlangsamt sich bis schließlich das von dem Digital-Analog-Umwandler 9 /.ugeführte 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.

Beim Auftreten eines Uberstromes wird das der

.Subtraktionsstufe 4 von dem Qu.· Irierglied 3 /!!geführte Signal wieder größer als das über den Digital-Analog Umwandler 9 am anderen Ein*·.mg der Sübtraktionsstufe 4 anstehende Signal. Am Λ isgang der Siibtraklionsstufc 4 erscheint somit wie lcr ein positives Signal. Infolgedessen zähll der Umkehrzahler 7 beim Auftreten eines Überstromes in Vorwärtsrichtung weiter, und das Signal an seinem Ausgang steig! weiter an. Übersteigt das Ausgangssignal des Umkehr/ählers 7 dabei den Ansprechwert der Abschalteinrichtung 8, so wird durch f'.ie Abschalteinrichtung 8 bei Erreichen ihres Ansprechwertes eine Abschaltung der elektrischen Hinrichtung vorgenommen.

Ändert sich der in der elektrischen Einrichtung fließende Strom infolge eines Lastspieles, so ändert sich damit auch das der Sübtraktionsstufe 4 von dem Quadrierglied .1 zugeführte Signal, welches der erzeugten Wärmemenge proportional ist. Zu Beginn eines Gastspieles wird zunächst ύ>^η. Temperatur ansteigen, was durch ein Ansteigen des Wertes des Ausgangssignals am Umkehrzähler 7 /.um Ausdruck kommt. Nimmt nun /. 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. 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 Überlastrelais vermag eine cleraitige Abkühlung ebenfalls /u erfassen Wenn rämlich das von dem Quadriert:' '.:d ? der Subtraktion¹-stufe 4 /!!geführte Signal kleiner ist als das von dem Digital Analog -Umwandlet 4 dem anderen Eingang der Sübtraktionsstufe 4 /ugc^:'ihrie .Signal, erschein! am Ausgang der Subiraktiimssiiile π η negatives Signa' Durch die f iren/wert-tufe 12 wird der Umkehr/ahler auf RtH kwiirls/.ählcn umgeschaltet, so daß das Aus gangssignal des ('mkehr/ählers ■ ntsprechend der sinkenden Temperatur der elektrischen Einrichtung ebenfalls abnimmt. Der Vorgarn¹ des Rückwärtszählens dauert so lange, bis wieder (Heu hgewicht /wischen der erzeugten und der abgestrahlten Wärmemenge besteht. Bei dem Überlastrelais nach der Erfindung müssen somit lediglich durch die beiden Potentiometer 5 und IO die der zu überwachenden Einrichtung entsprechenden Konstanten c und c.· eingestellt werden. Dann vermag das Überlastrelais sowohl bei kontinuierlicher Belastung als auch bei wechselndem [.astspiel 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 Stih'raktionsstufe 4 noch eine der Umgebungstemperatur proportionale Spannung zu. so kann die absolute Temperatur der zu überwarnenden Einrichtung erfaßt werden. Weiterhin ist es möglich, durch Umschalten der Konstanten c\ und C: z. B. die verschiedenen Erwärmungsverhältnisse eines Motors während des Stillstandes (keine Belüftung durch Ventilatoren) oder während des Laufes zu erfassen.

I liei/u I Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektronisches Überlastrelais zur Überwachung der Erwärmung von stromdurchflossenen Einrichtungen mit einem Umkehrzähler, dessen Zähleingang über einen Analog-Digitalwandler Zählimpulse zugeführt werden, deren Anzahl sich aus der über ein Quadrierglied erfaßten Größe des gleichgerichteten Stromes als Maß für die aufgenommene Wärmemenge vermindert um eine vom Zählerstand des Umkehrzählers ausgelöste und beim Zählerstand »Null« fortfallende elektrische Rückstellgröße als Maß für die an die Umgebung abgegebene Wärmemenge bestimmt, welcher Umkehrzähler nach Erreichen eines bestimmten Zählerstandes eine Abschalteinrichtung zur Abschaltung der Einrichtung in Tätigkeit setzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Umkehrzählers (7) außer mit der Abschalteinrichtung (8) noch über einen DigjtaJ-Analog-Umwandler (9) zur Umwandlung des Zählerstandes in eine entsprechende negative Spannung sowie über ein Potentiometer (10) ständig mit dem einen Eingang einer Subtraktionsstufe (4) verbunden ist, daß deren anderem Eingang über das Quadrierglied (3) die dem gleichgerichteten Strom der überwachten Einrichtung (1) proportionale positive Spannung zugeführt ist und daß deren Ausgang einerseits über ein Potentiometer (5) und den zur Umwandlung der Differenz aus beiden Spannungen in eine Impulsfolge dienende Analog-Digital-Umwandler (6) mit dem Zähleingang d"s Urr'.ehrzählers (7) und andererseits über gesonderte Grenzwertstufen (11, 12) für Vorwärts- bzw. Rück' iirtszählbefehle bei positivem bzw. negativem Ausgangssignal der Subtraktionsstufe (4) mit den beiden Richtungseingängen des Umkehrzählers (7) verbunden ist.

2. Elektronisches Überlastrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Subtraktionsstufe . (4) zusätzlich eine der Umgebungstemperatur proportionale Spannung zugeführt ist.