DE2422835A1 - Stromunterbrecherschaltung - Google Patents

Description

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ARTECHE, INSTRUMENTACION Y SYSTEMAS ELECTRONICOS S.A., Munguia (Vizcaya) / Spanien

Stromunterbrecherschaltung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich'auf eine Stromunterbrecherschaltung, mit welcher beim Auftreten von Überströmen eine Abschaltung von elektrischen Geräten erreichbar ist.

Zum Schutz von elektrisch betriebenen Geräten vor in den Versorgungsleitungen auftretenden ÜberStromstärken werden bekanntlich in das Netz Stromrelais eingebaut, welche zum Ansprechen gebracht werden, sobald der in der Leitung fließende Strom einen vorgegebenen Wert übersteigt, wodurch die Stromzufuhr dann unterbrochen wird.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Stromunterbrecherschaltung zu schaffen, deren

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Ansprechgeschwindigkeit umgekehrt proportional zu der auftretenden ÜberStromstärke ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß dieselbe eine Kennlinieneinheit mit einer Anzahl von in Serie liegenden Widerständen aufweist, mit welchen eine entsprechende Anzahl von verschiedenen Kennlinien einstellbar ist, und daß zusätzlich eine Verzögerungseinheit vorgesehen ist, mit welcher der Auslösezeittpunkt um ein vorgegebenes Zeitintervall unter Bildung versetzter Kennlinien hinausschiebbar ist.

Im Hinblick auf eine optimale Schutzfunktion weist die erfindungsgemäße Stromunterbrecherschaltung eine inverse Zeitcharakteristik auf, in dem ihre Ansprechzeit nicht konstant sondern umgekehrt proportional zur Größe der überStromstärke ist. Dies hat zur Folge, daß die erfindungsgemäße Stromunterbrecherschaltung sehr rasch zum Ansprechen gebracht werden kann, wenn eine sehr starke Überstromstärke auftritt. Bei geringeren ÜberStromstärken arbeitet die erfindungsgemäße Stromunterbrecherschaltung jedoch mit proportionaler Verzögerung.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Anordnungen wird bei der erfindungsgemäßen Stromunterbrecherschaltung unterhalb eines bestimmten Schwellwertes aus dem Stromversorgungsnetz kein Strom entnommen, da die abnormalen Bedingungen, unter denen die Stromunterbrechung erfolgt, nur sehr selten vorkommen. Demzufolge wird nur zu diesen Zeitpunkten Strom dem Strömversorgungsnetz entnommen, so daß der Mittelwert des Stromverbrauchs sehr gering ist. Um dies zu erreichen wird ein aufladbarer Kondensator verwendet, welcher als Hilfsspannungsquelle dient. Bekannte Unterbrecherschaltungen können hingegen derartige Hilfsspannungsquellen nicht verwenden, weil sie kontinuierlich Strom entnehmen, weshalb man gezwungen ist, kostspieligere Spannungsquellen - wie Batterien - vorzusehen.

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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist eine Kennlinieneinheit vorgesehen, welche die Kurve der inversen Zeitcharakteristik bildet. Diese Kennlinieneinheit ist so ausgebildet, daß sie mehrere Kennlinienfunktionen, unter anderem auch die Konstantzeitfunktion, besitzt, so daß es möglich ist, die jeweils günstigste Kennlinie zu wählen. Dabei ergibt sich die Möglichkeit, eine Umwandlung von einer variablen inversen Zeitcharakteristik in eine Konstantzeitcharakteristik vorzunehmen.

Die erfindungsgemäße Unterbrecherschaltung ist mit einer zusätzlichen Verzögerungseinheit versehen, mit welcher die gewählte Kennlinienkurve um eine vorgegebene Zeitspanne verschoben werden kann, wobei die beiden Verzögerungszeiten zusammengerechnet werden. Aufgrund dieser Tatsache kann die Verzögerungszeit der erfindungsgemäßen Unterbrecherschaltung auf jenen Wert eingestellt werden, welchen der Benutzer jeweils für den optimalen hält. Aufgrund dieser Ausgestaltung ist es ferner möglich, mehrere Stromunterbrecherschaltun gen mit verschiedener Einstellung zur Steuerung verschiedener Punkte eines Betriebssystems zu verwenden, wobei die Abschaltung dieser Punkte in der gewünschten Reihenfolge erfolgt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Rückstellzeit der Auslöseeinheit ebenfalls eingestellt werden, bevor ein erneuter Stromunterbrechungsvorgang ausgelöst werden kann. Damit kann der Einfluß bereits abgeklungener überstromstärken im Hinblick auf eine erneute Ausschaltung einer weiteren ÜberStromstärke eingestellt werden. Wenn somit eine ÜberStromstärke auftritt, und die Auslöseeinheit nicht auf eine von Null abweichende Rückstellzeit eingestellt worden ist, so wirkt sich die zur Rückstellung fehlende Zeit auf die Ansprechzeit verkürzend aus; das System arbeitet somit derart, in dem die die ÜberStromstärke erzeugende Wärme zu der von der vorhergehenden ÜberStromstärke erzeugtaiWärme addiert wird, weil die Zeit für die Ableitung der Wärme zu kurz ist.

Im folgenden soll nun zum besseren Verständnis der Erfindung ein

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Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben und erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltanordnung der erfindungsgemäßen Stromunterbrecherschaltung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der von der entsprechenden Einheit erzeugten Kennlinien,: und

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Einflusses der Rückstellzeit der Auslöseeinheit.

Die in Fig. 1 dargestellte Stromunterbrecherschaltung ist in jeder Phase eines Netzes angeordnet, um eine unabhängige Abschaltung der einzelnen Phasen erreichen zu können.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die erfindungsgemäße Stromunterbrecherschaltung eine Eingangseinheit 1, welche an ihren Anschlüssen 7 das zu steuernde Eingangssignal empfängt. Diese Eingangseinheit 1 gibt ein aus einer Folge von Halbzyklen der gleichen Richtung bestehendes Probenwertsignal ab, wobei jeder dieser Halbzyklen die Summe aus dem entsprechenden Halbzyklus des Eingangssignals und dem vorhergehenden Halbzyklus gleicher Richtung darstellt. Dieses Probenwertsignal stellt einen quantitativen Probenwert des Eingangssignals dar, gibt jedoch die möglichen , eine irrtümliche Auslösung bewirkenden, Asymmetrien nicht wieder.

Die erfindungsgemäße Stromunterbrecherschaltung umfaßt ferner eine Kennlinieneinheit 4, welche die in Fig. 2 dargestellten Kennlinien 15 mit inverser Zeitcharakteristik erzeugt. Die sich ergebende Auslösezeit ist dabei umgekehrt proportional zur Größe der auftretenden überStromstärke. Um die Konstante K dieser Funktion und damit auch der Kennlinie 15 zu definieren,weist die Kennlinieneinheit 4 eine Reihe in Serie geschalteter Widerstände 12 auf, deren

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Verbindungspunkte mit einem, von außen betätigbaren Schalter 6 abgegriffen werden können. In den Schaltkreis kann somit eine veränderliche Anzahl dieser Widerstände 12 eingeschaltet werden, wodurch eine bestimmte Kennlinie 15 gewählt werden kann. Die Tatsache, daß es sich hierbei nicht um ein Schiebepotentiometer , sondern um eine Serienschaltung von Festwiderständen handelt, bietet eine größerere Genauigkeit bei der Auswahl einer der Kennlinien 15, während gleichzeitig die Möglichkeit geschaffen wird, mehrere dieser Stromunterbrecherschaltungen an verschiedenen Punkten eines Leitungsnetzes anzuordnen, um auf diese Weise eine zeitlich gesteuerte Abschaltung der einzelnen Punkte zu erzielen. Wenn alle Widerstände

12 ausgeschaltet sind, so führt dies zur Erzeugung einer im wesentlichen stromunabhängigen Kennlinie 16.Die Stromunterbrechung erfolgt somit nach einem vorgegebenen festgelegten Zeitintervall, was in besonderen Anwendungsfällen zweckmäßig sein kann.

Zur Steuerung seiner Rückstellzeit weist die Kennlinieneinheit 4 einen einstellbaren Widerstand 13 auf, welcher im Hinblick auf das Auftreten eines fluktuierenden, jedoch den Auslöseschwellwert nicht erreichenden Eingangssignals, gemäß den Kurven 19, 20 von Fig. 3, eine Einstellung der Nullrückstellung ermöglicht. Der Widerstand

13 kann dabei so eingestellt werden, daß er gemäß der Kurve 19 zu einer langsamen Rückstellung führt, so daß der durch den folgenden Signalwert sich ergebende Kürvenverlauf durch den vorhergehenden Signalwert beeinflußt wird. Dieser Widerstand 13 kann jedoch auch so eingestellt werden, daß eine rasche Rückstellung gemäß dem Kurvenverlauf 20 möglich ist, so daß der Einfluß der vorhergehenden Signalimpulse eliminiert wird.

Die erfindungsgemäße Stromunterbrecherschaltung weist ferner eine zusätzliche Verzögerungseinheit 5 auf, mit welcher die Stromunterbrechung um ein vorgegebenes Zeitintervall verzögert werden kann. Dadurch kann eine Verschiebung der Kennlinien 15 entlang der Zeitachse erreicht werden, so wie dies durch die Kennlinien 17 angedeu-

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tet ist. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Stromunterbrecherschaltung noch vielseitiger eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Stromunterbrecherschaltung weist ferner eine Auslöseeinheit 3 auf/ welche mit einer Lichtemitterdiode 14 versehen ist, die die Auslösung der Auslöseeinheit 3 anzeigt.

Die Speisung der erfindungsgemäßen Stromunterbrecherschaltung erfolgt mittels einer Schwellwerteinheit 2, welche über Klemmen 8 mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Um zu vermeiden, daß die Stromunterbrecherschaltung über die Klemmen 8 Strom entnimmt, ist die Schwellwerteinheit 2 mit Thyristoren T_ , T₃ versehen, welche bis zur Erreichung eines bestimmten Auslöseschwellwertes keine Energie aufnehmen. Auch entnimmt die Kennlinieneinheit 4 keinen Strom, weil ihr negativer Anschluß 11 über den Relaiskontakt A1 geöffnet ist. Die innerhalb der Auslöseeinheit 3 liegende Wicklung A dieses Relais ist dabei nicht erregt, solange der jeweilige Auslöseschwellwert erreicht ist; schließlich verbraucht auch die Verzögerungseinheit '5 keinen Strom, weil ihr negativer Anschluß über den Thyristor 21 verläuft, welcher nur dann leitend ist, wenn das entsprechende Zeitintervall mit der vorgewählten Zeit-Strom-Kennlinie erreicht wurde.

Die einzelnen Einheiten der erfindungsgemäßen Stromunterbrecherschaltung sollen im folgenden noch näher erläutert werden:

Eingangseinheit 1: Die Sekundärwicklung des Transformators T wird mittels eines nicht linearen Widerstandes V geschützt. Es wird somit ein sekundärseitiges Eingangssignal gebildet, welches mittels eines Spannungsteilers, der aus einem der Feineinstellung dienenden Potentiometer Pot 3 und einem Widerstand R28 besteht, in eine Spannung umgewandelt wird, die nach Gleichrichtung durch Dioden D6 und D7 und nach Eliminierung der asymmetrischen Komponente mittels der Kondensatoren C13 und C14 an die Einheiten 2 und 3 abgegeben

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wird. Die beiden Zenerdioden Z 6 und Z7 verringern die maximal erzielbare Spannung auf einen festgelegten Wert, so daß die Ausgangsspannung konstant ist, wenn der Eingangsstrom an den Klemmen 7 den eingestellten Intensitätswert um etwa das Zwanzigfache übersteigt. Daraus ergibt sich gemäß Fig. 2 für die höheren Stromint.ensitäten ein Bereich'mit kontantem Zeitintervall.

Schwellwerteinheit 2: Die von der Eingangseinheit 1 abgegebene Spannung wird einem aus einem Widerstand R22 und einem Potentiometer Pot 4 gebildeten Spannungsteiler zugeführt.An den einstellbaren Anschluß dieses Potentiometers Pot 4 tritt eine Spannung auf, welche größer als die von dem Transistor T2 abgegebene Spannung zuzüglich der Spannung der Zenerdiode Z4 ist, wenn der Eingangsstrom der Primärwicklung des Transformators über die Anschlüsse 7 je nach Einstellung in der Größenordnung zwischen dem zweifachen Nominalwert und unendlich liegt. Unter diesen Bedingungen wird der Transistor T2 leitend, wodurch über den Widerstand R25 ebenfalls der Transistor T3 umgeschaltet wird, so daß durch die Spule des Relais I ein Strom fließt. Die Elemente R24 und C10 sowie R 26 und C11 bilden zusammen die Integratoren, so daß ein oszillierendes Ansprechen des Relais I vermieden wird.

Auslöseeinheit 3: Die Spannung der Eingangseinheit wird ebenfalls durch den aus den beiden Widerständen R20 und R21 und dem Potentiometer Pot 2 gebildeten Spannungsteiler geleitet. Der bewegliche Anschluß dieses Potentiometers Pot 2 ist dabei mit.der Basis des Transistors T!verbunden. Sobald die durch die Primärwicklung des Anschlußtransformators strömende Stromintensität höher ist als die eingestellte Auslöseintensität, ist die an der Basis des Transistors T1 auftretende Spannung höher als der Spannungsabfall der Emitter-Basisstrecke dieses Transistors T1 zuzüglich des Spannungsabfalls der Zenerdiode Z3, wodurch der Transistor T1 leitend wird. Dadurch wird das Relais A bzw* 10 erregt und die Lichtemitterdiode 14 zum Aufleuchten gebracht. Das Relais A bzw. 10, welches als Anlaßrelais

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bezeichnet werden kann, weist in Parallelschaltung zur Spule eine Freilaufdiode D8 , sowie eine aus einem Widerstand R19 und einem Kondensator C8 bestehende Serienschaltung auf, die zur Integrierung der Transistorleitimpulse dient.

Kennlinieneinheit 4; Die Umschaltung des Kontaktes A1 des Relais A ermöglicht die Anlegung der in der Eingangseinheit 1 erzeugten Spannung an die Kennlinieneinheit 4. Diese Spannung gelangt über die aus den Elementen R18 bestehenden Widerstände 12, einem Schaltkontakt 6, einen Widerstand R17, einer Diode D4, zu den Kondensatoren C15. Dieser Strom ruft eine Ladung der Kondensatoren C15 hervor, welche sich jedoch über den Widerstand R13 erneut entladen, um ein gewisses, vom Spannungsteiler D3, R12, Pot 1 und R15 vorgegebenes Spannungsniveau gegenüber einem steuerbaren Transistor
Put zu erreichen, wodurch die Zündung des Thyristors Ti2 hervorgerufen wird, der über die Elemente R10, R11, D2 und Ti2 leitend
bleibt.

Die zur Erreichung des Ausloseschwellwertes für den steuerbaren Transistor Put erforderliche Zeit hängt von der Zeitkonstante RC ab,die mittels des Schaltkontakts 6 gewählt wird. Mittels dieses Schaltkontakts kann somit die für das zu schützende Gerät geeignete Kennlinie gewählt werden. Die Form der Kennlinie kann leicht geändert werden, indem die genannten Widerstände 12 durch Elemente beispielsweise Zenerdioden ersetzt werden, deren Widerstand sich mit der Spannung ändert.

Wenn die Stromintensität in der Primärwicklung des Anschlußtransformators unter den Auslösewert fällt, bevor die Kondensatoren C15
eine Auslösung erwirkt haben, entladen sich diese Kondensatoren C15 über den einstellbaren Widerstand R16, so daß der Kontakt A1 das Relais A wieder in die in Fig. 1 dargestellte Ruhestellung
zurückkehrt. Die Einstellung des Widerstandes R16 ermöglicht sowohl die Erzielung einer sehr raschen Entladung was insbesondere bei
Energieübertragungsleitungen erwünscht ist, als auch die Erzielung

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einer sehr langsamen Entladung, was insbesondere für den Schutz von Motoren oder ähnlichen Geräten zweckmäßig erscheint.

Verzögerungseinheit 5; Um den Thyristor Ti2 der Kennlinieneinheit 4 leitend zu machen, erscheint über die Widerstände R7, R8, R9 die gesamte HiIfsspannung. Durch die aus den Elementen R2, R3, D1 und T bestehende Parallelschaltung, welche in Serie zum Widerstand R1 geschaltet ist, der seinerseits wieder in Serie zur Zenerdiode Z1 geschaltet ist, tritt an der Zenerdiode Z1 eine konstante Spannung auf, die über den Widerstand R4 und das Potentiometer Pot 5 der Aufladung des Kondensators C2 dient. Das Potentiometer Pot 5 dient dabei der Wahl der zusätzlichen Verzögerungszeit. Sobald der Kondensator C 2 einen vorgegebenen Spannungswert erreicht hat, erfolgt eine Durchschaltung des ünjunktionstransistors U, welcher den Kondensator C2 über den Widerstand R6 entlädt. Dadurch wird eine Zündung des Thyristors Ti1 hervorgerufen, was zu einer Erregung des Relais T und zu einem Schließen der Relaiskontakte T₁ , T₂ , welche im Ausgangskreis der erfindungsgemäßen Stromunterbrecherschaltung angeordnet sind.

Die Widerstände 12 der Kennlinieneinheit 4 können je nach dem Verwendungszweck durch nichtlineare Elemente ersetzt werden, wodurch weitere Kennlinien zum Schutz besonderer elektrischer Geräte erzeugt wer'den können.

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Claims (6)

Patentansprüche

1.) Stromunterbrecherschaltung, mit welcher beim Auftreten von Überströmen eine Abschaltung von elektrischen Geräten erreichbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe eine Kennlinieneinheit (4) mit einer Anzahl von in Serie liegenden Widerständen (12) aufweist, mit welchen eine entsprechende Anzahl von verschiedenen Kennlinien (15,16) einstellbar ist, und daß zusätzlich eine Verzögerungseinheit (5) vorgesehen ist, mit welcher der Auslösezeitpunkt um ein vorgegebenes Zeitintervall unter Bildung versetzter Kennlinien (17) hinausschiebbar ist.

2 . Stromunterbrecherschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß die Widerstände (12) nichtlineare Elemente sind.

3. Stromunterbrecherschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe eine über Klemmen (8) mit einer Spannungsquelle verbundene Schwellwerteinheit

(2) aufweist, deren Transistoren (T2 , T3) bis zur Erreichung eines Auslöseschwellwertes keinen Strom über die Klemmen (8) entnehmen, ferner daß der negative Anschluß (11) der Kennlinieneinheit (4) über einen Relaiskontakt (A1) angeschlosssen ist, welcher bis zur Erreichung des Auslöseschwellwertes geöffnet ist, und daß der negative Pol der Verzögerungseinheit (5) über einen Thyristor (21) angeschlossen ist, welcher erst bei Erreichung einer Stromunterbrechung gemäß der vorgewählten Kennlinie (15, 16) in den leitenden Zustand gelangt.

4. Stromunterbrecherschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennz ei chnet, daß die Kennlinieneinheit (4) einen einstellbaren Widerstand (13) aufweist, mit welchem die Rückstellzeit bzw. dieRückstellgeschwindigkeit vor Erreichen

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des Auslöseschwellwertes beeinflußbar ist.

5. Stromunterbrecherschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Eingangseinheit (1) vorgesehen ist, welche in Abhängigkeit' eines an Klemmen (7) zugeführten Eingangssignals ein aus einer Folge von Halbzyklen bestehendes Probensignal abgibt, welches die Summe von einem Halbzyklus des jeweiligen Eingangssignals und dem vorausgegangenen Halbzyklus darstellt.

6. Stromunterbrecherschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, daß zusätzlich eine Auslöseeinheit (3) vorgesehen ist, welche eineLichtemitterdiode (14) aufweist, die eine Auslösung der Stromunterbrecherschaltung anzeigt.

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