DE2443522B1 - Schaltungsanordnung zur begrenzung von einschaltstromspitzen - Google Patents

Description

• Hier ist der mit einem entsprechenden Sicherheitsfaktor für die Betriebsstromstärke ausgelegte Kontakt k durch einen Schutzwiderstand Rs vor dem durch Einschaltbedingung, Belastungsart und Transformatoreneigenschaften gegebenen primärseitigen Einschaltstromstoß geschützt. Dieser im Primärkreis des Transformators eingeschaltete Schutzwiderstand Rs braucht dabei lediglich für die Dauer einer Periode oder noch weniger in den Stromkreis eingeschaltet zu sein, da der Einschwingvorgang mit starker Dämpfung erfolgt. Zu diesem Zweck ist ein parallel zum Primärkreis liegendes, über einen Gleichrichter GL angeschaltetes Relais Vvorgesehen, dessen Arbeitskontakt vwiederum parallel zum Schutzwiderstand Rs geschaltet ist. Da der Widerstandswert des Schutzwiderstandes Rs sehr viel größer als der Widerstandswert des Relaiskontaktes v ist, wird der Schutzwiderstand Rs nach dem Anziehen des Relaisankers durch den Arbeitskontakt v überbrückt, so daß der Stromfluß nun über diesen Kontakt v erfolgt. Der Kurzschluß des Schutzwiderstandes Rs erfolgt dabei zwangsläufig erst nach Ablauf der Ansprechzeit des Relais V, da dieses über entsprechende Bauelemente zur Anpassung an die Primärspannung (Gleichrichter GL,Widerstand R) ebenfalls über den Einschaltkontakt k erregt wird. Aus diesem Grund kann als Relais V jedes nicht zu schnelle Relais mit entsprechender Kontaktbelastbarkeit ohne besondere Maßnahmen zur Anzugsverzögerung verwendet werden. Der Schutzwiderstand Rs kann dabei in seiner Dauerbelastbarkeit relativ klein sein, da er nur kurzzeitig' stromdurchflossen ist. Nimmt man zur Bestimmung eines überschlägigen Richtwertes für seinen Widerstandswert für den Einschaltmoment den Eingangswiderstand des Transformators zu 0 und den Mittelwert der Primärspannung Up als gleich dem Effektivwert an, so ergibt sich als Bedingung I für seine Bemessung: Rs = (1) 1kwax (1k max = höchstzulässige Kontaktstromstärke).
• Ein wesentlich größerer Widerstandswert für den
• Schutzwiderstand Rs ist ungünstig, da sonst je nach der Aufschaltbedingung die momentane Änderung in der Magnetisierung beim Schließen des Relaiskontaktes v zu groß wird und dadurch wiederum dieser Kontakt zu stark belastet ist.
• Wird weiterhin zur Vereinfachung der Bestimmung der Nennleistung des Schutzwiderstandes Rsder bis zum Kurzschluß fließende Strom als konstant angenommen, so ergibt sich für die am Schutzwiderstand Rs umgesetzte Energie: E = Up eff 2tAflz RS (tAnz = Anzugsverzögerungsdauer von Relais .
• Für die Temperaturzunahme dadurch ergibt sich unter der ebenfalls vereinfachenden Annahme, daß gleichzeitig keine Wärmeabgabe erfolgt, als Bedingung II zur Dimensionierung von Rs: lt + t" < t tl,.ax (GRs = Gewicht von Rs; CRs = spezif. Wärme von RS; tu = Umgebungstemperatur).
• Da der Schutzwiderstand Reiner Nennleistung nach nur dementsprechend klein ausgelegt zu werden braucht und gerade der Vorteil dieser Schaltungsanordnung gegenüber anderen für diesen Zweck in dem dadurch bedingten geringen Material- und Raumbedarf liegt, ergibt sich aber der Umstand, daß das Relais V sehr betriebssicher wirken muß, weil bei einem Ausfall von Relais V oder einem in seinem Spulenstromkreis liegenden Bauelement sofort eine Zerstörung des Schutzwiderstandes Rs durch Übertemperatur mit den damit verbundenen Folgen eintritt. Da jedoch ein Relais im Vergleich zu anderen Bauelementen eine relativ hohe Ausfall-Wahrscheinlichkeit hat, ist mit der Anwendung dieser Schaltung eine verhältnismäßig große Unsicherheit verbunden. Es verbietet sich daher ihre Anwendung hauptsächlich in Geräten mit einer hohen Zuverlässigkeitsforderung.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Zuverlässigkeit von Schutzschaltungen zur Begrenzung des Einschaltstromes weiter zu verbessern.
• Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Schutzwiderstand ein Kaltleiter mit hohem positivem Temperaturkoeffizienten vorgesehen ist, welcher so bemessen ist, daß sich ein gegenüber dem Anfangswiderstandswert des Verbrauchers großer Anfangswiderstand und eine gegenüber der Relaisansprechzeit große thermische Zeitkonstante ergibt. Durch die Verwendung eines vorzugsweise aus Halbleitermaterial bestehenden Kaltleiters für den Schutzwiderstand des Relaiskontaktes ergibt sich ein Selbstschutzeffekt dieser Schaltung durch die extrem starke Zunahme des Kaltleiterwiderstandes bei einer eventuellen Fehlfunktion der Schutzschaltung, so daß einerseits eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet ist und andererseits eine übermäßige Wärmeentwicklung vermieden wird.
• Im folgenden wird die Erfindung an Hand der in F i g. 3 dargestellten Schaltung näher erläutert.
• In dieser Schaltung ist der einen konstanten Widerstandswert aufweisende Schutzwiderstand Rs aus der Schaltung nach Fig. 2 durch einen Kaltleiter KL mit einem der Bedingung 1 (s. Gleichung I) entsprechenden Kaltwiderstandswert ersetzt. Durch die gegenüber der Anzugsverzögerungszeit von Relais V große thermische Zeitkonstante von mehreren Sekunden behält der Kaltleiter KL seinen Anfangswiderstandswert bis zum Kurzschluß durch den Relaiskontakt v weitgehend bei, so daß sich insoweit dieselbe Wirkung wie durch den Schutzwiderstand Rs aus der Schaltung gemäß Fig. 2 ergibt. Tritt jedoch der Fall ein, daß der Kaltleiter KL beispielsweise durch einen Ausfall von Relais V, Gleichrichter GL oder einem anderen im Erregerstromkreis liegenden Bauelement nicht nach Ablauf der Relaisansprechzeit tAnz kurzgeschlossen wird, so tritt, anders als bei der Schaltung gemäß Fig. 2, keine Zerstörung des Kaltleiters KL mit den damit verbundenen Nebenwirkungen (Beschädigung anderer Bauteile, Brandgefahr usw) ein, sondern nur eine Fehlfunktion der Gesamtschaltung durch eine starke Verringerung des Primärstromes durch den hohen Warmwiderstand des Kaltleiters KL. Dabei vergrößert dieser seinen Widerstandswert auf einen annähernd dem Effektivwert der Primärspannung entsprechenden Wert. Aus diesem Umstand ergibt sich hier die Bedingung II für die Dimensionierung des Kaltleiters so, daß Upeff< der im Applikationsdiagramm für diesen Kaltleiter angegebenen Höchstspannung sein muß.
• Diese Schaltung läßt sich vorteilhaft zur Begrenzung des im Primärkreis eines Netztransformators für ein Gleichrichtergerät durch die Ladeströme der Glättungskondensatoren verursachten Einschaltstromstöße verwenden.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Einschaltstromspitzen in einem an eine Speisespannung anzuschaltenden Stromkreis mit einem im Zeitpunkt des Einschaltens niederohmigen Verbraucherwiderstand, unter Verwendung eines Schutzwiderstandes und einer parallel zum Verbraucherstromkreis eingeschalteten Relaisspule, deren parallel zum Schutzwiderstand liegender Arbeitskontakt nach dem Einschalten und nach einer durch die Ansprechzeit des Relais bedingten Zeitverzögerung einen Kurzschluß des Schutzwiderstandes bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzwiderstand ein Kaltleiter (KL) mit hohem positiven Temperaturkoeffizienten vorgesehen ist, welcher so bemessen ist, daß sich ein gegenüber dem Anfangswiderstandswert des Verbrauchers großer Anfangswiderstand und eine gegenüber der Relaisansprechzeit große thermische Zeitkonstante ergibt.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangswiderstandswert des Kaltleiters nach der Formel RKL = Upeff Ik .rax bemessen ist, wobei Um elf den Effektivwert der an den Verbraucherstromkreis angeschalteten Primärspannung und Ikmax die höchst zulässige Kontaktstromstärke des Relais bedeutet.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltleiter (KL) aus Halbleitermaterial besteht.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Einschaltstromspitzen in einem an eine Speisespannung anzuschaltenden Stromkreis mit einem im Zeitpunkt des Einschaltens niederohmigen Verbraucherwiderstand, unter Verwendung eines Schutzwiderstandes und einer parallel zum Verbraucherstromkreis eingeschalteten Relaisspule, deren parallel zum Schutzwiderstand liegender Arbeitskontakt nach dem Einschalten und nach einer durch die Ansprechzeit des Relais bedingten Zeitverzögerung einen Kurzschluß des Schutzwiderstandes bewirkt.

   Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt (DT-OS 15 63 625).

   Beim Einschalten von Glühlampen, Motoren, Transformatoren usw. treten Spitzenstromstärken auf, die ein Mehrfaches der jeweiligen Betriebsstromstärken erreichen können. Die damit beaufschlagten Schaltelemente (Schalter, Relaiskontakte, Halbleiter-Bauelemente usw) können aus Wirtschaftlichkeitsgründen - mit einem entsprechenden Sicherheitsfaktor - in den meisten Fällen jedoch nur für die Betriebsstromstärke ausgelegt werden. Daher ist hier eine Begrenzung des Einschaltstrom-Spitzenwertes auf einen innerhalb des zulässigen Belastungsbereiches der Schaltelemente liegenden Wert erforderlich.

   Ein bekanntes Verfahren hierfür ist die allmähliche Verringerung eines im Einschaltmoment in Serie mit dem Verbraucher liegenden ohmschen Widerstandes auf einen bestimmten Endwert (Funkschau, 1952, Heft 2, S.33).

   F i g. 1 zeigt die vorgenannte bekannte Schaltungsanordnung zur Begrenzung des Einschaltstromes von Transformatoren, in welcher der relativ hohe Kaltwiderstand eines Heißleiters zur Begrenzung des Einschaltstromes verwendet wird und die Widerstandsabnahme zwangläufig selbsttätig durchdie Erwärmung dieses Bauelementes bis zu einem hauptsächlich durch den Betriebsstrom und die Typeneigenschaften des verwendeten Heißleiters gegebenen Wert erfolgt. In dem dargestellten Schaltungsbeispiel liegt der Heißleiter HL zwischen einem Schaltkontakt k und der Primärwicklung eines von einer Primärspannung Up gespeisten Primärkreises eines sekundärseitig mit einem Lastwiderstand RL abgeschlossenen Transformators. Da die für die meisten derartigen Anwendungsfälle in Frage kommenden Heißleiter eine im Sekunden bis Minutenbereich liegende thermische Zeitkonstante haben, kann die Anwendung dieser Schaltung nur dann erfolgen, wenn eine solche Verzögerung bis zum Erreichen der Betriebsstromstärke zulässig oder erwünscht ist.

   Die Fig. 2 stellt die im Prinzip aus der DT-OS 15 63 625 bekannte Schaltung dar, die vorteilhaft zur Verringerung des Einschaltstromes von Transformatoren und zur Begrenzung der Ladestromstärke der Glättungskondensatoren bei RC-Gleichrichterschaltungen (Gleichrichterschutzschaltung) angewendet wird.