DE2510988A1 - Schaltungsanordnung, welche ein hybrides thermisches abbild eines elektrischen betriebsmittels darstellt - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. GramfcoW

Dr. Manifz, Dipl.-!ng. Finsferwaid 2510988

Stuttgart 50 -Sse^argsir. 23/25

Sprecher & Schuh AG, Aarau (Schweiz)

Schaltungsanordnung, welche ein hybrides thermisches Abbild eines elektrischen Betriebsmittels darstellt

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, welche ein hybrides thermisches Abbild eines elektrischen Betriebsmittels mit einem durch eine kleine und eine grosse thermische Zeitkonstante charakterisierbaren Erwärmungsverhalten darstellt, wobei die kleine thermische Zeitkonstante im wesentlichen dem Erwärmungsverhalten einer Stromleiteranordnung und die grosse thermische Zeitkonstante dem Erwärmungsverhalten einer einen Wärmespeicher bildenden Masse des Betriebsmittels zugehörig ist.

Elektrische Betriebsmittel, wie Motoren, Transformatoren oder Kabel, werden vor durch Ueberhitzung bedingte Schäden durch Schutzeinrichtungen geschützt, die die Betriebsmittel bei Erwärmung auf bestimmte Grenztemperaturen automatisch abschalten. Vorteilhaft wird in solchen Schutzeinrichtungen eine ein thermisches Abbild des Schützlings darstellende Schaltungsanordnung verwendet, in welcher Temperaturen durch

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elektrische Spannungen, die Wärmekapazitäten von Teilen des Schützlings durch Kondensatoren und Warmeübergangswiderstände durch Ohmsche Widerstände erfasst sind. Besteht im allgemeinen Fall der Schützling aus mehreren denselben Strom führenden Teilen mit unterschiedlicher Abhängigkeit ihrer Temperaturerhöhung vom Strom, so wird ein sehr genauer thermisches Abbild des Schützlings mit einer Schaltungsanordnung (CH-PS 375 071) erhalten, in welcher für die einzelnen Teile RC-Glieder vorgesehen sind, die von die jeweilige Abhängigkeit der Erwärmung vom Strom nachbildenden Verstärkern gespeist werden. Durch die Spannungen an den Kondensatoren der RC-Glieder wird die Temperatur der einzelnen Teile ausreichend genau nachgebildet und zudem kann auch der Einfluss der Umgebungstemperatur berücksichtigt werden, indem durch Anlegen einer der Umgebungstemperatur proportionalen Spannung an die Kondensatoren der Nullpunkt ihrer Spannung entsprechend verschoben wird.

Für die Erwärmung der Betriebsmittel sind deren Verlustleistungen massgebend, z.B. bei Motoren und Transformatoren die Kupfer- und Eisenverluste. Für den Schutz der Betriebsmittel befriedigend genau kann deren Erwärmungsverhalten durch ein thermisches Abbild mit einer kleinen und einer grossei thermischen Zeitkonstanten nachgebildet werden. Eine ein solches thermisches Abbild darstellende Schaltungsanordnung brauchte daher an sich nur zwei RC-Glieder zu enthalten. Die grosse thermische Zeitkonstante für nur sehr langsam stattfindende Temperaturänderungen (Statoren, OeI, Gehäuse) kann jedoch leich in der Grössenordnung von Stunden liegen, so dass deren elektri sehe Nachbildung auf erhebliche Schwierigkeiten stösst. Die Verwendung von entsprechend grossen Kondensatoren, hochohmigen Widerständen und/oder sehr schwachen Ladeströmen ergibt meist keine ausreichende Genauigkeit. Zur Erzielung solcher Zeitkonstanten sind zwar verschiedene Massnahmen bekannt, wie z.B. getaktete Speisung des RC-Gliedes (s.z.B. CH-PS 540 587), deren

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Anwendung aber wegen des erforderlichen Aufwandes häufig, insbesondere bei Betriebsmitteln mit verhältnismässig grossen thermischen Zeitkonstanten, wirtschaftliche nicht vertretbar ist.

Andere bekannte thermische Abbilder mit Zeitkonstanten der vorstehend genannten Grössenordnung enthalten einen Wärmespeicher, der durch mehrere voneinander getrennte Heizwicklungen geheizt wird (z.B. CH-PS 35^ 152). Mit solchen thermischen Abbildern lässt sich das Erwärmungsverhalten des jeweiligen Schützlings jedoch mit befriedigender Genauigkeit nur schwierig nachbilden.

Häufig Wird daher auf die Verwendung von thermischen Abbildern beim Schutz der Betriebsmittel verzichtet und statt dessen die Temperatur des Schützlings selbst gemessen. Bei Motoren werden die Temperaturfühler, z.B. temperaturabhängige Widerstände, in die Wicklung eingebaut (z.B. CH-PS 338 899). Schon bei der Herstellung eines solcher Art geschützten Motors ist der Einbau der Thermofühler in die Motorenwicklung umständlich und vor allem ist ein nachträglicher Einbau der Thermofühler oder das Auswechseln eines beschädigen Thermofühlers sehr zeitraubend.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine ein hybrides thermisches Abbild eines elektrischen Betriebsmittels darstellende Schaltungsanordnung zu schaffen, die im Aufbau und ihrer Anwendung einfach und für einen sicheren Schutz des Betriebsmittels ausreichend genau ist.

Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung, welche ein hybrides thermisches Abbild eines elektrischen Betriebsmittels mit einem durch eine kleine und eine grosse thermische Zeitkonstante charakterisierbaren Erwärmungsverhalten darstellt ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbildung der kleinen thermischen Zeitkonstanten ein RC-Glied vorgesehen ist, dem Schaltungsmittel zur Speisung mit einem dem Quadrat des Be-

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triebsmittelstromes proportionalen Ladestrom vorgeschaltet sind, und an das RC-Glied eine Temperaturmesseinrichtung mit einem an oder in der einen Wärmespeicher bildenden Masse des Betriebsmittels anzuordnenden Temperaturfühler, einer Anpassung und einem Verstärker angeschlossen ist, durch dessen der Temperatur proportionale Ausgangsspannung die Ladespannung des RC-Glied-Kondensators entsprechend der grossen thermischen Zeitkonstanten beeinflusst wird. Bei der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung wird das Erwärmungsverhalten der einer direkten Temperaturmessung nur schwer zugänglichen Stromleiteranordnung zusammen mit ihrer Isolation elektrisch durch ein zufolge der kleinen Zeitkonstanten unaufwendiges, einfaches RC-Glied nachgebildet, das leicht ausreichend genau dimensioniert werden kann, und gemssen wird die Erwärmung der schweren Massen (Statoreisen, Gehäuse, OeI) des Betriebsmittels, bei denen der Thermofühler ohne Schwierigkeiten, z.B. in einer Tasche angebracht werden kann, wobei die Temperaturmessung völlig unproblematisch ist, da bei diesen Massen keinerlei Isolationsprobleme vorhanden sind. Zudem wird mit dieser Schaltungsanordnung auch eine grössere Genauigkeit erreicht, da Veränderungen des äusseren thermischen Widerstandes des Betriebsmittels sowie die Umgebungstemperatur durch die Temperaturmessung mit erfasst werden, was insbesondere bei z.B. von Ventilatoren gekühlten Betriebsmitteln wegen einer nicht voraussehbaren Behinderung der Luftzirkulation von besonderer Bedeutung ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer ein thermisches Abbild eines Betriebsmittels darstellenden Schaltungsanordnung

nach der Erfindung und
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Motorschutzschaltung, in welcher die Schaltungsanordnung der Fig. 1 verwendet ist.

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In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 eine ein

thermisches Abbild darstellende Schaltungsanordnung bezeichnet, die als selbständige Baueinheit für Betriebsmittel Schutzeinrichtungen, z.B. Motor-Schutzeinrichtungen, ausgebildet sein kann. Die Schaltungsanordnung 1 weist zwei Eingangsanschlüsse 5,5' auf. Der Widerstand R₁ bildet zusammen mit einem zwischen die beiden Eingangsanschlüsse 5, 5' geschalteten Kondensator C₁ ein RC-Glied 2, dessen Zeitkonstante der kleinen thermischen Zeitkonstanten des Betriebsmittels entspracht. Der Verbindungs·· punkt von R, und C-, ist als Steuerausgang 6 bezeichnet, von den die Spannung über den Kondensator C₁ des RC-Gliedes 2 als Steuersignal für die daran anzuschliessende Schutzeinrichtung abgenommen wird. An zwei weitere Anschlüsse 7, 7' von denen der eine Anschluss 7 der Verbindungspunkt der beiden Widerstände R_ und R- ist, ist über Leitungen 8,8' ein Temperaturfühler 3, z.B. ein temperaturabhängiger Widerstand RrJv angeschlossen, der im Betriebsmittel an irgend einer passenden Stelle ausserhalb der Betriebsmittel-Stromleiteranordnung untergebracht ist. Bei einem Motor kann für die Aufnahme des Temperaturfühlers z.B im Statoreisen eine Tasche vorgesehen sein. Innerhalb der Schal-■ tungsanordnung 1 ist an die Anschlüsse 7, 7¹ eine Anpassungsschaltung 4 angeschlossen, um für die vom Temperaturfühler 3 aufgenommene Temperatur ein elektrisches Signal zu erhalten. Mit einem temperaturabhängigen Widerstand R<$· als Temperaturfühler 3 wird, wie üblich, als Anpassungsschaltung H eine Widerstandsmessbrücke verwendet, die den temperaturabhangigen Widerstand Rnd" in einem Brückenzweig und die Widerstände R₁- R₁-, R_ß in den anderen Brückezweigen enthält. Die Brücke^ 9R₁,* Rj- j Rg wird mit einer Gleichspannung u gespeist, die z.B. aus dem Netz, wie bekannt, entnommen und stabilisiert sein kann. Die Diagonalspannung der Brücke R^, R₄, R₅₉ Rg ist an den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 9 angelegt, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand R₇ mit dem z.B. an Masse liegenden Eingangsanschluss 5¹ verbunden ist.

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Der Ausgang des DifferenzVerstärkers 9 ist an den Widerstand R₁ des RC-Gliedes 2, d.h. an den Verbindungspunkt der Widerstände R, und R angeschlossen.

Im Betrieb fliest in den Eingang 5 der Schaltungs-

anordnung 1 ein dem Quadrat des Betriebsmittelstromes I_n proportionaler Strom i. Durch den Strom wird der Kondensator C des RC-Gliedes 2 mit der kleinen Zeitkonstanten auf die Spannung u aufgeladen, durch die die Temperatur der Stromleiteranordnung und Isolation des Betriebsmittels nachgebildet ist. Die Ausgangs· spannung utfdes Differenzverstärkers 9 ist der gemessenen Temperatur des Betriebsmittels proportional. Die vom Kondensator C des RC-Gliedes 2 abgenommene Spannung u gibt sehr genau das

Erwärmungsverhalten des Betriebsmittels wieder.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Motorschutzeinrichtung, in der die Schaltungsanordnung der Fig. 1 als Steuersignalgeber verwendet ist. Der Motor M ist mit Motorzuleitung 10 an das Netz RST angeschlossen. In die Motorzuleitung 10 sind die Schaltkontakte 11' eines Schützes 11 ein-

2 geschaltet. Zur Gewinnung eines dem Quadrat des Motorstromes I proportionalen Stromes i (KupferVerluste) ist, wie bei solchen Schutzeinrichtungen üblich, in der Motorzuleitung 10 ein Stromwandler 12 vorgesehen, an den ein Gleichrichter 13, eine Einstellvorrichtung IM- und ein Vorverstärker 15 in Reihe angeschlos· sen sind. An der Einstellvorrichtung 14 kann der Nennstrom des jeweiligen Betriebsmittels eingestellt werden. Der Vorverstärker 15 gibt die dem Motorstrom I_M proportionale Messspannung U_M ab. Die Messspannung U„ wird in einer Quadriervorrichtung 16 quadriert und dann mittels eines Umsetzers 17 in den den Kupferverlusten proportionalen Strom i umgesetzt. Der Umsetzer 17 ist ausgangsseitig an die Eingangsanschlüsse 5,5' der Schaltungsanordnung 1 und damit an das RC-Glied 2 angeschlossen. Der Temperaturfühler 3 ist z.B. in oder an dem Statoreisen des Motors M

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angeordnet und, wie erwähnt, über die Leitungen 8,8' an der Anpassungsschaltung H angeschlossen, die über den Differenzverstärker 9 mit dem Widerstand R des RC-Gliedes 2 verbunden ist Die Anpassungssehaltun-^g H und auch der Differenzverstärker können, wenn vorteilhaft, am Betriebsmittel angeordnet sein. An den Verbindungspunkt von Widerstand R, und Kondensator C₁ des RC-Gliedes 2, d.h. an den Steuerausgang 6 ist ein Schwellwertdetektor 18 angeschlossen, der die der Motortemperatur proportionale Steuerspannung u vom Kondensator

C₁ aufnimmt und auf eine maximal zulässige Motortemperatur eingestellt ist. Der Schwellwertdetektor 18 steuert einen Ausgangsverstärker 19, an dessen Ausgang die Erregungswicklung eines Ausgangsrelais 11 angeschlossen ist.

Sobald die Steuerspannung u den eingestellten

Schwellwert, der maximal zulässigen Motortemperatur entspricht, erreicht, wird das Rekis 11 erregt und seine Schaltkontakte 11' schalten den Motor M ab.

Die vorstehend am Beispiel eines Motorschutzes beschriebene Schutzeinrichtung kann praktisch ohne irgendwelche Aenderungen auch zum Schutz anderer Betriebsmittel, wie Transformatoren oder Kabel, verwendet werden. Das Anschliessen der Schutzeinrichtung bereitet keinerlei Schwierigkeiten, da, abgesehen von der Herstellung von elektrischen Anschlüssen (Schaltkontakte, Stromwandler) nur noch der Temperaturfühler an einer passenden Stelle des Schützlings befestigt werden muss. Die Bauteile zur Gewinnung des Kupferverluste darstellenden Stromes i und die zur Auswertung der Steuerspannung u werden bereits in

Schutzeinrichtungen verwendet, so dass sie einzeln oder in Kombination erhältlich sind. Die Temperaturmesseinrichtung der Schaltungsanordnung (Fig. 1) kann ohne Schwierigkeiten dem jeweiligen Zweck optimal angepasst werden, Massnahmen hierzu sind dem Fachmann geläufig.

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Claims (4)

Patentansprüche

1.)Schaltungsanordnung, welche ein hybrides thermi sches Abbild eines elektrischen Betriebsmittels mit einem durch eine kleine und eine_# grosse thermische Zeitkonstante charakterisierbaren Erwärmungsverhalten darstellt, wobei die kleine thermische Zeitkonstante im wesentlichen dem Erwärmungsverhalten ei« ner Stromleiteranordnung und die grosse thermische Zeitkonstante dem Erwärmungsverhalten einer einen Wärmespeicher bildenden Mass des Betriebsmittels zugehörig ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbildung der kleinen thermischen Zeitkonstanten ein RC-Glied (2) vorgesehen ist, dem Schaltungsmittel (12...17) zur Speisung mit einem dem Quardrat des Betriebsmittelstromes proportionalen Ladestrom (i) vorgeschaltet sind, und an das RC-Glie (2) eine Temperaturmesseinrichtung (3,4,9) mit einem an oder in der einen Wärmespeicher bildenden Masse des Betriebsmittels anzuordnenden Temperaturfühler (3), einer Anpassung (Ό und einem Verstärker (9) angeschlossen ist, durch dessen der Temperatur proportionale Aus gangs spannung (u^ ) die Ladespannung des RC-Glied-Kondensators (C,) entsprechend der grossen thermischen Zeitkonstanten beeinflusst wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (3) ein temperaturabhängiger Widerstand (R) und die Anspassung (4) eine Widerstandsbrücke (RtS* , R₁,» R₅» Rg) ist, deren Diagonalspannung als Eingangsspannung an einen Differenzverstärker (9) angelegt ist.

3. Schaltungsanordnung anch AnspruclyL,oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom (i) durch den Widerstand (R₁) des RC-Gliedes (2) geleitet und die der Temperatur proportionale Ausgangsspannung (u<$» ) des Verstärkers

(9) an den Widerstand (R₁) und den Kondensator (C₁) des RC-Gliedes (2) angelegt ist.

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4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R ) des RC-Gliedes (2) in Reihe mit einem Spannungsteiler (R„, R) geschaltet und die Wxderstandmessbrücke (Rt^ > R₁.» R_c» R_c) an

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den Spannungsteiler mit einem Diagonalpunkt angeschlossen ist.

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