DE2539727A1

DE2539727A1 - Statisches ueberstromrelais

Info

Publication number: DE2539727A1
Application number: DE19752539727
Authority: DE
Inventors: Daniel James Graham
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-09-10
Filing date: 1975-09-06
Publication date: 1976-03-18
Also published as: SE7510031L; SE406395B; CA1059609A; BR7505841A; ES440778A1; FR2286529A1; US3968410A

Description

2533727

5. September 1975 Schu/Vo.

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt

6 Frankfurt/Main 1 Niddaetr. 52

3687-11PS-o4o88

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U-S.A.

Statisches Überstromrelais

Die Erfindung bezieht sich auf den Schutz elektrischer Kreise und Geräte bezüglich gefährlicher Überströme und im einzelnen auf ein solches Relais, das diesen Schutz unter Verwendung von Festkörperkomponenten bietet.

Allgemein sprechen Uberstromschutzrelais mit inversem Zeitverhalten auf die Höhe einer Kreisgröße und beispielsweise dann an, wenn ein Wechselstrom oder seine negative Phasenfolgekomponente (negative phase sequence component) übermäßig ansteigt. Es ist erwünscht, daß das Relais mit einer solchen Betriebscharakteristik ausgebildet ist, daß zumindest für einen bestimmten Bereich von Überströmen die für das Betreiben bzw. Ansprechen des Relais erforderliche Zeit invers bzw. umgekehrt proportional zum Wert der überwachten und in bestimmten Maße angestiegenen Kreisgröße ist. Diese Beziehung kann durch den Ausdruck I t=k ausgedrückt werden, wobei I die überwachte Kreisgröße, η eine geeignete und durch die mögliche Relaisanwendung bestimmte Potenz, t die Ansprechzeit.des Relais und k eine Konstante sind. Es gibt viele bekannte Systeme zum Erzielen dieses Ergebnisses. Während lange Zeit elektromechanische Relais zufriedenstellend angewendet wurden, setzen sich zunehmend verbesserte Fest-

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• - 2 -

körperglieder durch. Ein Festkörper- oder statisches Zeit-Überstromrelais enthält in typischer Weise einen Signalerfassungsmechanismus, durch den eine Gleichstrom-Eingangsspannung abgeleitet wird, die proportional zu der zu überwachenden Kreisgröße ist. Ferner enthält ein solches Relais einen nicht .'•linearen Funktionsgenerator, der eine Ausgangsspannung erzeugt, welche über eine nicht lineare Funktion, die die bestimmte Betriebseigenschaft des Relais bestimmt, mit dieser Eingangsspannung in Beziehung steht. Wenn die überwachte Kreisgröße über einen vorbestimmten Aufnahme- bzw. Auslösepegel ansteigt, wird die Ausgangsspannung des Funktionsgenerators integriert. Nach einer Verzögerung, die durch die Zeit bestimmt wird, welche erforderlich ist, damit die integrierte Spannung einen voreingestellten Referenzpegel· erreicht, werden ein Triggerkreis erregt und der erforderliche Schutzvorgang bewirkt (beispielsweise werden ein Kreisunterbrecher oder Leistungsschalter geöffnet oder ein Alarmglied erregt).

Die Betriebseigenschaften von Überstromrelais werden in herkömmlicher Weise durch eine Linie oder Kurve in einer doppelt logarithmischen Kurvendarstellung aufgetragen, wobei die für das Betreiben bzw. Auslösen des Relais erforderliche Zeit in Abhängigkeit von der Größe des Überstroms dargestellt wird. Die erwünschte Form der charakteristischen Kurve hängt von der bestimmten Anwendung des Relais ab, und es ergibt sich eine besondere Form durch eine geeignete Ausbildung des Funktionsgenerators des Relais. Im allgemeinen werden die zum Schutz von Kreisen dienenden Überstromrelais nach der Neigung dieser Kurve als 'invers', 'sehr invers¹ oder 'extrem invers¹ klassifiziert. Siehe hierzu die IEEE Norm für elektrischen Leistungsgeräten zugeordnete Relais und Relaissysteme, STD 313-1971 (auch ANSI Norm C37.9o-l97l). Ein Überstrom mit extrem inversem bzw. umgekehrtem Zeitverhalten ist ein solcher mit einer Neigung

bzw. Steilheit von zwei (d.h. I t=k) über den größten Teil des Arbeitsbereiches, wobei jedoch bei hohen Stromwerten eine abfallende Neigung (n<2) vorliegt.

Eine bestimmte Anwendung für statische Zeit-Überstromrelais, die insbesondere in Betracht zu ziehen ist, stellt der Schutz von

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dreiphasigen Wechselstromleistungsgeneratoren gegenüber einer Zerstörung aufgrund unsymmetrischer Phasenströme dar. In diesem Fall erzeugt die negative Phasenfolgekomponente (I₂) des Stroms im Stator der Maschine ein Gegendrehfeld, das zu einem Fließen von Strömen doppelter Frequenz im Rotoreisen und in den Nutenkeilen führt, wodurch der Rotor überhitzt wird. Die Fähigkeit von Maschinen, einer durch unsymmetrische Statorströme, die vorbestimmte zulässige Werte überschreiten, veranlaßten Überhitzung zu widerstehen, wurde

2 durch die folgende Beziehung ausgedrückt: I₂ t=K, wobei t die Dauer des unsymmetrischen Zustandes und K eine Konstante sind. Der Wert von K und der Bereich von t können in Abhängigkeit von der Art, den Betriebsdaten und der Ausbildung des Generators in weitem Rahmen schwanken. Ein Überstromrelais, das auf die negative Phasenfolge-

komponente des Leitungsstroms anspricht und eine I₂ t=k Betriebseigenschaft über einen großen Bereich von Stromwerten (beispielsweise 35:1) hat, würde in idealer Weise die erforderliche Schutzwirkung bei dieser Anwendung ausüben.

Wie es bereits oben erwähnt wurde, wird die Form der charakteristischen Relaiskurve durch die Ausbildung des Funktionsgenerators des Relais bestimmt, und es wurden bisher sehr viele verschiedene Funktionsgeneratoren vorgeschlagen. Im Tagungsbericht CP62-lo91 des American Institute of Electrical Engineers aus dem Jahre 1962 beschreibt E.W. Kimbark ein statisches überstromrelais mit inversem Zeitverhalten und einem Funktionsgenerator bzw. einem Spannungsveränderungskreis, der aus einem Netzwerk von Dioden sowie Widerständen besteht und die einem integrierenden RC-Kreis zugeführte Gleichspannung als Funktion der Größe des Überstroms in der geschützten Leitung ändert. Dieses System hat den Nachteil, daß es relativ große Eingangssignale erfordert und daß auf die Instrumentenstromübertrager eine relativ große Belastung ausgeübt wird. Ferner neigen die Durchbruch- bzw. Umschaltpunkte eines solchen Netzwerks zu einer Lastabhängigkeit, und wenn eine Quadratfunktion über einen sehr großen Bereich von Überstromwerten erwünscht ist, wird die Anzahl dieser Punkte unzweckmäßig groß.

In der deutschen Patentanmeldung P.... (Anmelderin: General Electric Company, ihr Zeichen 3684-48PS-OO516) ist ein verbessertes

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statisches Relais mit einem Funktionsgenerator offenbart, wobei ein umgekehrt vorgespannter Operationsverstärker eine derart angeordnete Rückkopplungsschleife aufweist, daß die Verstärkung des Funktionsgenerators bei vorgewählten Größen des zunehmenden Überstroms um zumindest einen bestimmten Schritt abfällt, damit die Relaischarakteristik derjenigen eines 'inversen' oder eines 'sehr inversen¹ Zeit-Überstromrelais angepaßt wird. Dieses System vermeidet die oben erwähnten Probleme.

Eine andere bei statischen Überstromrelais vorgeschlagene Lösung besteht darin, vor einem Integrator Logarithmus- und Numerus-Funktionsgeneratoren zu verwenden. Siehe das US-Patent 3 531 689. Wäh-

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rend diese Lösung eine ideale I t=k Charakteristik erzeugen kann, ist sie vergleichsweise aufwendig, da sie von der Verwendung von Operationsverstärkern mit transistorisierten Rückkopplungsschleifen ausgeht und diese Rückkopplungstransistoren eine relativ teuere Temperaturkompensation erfordern. Ferner führt diese Lösung nicht zu einer Anpassung bezüglich der Betriebseigenschaft von extrem inversen Relais bei hohen Stromwerten, da die Neigung in diesem Bereich gemäß der obigen Erläuterung abnehmen muß.

Es ergeben sich spezielle Probleme beim Ausbilden eines Funktionsgenerators, dessen Ausgangssignal sich bei steigendem Eingangssignal bis zur zweiten Potenz oder mehr verändert, wenn erwartet wird, daß sich das Eingangssignal über einen extrem großen Bereich wie im Fall des zuvor erwähnten negativen Phasenfolgeüberstromrelais ändert. Das Rausch-Signal-Verhältnis solcher Generatoren kann übermäßig groß werden, wenn über einen solchen Bereich von Eingangswerten eine Quadratfunktion zu erhalten ist und da eine relativ kleine Steigerung in der Eingangssignalgröße (beispielsweise 2o:l) eine wesentlich größere Steigung in der Ausgangssignalgröße (beispielsweise 4oo:l) begründet, so daß die maximalen Signalgrenzen der Festkörperkoraponenten der Vorrichtung überschritten werden können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines verbesserten statischen Überstromrelais mit einem neuen Funktionsgenerator, das gut zum Erzielen einer Vielzahl von Be-

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triebseigenschaften geeignet ist und das sich durch relativ niedrige Kosten, durch eine kleine Belastung und durch stabile Betriebseigenschaften über einen großen Temperaturbereich auszeichnet. Das Relais soll eine extrem inverse Betriebseigenschaft bzw. ein Betriebsverhalten mit extrem inversem Zeitverhalten haben. Außerdem soll es über einen sehr großen Bereich von Eingangsströmen und Betriebszeiten arbeiten können. Und schließlich soll es auf negative Phasenfolgeströme (negative phase sequence currents) ansprechen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein geeigneter Signalerfassungsmechanismus, beispielsweise ein zum Überwachen eines Wechselstroms in einem geschützten Kreis benutzter Stromwandler, und Doppelweggleichrichtungsmittel zum Bilden eines unipolaren und zur überwachten Kreisgröße proportionalen Spannungseingangssignals vorgesehen. Dieses Signal wird einem nichtlinearen Funktionsgenerator mit einem umgekehrt bzw. in Sperrichtung vorgespannten Operationsverstärker zugeführt, der in Abhängigkeit von der zu erzeugenden Funktion ein oder mehrere Operationsverstärker in seiner Rückkopplungsschleife aufweist. Wenn die Höhe der überwachten Kreisgröße über einen vorbestimmten Aufnahme- bzw. Meßwertgeber- oder Auslösepunkt ansteigt, wird das Ausgangssignal des Funktionsgenerator durch einen Operationsverstärker mit einer kapazitiven Rückkopp^· lung integriert. Das integrierte Ausgangssignal wird durch einen als Pegeldetektor benutzten Operationsverstärker mit einem geeigneten Referenzpegel verglichen. Beim Überschreiten des Referenzpegels wird ein Auslösesignal erzeugt. Wenn bei einer Ausführungsform die überwachte Kreisgröße einen vorgewählten Pegel übersteigt, erfolgt ein automatisches Wirksamwerden von Bereichs- bzw. Maßstabsänderungsmitteln zum Vermindern der Größe des Eingangssignals, während eine entsprechende Änderung der Zeitkonstante des Integrators erfolgt.

Die bei dem vorliegenden Schutzrelais verwendeten Operationsverstärker sind relativ preiswert sowie höchst zuverlässig und arbeiten bei niedrigen Signalpegeln. Da die Operationsverstärker eine

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sehr niedrige Ausgangsimpedanz haben, sind die Durchbruch- bzw. Umschaltpunkte des Funktionsgenerators des Relais unabhängig von der Belastung, so daß die Zeitkonstante des Integrators nicht spürbar beeinflußt und die Ausbildung stark vereinfacht werden. Außerdem arbeitet das Relais bei einer Ausrüstung mit dem neuen Bereichsänderungsmerkmal über einen extrem großen Zeit- und Strombereich verläßlich und genau.

Die Erfindung und ihre zahlreichen Ziele sowie Vorteile werden nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - eine graphische Darstellung,wobei dießetriebs- bzw. Ansprechzeit in Abhängigkeit vom Mehrfachen des Überstroms aufgetragen ist, um die Betriebseigenschaft eines Überstromrelais mit 'extrem inversem¹ Zeitverhalten nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufzuzeigen,

Figur 2 - in einer schtmatischen Kreisdarstellung das erfindungsgemäße Relais mit extrem inversem Zeitverhalten,

Figur 3 - eine graphische Darstellung, bei der die Betriebs- bzw. Ansprechzeit in Abhängigkeit vom Mehrfachen des Überstroms dargestellt ist, um die Betriebseigenschaften eines nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung aufgebauten Relais für einen negativen Phasenfolgeüberstrom aufzuzeigen und

Figur 4 - in einer schematischen Kreisdarstellung das erfindungsgemäße Negativphasenfolge-überstromrelais.

In den Figuren zeigt die Kurvenschar A aus Figur 1 die Betriebseigenschaften eines extrem invers arbeitenden Überstromrelais nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kurven sind in doppeltem logarithmischem Maßstab aufgetragen, wobei die Ordinate den Logarithmus der Betriebs- bzw. Ansprechzeit des Relais und die Abszisse den Logarithmus vom Vielfachen des Meßwertstroms angeben, d.h. vom Vielfachen des minimalen Stromes, der das Relais zum Ansprechen veranlaßt. Die Kurven IA-loA der in Figur 1 dargestellten Kurvenschar entsprechen verschiedenen 'Zeitwähler'-Einstellungen, wie es nachfolgend näher erläutert wird.

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Figur 2 zeigt einen Schutzrelaiskreis nach der vorliegenden Erfindung mit den in zeitlicher Hinsicht extrem inversen Überstromeigenschaften gemäß Figur 1. Das Relais enthält einen Signalfühler 12, der in geeigneter Weise an einen Wechselstromkreis oder eine entsprechende Leitung Io angekoppelt ist, um auf eine vorbestimmte elektrische Größe der geschützten bzw. überwachten Leitung Io anzusprechen, nämlich den Strom. Ein hierfür gut geeigneter Stromfühler ist in der oben genannten Patentanmeldung von Little beschrieben, obwohl auch andere Fühler und Kreisgrößen verwendet werden können, wenn es erwünscht ist.

Das Wechselstromausgangssignal des Signalfühlers 12 wird durch einen Doppelweggleichrichter 14 gleichgerichtet und durch Widerstände 16 sowie 18 geführt, um ein unipolares Spannungseingangssignal variabler Amplitude abzuleiten, das repräsentativ für den Strom in der überwachten Leitung Io ist. Das Eingangssignal wird einer Eingangsklemme 2o eines Funktionsgenerators 22 zugeführt, wobei die Polarität dieser Klemme positiv in bezug auf eine gemeinsame Potentialleitung (als Masse dargestellt) ist. Der Widerstand 18 ist einstellbar und so eingestellt, daß das Eingangssignal eine vorbestimmte kleine Amplitude (beispielsweise 2oo Millivolt) hat, wenn der Strom in der überwachten bzw. geschützten oder gesicherten Leitung normal ist. über die Gleichstromklemmen des Gleichrichters 14 ist kein Glättungskondensator geschaltet, wodurch das der Eingangsklemme 2o zugeführte Eingangssignal eine Folge von unipolaren Spannungshalbwellen ist, deren momentane Größe proportional zur momentanen Größe des Lei^-tungsstroms ist.

Der Funktionsgenerator 22 enthält einen ersten Operationsverstärker 24, dessen nicht invertierender Eingang über einen Widerstand 25 an die gemeinsame Potentialleitung bzw. an Masse angeschlossen ist. Der invertierende Eingang ist über einen Widerstand 26 mit der Eingangsklemme 2o des Funktionsgenerators 22 und über ein Netzwerk von Widerständen 28, 2 9 und 3o mit einer geeigneten negativen Spannungsquelle 27 verbunden. Diese wird dazu benutzt, den Verstärker 24 umgekehrt vorzuspannen, und der Zweck dieses Vorspannungssignals ist in der oben erwähnten Patentanmeldung von Little aus-

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führlicher erörtert. Der Ausgang des Operationsverstärkers 24 ist über eine Diode 32 mit einer Ausgangsklemme 31 des Funktionsgenerators 22 verbunden. Ferner ist der Ausgang des Verstärkers 24 über eine andere Diode 33 mit seinem invertierenden Eingang gekoppelt. Zwischen der Ausgangsklemme 31 und dem invertierenden Eingang hat der Operationsverstärker 2 4 einen Rückkopplungspfad, in dem sich ein Widerstand 21 befindet.

Nach der vorliegenden Erfindung enthält die Rückkopplungs- bzw. Gegenkopplungsschleife des Operationsverstärkers 24 einen zusätzlichen Zweig parallel zum Widerstand 21. In diesem Zweig befindet sich ein zweiter Operationsverstärker 34, der über einen Widerstand 35a mit seinem invertierenden Eingang an die Ausgangsklemme 31 des Funktionsgenerators und über einen Widerstand 35 sowie eine Diode 43 mit seinem Ausgang an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 angeschlossen ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 34 ist über einen Widerstand 36 mit Masse verbunden, und eine geeignete positive Spannungsquelle 37 ist über Widerstände 38, 39 sowie 4o mit dem invertierenden Eingang dieses Verstärkers gekoppelt. Der Operationsverstärker 34 hat einen Rückkopplungspfad mit zwei parallelen Zweigen, von denen der eine eine Diode 41 und der andere einen Widerstand 42 enthält. +) nicht

Der Verstärkungsgrad des Funktionsgenerators 22 verändert sich in Abhängigkeit von der Größe des der Klemme 2o zugeführten Eingangssignals. Solange die Größe des Eingangssignals kleiner als diejenige des entgegengesetzt gepolten, relativ kleinen Vorspannungssignals ist, das dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 über die Komponenten 27-3o zugeführt wird, entsteht aufgrund der Polarität der Dioden 32 und 33 keine Spannung an der Ausgangsklemme 31, und die Funktionsgeneratorverstärkung ist tatsächlich Null. Wenn jedoch die Größe des Eingangssignals diejenige des Vorspannungssignals übersteigt, ist das sich am invertierenden Eingang des Verstärkers 24 ergebende Signal positiv, und die Diode 32 leitet, während die Diode 33 sperrt. An der Klemme 31 wird ein relativ negatives Ausgangssignal erzeugt, und der Funktionsgenerator 22 arbeitet bei einem ersten weitgehend konstanten Verstärkungs-

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faktor, der dem Widerstandsverhältnis des Widerstands 21 zum Eingangswiderstand 26 entspricht (beispielsweise einem Verhältnis von 2o K Ohm zu 16,9 K Ohm). Dieser Verstärkungsgrad liegt solange vor, wie sich die Größe des Eingangssignals in einem ersten vorbestimmten Bereich befindet. Die Minimumgrenze dieses ersten Bereiches wird durch die Vorspannung infolge der Quelle 2 7 bestimmt, während die Maximumgrenze durch die Vorspannung aufgrund der Quelle 37 festgelegt wird. Das Eingangssignal gelangt in einen zweiten vorbestimmten Bereich, dessen Minimumgrenze der Maximumgrenze des ersten vorbestimmten Bereiches entspricht, wenn die an der Klemme 31 entwickelte negative Ausgangsspannung den Strom durch den Eingangswiderstand 35a des Rückkopplungsoperationsverstärkers 34 dazu veranlaßt, den entgegengesetzt gepolten Strom im Widerstand 39 zu übersteigen, und zwar infolge der Vorspannungsquelle 37. Dies tritt beispielsweise auf, wenn das Eingangssignal eine Größe von o,4 Volt erreicht. Bei diesem Umschaltpunkt schaltet der Verstärkungsgrad des Funktionsgenerators 22 auf einen zweiten weitgehend konstanten Wert (beispielsweise 3,25) um, der größer als derjenige des ersten Verstärkungsfaktors ist. Diese zweite Verstärkung bleibt für Eingangssignalgrößen innerhalb des zweiten Bereiches wirksam, dessen Maximumgrenze durch die Sättigung des Operationsverstärkers 24 bestimmt wird.

Das an der Ausgangsklemme 31 entwickelte Ausgangssignal des Funktionsgenerators 22 wird einem Integrator 46 zugeführt, der vorzugsweise einen Zeitwähler 47 und einen integrierenden Operationsverstärker 48 enthält. Der Zeitwähler besteht aus einer Reihe von Widerständen Rl-RIo, die über einen Drehschalter 49 zugänglich sind. Die Position des Schalters bestimmt die Anzahl der zwischen der Ausgangsklemme 31 und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 48 in Reihe geschalteten Widerstände, wodurch die Zeitkonstante des Integrators 46 bestimmt wird. Je größer der Reihenwiderstand des Zeitwählers ist, desto langsamer sind die Geschwindigkeit der Integration und des Betriebes des Relais. Besondere 'Zeitwähler'-Einstellungen, wie sie durch den Drehschalter 49 bestimmt werden, entsprechen besonderen Kurven in der Schar von gemäß Figur 1 dargestellten charakteristischen Kurven A. Der dargestellte Integrator 46 enthält einen Operationsverstärker 48 mit

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kapazitiver Rückkopplung (über einen parallel zu einer Diode 51 liegenden Integrationskondensator 5o), doch könnten auch ein RC-Kreis oder andere Integrationsmittel· in bekannter Weise ersetzt werden. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 48 ist über einen Widerstand 52 an die gemeinsame Potentialleitung bzw. Masse angeschaltet.

Ein Meßwertgeber-Pegeldetektor und Rückstellkreis 54 hält den Integrator 46 im Außerbetriebszustand, bis der Mittelwert des gleichgerichteten Eingangssignals über einem vorbestimmten Wert liegt, der anzeigt, daß ein übermäßiger Strom in der geschützten Leitung Io fließt. Der Detektor 54 ist vorzugsweise ein Operationsverstärker 55, dessen nicht invertierender Eingang an einem vorgewählten Referenzsignal liegt, welches von einer positiven Spannungsquelle 56 über Widerstände 57, 58, 59 abgeleitet wird, und dessen Rückkopplungsschleife einen Kondensator 6o enthält. Der invertierende Eingang ist mit dem Gleichrichter 14 über einen Eingangswiderstand verbunden, während der Ausgang über eine Diode 62 zum Integrator 46 führt. Der Operationsverstärker 55 mittelt die Größendifferenz zwischen dem Eingangssignal und dem Referenzsignal. Der Referenzpegel wird so gewählt, daß die mittlere Größe des Eingangssignals diesem Pegel entspricht oder ihn übersteigt, wenn immer der Strom in der geschützten Leitung Io um zumindest einen bestimmten Prozentsatz gegenüber dem Normalfall ansteigt. Normalerweise ist der Ausgang des Operationsverstärkers 55 positiv, und die Dioden 62 sowie 51 leiten. Wenn jedoch das bestimmte Meßwertgebersignal erreicht ist, wird dieser Ausgang negativ, und die Dioden 51 sowie sperren, so daß der Ladevorgang des Kondensators 5o beginnt.

Das vom Integrator 46 gebildete integrierte Signal wird über einen geeigneten Pegeldetektor 6 4 geführt, der vorzugsweise in bekannter Weise einen Operationsverstärker mit einer geeigneten Rückkopplung enthält. Stattdessen können jedoch auch andere geeignete Glieder benutzt werden. Wenn ein vorgewählter Pegel erreicht ist, entsteht am Pegeldetektor 6 4 ein Ausgangssignal, und es wird ein Auslösesignal zu einem Triggerkreis 66 geleitet. Daraufhin erzeugt der Triggerkreis an seiner Ausgangsleitung 68 ein Ausgangssignal, das

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dazu benutzt werden kann, einen Kreisunterbrecher in der Leitung zu öffnen oder einen Alarmgeber oder dergleichen zu erregen.

Bei dem soeben beschriebenen Relais ist das Integrationsmaß des Integrators 46 proportional zur mittleren Größe des Ausgangssignals des Funktionsgenerators 22. Da die Zeit, die erforderlich ist, damit das integrierte Signal den Referenzpegel des Pegeldetektors 64 erreicht, proportional zum Integrationsmaß ist, hängt die für das Auslösen des Relais erforderliche Zeit von der Verstärkung seines Funktionsgenerators ab. Je kleiner die Verstärkung des Funktionsgenerators ist, desto größer ist die für das Auslösen des Relais in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Überstromgröße erforderliche Zeit.

Um die Wirkung der mehrfachen Verstärkungsgrade des Funktionsgenerators 22 zu zeigen, ist in Figur 1 eine gestrichelte Linie IB dargestellt, die die Betriebseigenschaft aufzeigt, welche erhalten würde, wenn ein Überstromrelais mit inversem Zeitverhalten nicht mit irgendwelchen nichtlinearen Funktionserzeugungsmitteln ausgerüstet wäre und im übrigen der Schaltung aus Figur 2 entspräche (wobei die Zeitwählereinstellung der Kurve IA vorliegt). Ein Vergleich der Kurven IA und IB zeigt, daß der Betrieb des Relais durch den Funktionsgenerator bei kleinen Überströmen (beispielsweise bei kleineren Werten als dem Zweifachen des Geberwertes) verlangsamt und bei höheren überströmen (beispielsweise zwischen dem Zweifachen und Achtfachen des Geberwertes) im Vergleich zu dem hypothetischen Relaisverhalten beschleunigt wird. Die anfängliche Verlangsamung bei relativ kleinen Eingangssignalpegeln wird durch die Eingangsvorspannung mittels der Quelle 27 erreicht, die eine entgegengesetzte Polarität zum Eingangssignal hat. Da diese Vorspannung in bezug auf ein kleines Eingangssignal einen bedeutend größeren Prozentsatz als bei einem größeren Eingangssignal ausmacht, vermindert diese Vorspannung bei einem Eingangssignal vorgegebener kleiner Größe wesentlich den Mittelwert des Ausgangssignals des Funktionsgenerators 22, wodurch die Integrationsgeschwindigkeit des Integrators 46 verlangsamt wird, während bei größeren Eingangssignalen nur eine sehr kleine Auswirkung vorliegt. Die relative Beschleuni-

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gung des Relaisbetriebes bei höheren Eingangssignalpegeln (beispielsweise bei Überströmen zwischen dem Zwei- und Zehnfachen des Geberwertes) ist das Ergebnis der Verstärkungsänderung des Funktionsgenerators von seinem ersten konstanten Wert, wenn sich die Eingangssignalgröße im zuvor genannten ersten Bereich befindet, zu einem zweiten höheren Wert, nachdem das Eingangssignal die Minimumgrenze des zweiten Bereiches erreicht hat. Und schließlich erreicht der Operationsverstärker 2 4 des Funktionsgenerators bei extrem großen Überströmen (beispielsweise größer als dem Zehnfachen des Geberwertes bzw. Ansprechwertes) die Sättigung, und demzufolge nähert sich die Betriebseigenschaft des Relais in diesem Bereich der erwünschten Kurve mit der oben erwähnten 'extrem inversen¹ Eigenschaft.

Das soeben beschriebene Relais, bei dem durch Vergrößern des Verstärkungsgrades des Funktionsgenerators beim Ansteigen der Größe des Eingangssignals eine extrem inverse Betriebseigenschaft erreicht wird, kann dem in der zuvor erwähnten Patentanmeldung von Little offenbarten Relais gegenübergestellt werden, bei dem die Funktionsgeneratorverstärkung bei verschiedenen Eingangssignalpunkten progressiv zunehmender Größe abnimmt.

Figur 3 zeigt eine Kurvenschar C, die die Betriebseigenschaften eines anderen Relais nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt. Diese Vorrichtung wird dazu benutzt, Generatoren gegenüber einer Überhitzung zu schützen, die durch negative Phasenfolgeströme (negative phase sequence currents) oder Gegenströme infolge von unsymmetrischen Fehlern oder Belastungen erzeugt werden. Diese Kurven sind ebenfalls in zweifachem logarithmischem Maßstab aufgetragen, wobei die Ordinate wiederum in logarithmischem Maßstab die Betriebszeit des Relais wiedergibt. Die Abszisse beinhaltet in logarithmischem Maßstab ein Verhältnis zwischen dem erwähnten negativen Phasenfolgestrom und dem positiven FοIgestatorstrom (positive sequence stator current) des Generators

2 bei Vollast. Die besonderen Kurven der Kurvenschar C zeigen I t Betriebseigenschaften für verschiedene K-Faktoren, wobei K durch die bestimmte zu schützende Maschine bestimmt wird.

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Die Kurven aus Figur 3 sind typisch für die Betriebseigenschaften des in Figur 4 dargestellten Relaiskreises, bei dem eine einzelne Leitung Ho einen dreiphasigen Leistungskreis repräsentiert, der von dem geschützten Generator 111 ausgeht. An die Leitung Ho ist ein Signalfühler 112 angekoppelt, der ein eine symmetrische Komponente absonderndes Netzwerk enthält, welches eine zum negativen Phasenfolgestrom in den Statorwicklungen des geschützten Generators proportionale Spannung erzeugen kann. Solche Netzwerke sind bekannt (siehe beispielsweise die US-Patente 2 897 4o7 und 3 154 737). Das Wechselspannungsausgangssignal des Signalfühlers 112 gelangt zunächst durch ein nicht dargestelltes Bandfilter zum Ausfiltern unerwünschter Harmonischer und wird durch geeignete Gleichrichtungsmittel 114 gleichgerichtet, um ein unipolares Spannungseingangssignal zu bilden, dessen variable Amplitude proportional zum negativen Phasenfolgestrom ist. Dieses Eingangssignal, das in bezug auf Masse eine negative Polarität hat, wird durch einen Verstärkerkreis 116 verstärkt und invertiert, um ein modifiziertes Eingangssignal für einen Funktionsgenerator 12o zu bilden. Der Verstärkerkreis 116 ist vorzugsweise ein Operationsverstärker 121, dessen invertierender Eingang über einen Eingangswiderstand 122 mit dem Gleichrichter 114 und dessen nicht invertierender Eingang über einen Widerstand 123 mit Masse verbunden sind.Der Verstärker hat ferner einen Rückkopplungspfad, bei dem Widerstände 124 und 125 in Reihe geschaltet sind. Der Widerstand 124 ist durch einen normalerweise offenen Kontakt 126 überbrückbar, dessen Betrieb noch näher erläutert wird. Das modifizierte Spannungseingangssignal, das an der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 121 entwickelt wird, steht über die Verstärkung des Verstärkerkreises 116 mit dem Eingangssignal in Beziehung. Vorzugsweise sind die Widerstandswerte der Rückkopplungswiderstände 124 sowie 125 und des Eingangswiderstandes 122 so gewählt, daß der Verstärkerkreis 116 eine Verstärkung eines ersten vorbestimmten Wertes (beispielsweise 5) hat, wenn der Kontakt 126 geöffnet ist, und einen zweiten vorbestimmten Verstärkungswert (beispielsweise 1) annimmt, wenn der Kontakt geschlossen und der Widerstand 124 überbrückt werden. Daher wird das Eingangssignal durch den Verstärkerkreis 116 um einen Wert modifiziert, der durch die Position des Kontaktes 126 bestimmt wird.

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Dieses modifizierte Eingangssignal wird der Eingangsklemme des Funktionsgenerators 12o zugeführt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung enthält der Funktionsgenerator 12o einen Operationsverstärker 127 mit zwei zusätzlichen Verstärkern 127' und 127'' in seinem Rückkopplungspfad. Alle drei Verstärker sind über Widerstände 128, 128' und 128"' mit ihren nicht invertierenden Eingängen mit Masse verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 127 ist mit der Eingangsklemme 118 des Funktionsgenerators 12o über einen Eingangswiderstand 128a verbunden, dem eine Reihenschaltung aus einem anderen Eingangswiderstand 128b und einer Diode 13o parallelgeschaltet ist. Ferner führt der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 127 über einen Widerstand 132 zu einer negativen Spannungsquelle 129. Ein anderer Widerstand 131 ist zwischen die Spannungsquelle 129 und die Verbindung des Widerstandes 128b sowie der Diode 13o geschaltet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 127 führt über eine Diode 135 zur Ausgangsklemme 138 des Funktionsgenerators I2o und über einen eine Diode 136 enthaltenden Rückkopplungspfad zu seinem invertierenden Eingang. Zwischen der Ausgangsklemme 138 und seinem invertierenden Eingang hat der Operationsverstärker 127 eine andere Rückkopplungsschleife, die aus drei parallelen Hauptzweigen besteht. Der erste dieser Zweige enthält einen Widerstand 137, während die zweiten und dritten Zweige entsprechend die Operationsverstärker 127' und 127'' aufweisen, die in Reihe zu ihren entsprechenden Eingangswiderständen 133' sowie 133'' und Ausgangswiderständen 138¹ sowie 138'' liegen. Die invertierenden Eingänge der Verstärker 127' sowie 127'' werden über Widerstände 142' sowie 142 ' ' von positiven Spannungsquellen 143' sowie 143'' vorgespannt.

In ähnlicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform ändert sich der Verstärkungsgrad des Funktionsgenerators 12o mit der Größe des der Eingangsklemme 118 zugeführten modifizierten Eingangssignals. Solange die Größe des modifizierten Eingangssignals (das nach dem Austreten aus dem Verstärker 116 positiv ist) kleiner als die Größe des entgegengesetzt gepolten, relativ kleinen und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 127 zugeführten Vorspannungssignals von der Quelle 129 ist, entsteht aufgrund der Po-

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larität der Dioden 135 und 136 keine Spannung an der Ausgangsklemme 138, und die Verstärkung des Funktionsgenerators nimmt den Wert Null an. Wenn jedoch die Größe des modifizierten Eingangssignals dieses Vorspannungssignal übersteigt, ist das resultierende Signal am invertierenden Eingang des Verstärkers 127 positiv, und die Diode 135 leitet, während die Diode 136 sperrt. An der Klemme wird ein relativ negatives Ausgangssignal erzeugt, und der Funktionsgenerator 12o nimmt eine erste weitgehend konstante Verstärkung an, die dem Verhältnis der Widerstandswerte zwischen dem Widerstand 137 und dem Widerstand 128a entspricht (beispielsweise ein Verhältnis von etwa 15 K Ohm zu etwa 46,5 K Ohm). Der Widerstand 128b hat anfänglich keinen Einfluß auf die Verstärkung, da die Diode 13o nicht leitet, weil das Potential ihrer Anode in bezug auf ihre Kathode, die auf einer virtuellen bzw. scheinbaren Masse gehalten wird, negativ ist. Diese erste Verstärkung wirkt solange, wie die Größe des modifizierten Eingangssignals in einem ersten vorbestimmten Bereich liegt. Die Minimumgrenze dieses ersten Bereiches wird von der Vorspannung durch die Quelle 129 bestimmt, während die Maximumgrenze von der Vorspannung durch die Quelle 143' festgelegt wird.

Das modifizierte Eingangssignal gelangt zu einem zweiten vorbestimmten Bereich, dessen Minimumgrenze der Maximumgrenze des ersten vorbestimmten Bereiches entspricht, wenn die an der Ausgangsklemme 138 entwickelte Ausgangsspannung den Strom durch den Eingangswiderstand 133' des Rückkopplungs-Operationsverstärkers 127' dazu veranlaßt, den Strom durch den Widerstand 142' aufgrund der Quelle 143' zu übersteigen. Dies tritt beispielsweise dann auf, wenn das modifizierte Eingangssignal eine Größe von 2,25 Volt erreicht, und an diesem Umschaltpunkt schaltet die Verstärkung des Funktionsgenerators I2o auf einen zweiten weitgehend konstanten Wert (beispielsweise o,588) um, der größer als der erste Verstärkungsgrad ist. Wenn der Überstrom größer ist, kann die Größe des modifizierten Eingangssignals bis zu einer Maximumgrenze (etwa 4 Volt) des zweiten Bereiches ansteigen und in einen dritten vorbestimmten Bereich gelangen, in dem die Spannung an der Ausgangsklemme 138 den Strom im Eingangswiderstand 133*' des zweiten Rück-

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~ Io ~

kopplungs-Operationsverstärkers 127'' dazu veranlaßt, das diesem Verstärker von der Quelle 143'' zugeleitete Vorspannungssignal zu übersteigen. Nun wird dieser letztgenannte Verstärker wirksam, und der Funktionsgenerator arbeitet bei einer dritten weitgehend konstanten Verstärkung von etwa I,o6, die größer als die zweite Verstärkung ist.

Der Maximumwert dieses dritten vorbestimmten Bereiches ergibt sich durch einen Spannungsteiler aus Widerständen 128b und 131, deren Verbindungspunkt an die Anode der Diode 13o angeschlossen ist. Wenn das modifizierte Eingangssignal auf etwa 7 Volt ansteigt, wird das Potential an diesem Verbindungspunkt positiv in bezug auf die Masse, und die Diode 13o fängt an zu leiten. Dabei sinkt der Eingangswiderstand des Operationsverstärkers 127 wegen der Parallelschaltung der Widerstände 128a und 128b. Da der Eingangswiderstand abfällt, steigt die Verstärkung des Funktionsgenerators 12o auf einen vierten weitgehend konstanten Wert (beispielsweise 1,77).

Das an der Ausgangsklemme 138 entstehende Ausgangssignal des Funktionsgenerators 22 wird einem Integrator 144 mit einem integrierenden Operationsverstärker zugeführt, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 147 mit der Ausgangsklemme 138 verbunden ist. Der Widerstand 147 ist durch einen Widerstand 148 überbrückbar, der in Reihe zu einem normalerweise offenen Kontakt 149 liegt (dessen Zweck noch näher erläutert wird). Der Operationsverstärker 145 des Integrators 144 ist mit seinem nicht invertierenden Eingang über einen Widerstand 15o an Masse angeschlossen und weist eine Rückkopplungsschleife bzw. einen Rückkopplungspfad auf, der einen parallel zu einer Diode 152 liegenden Integrationskondensator 151 enthält. Ein Meßwertgeber-Pegeldetektorkreis 153 hält den Integrator 144 im Außerbetriebszustand, bis ein Überhitzungszustand im geschützten Generator vorliegt, wie es durch einen übermäßig großen negativen Phasenfolgestrom in der Leitung Ho angezeigt wird. Der Pegeldetektor 153, der ähnlich wie der Pegeldetektor 54 der ersten Ausführungsform arbeitet, besteht aus einem Operationsverstärker 154, dessen Eingangswiderstand 155 mit dem Gleichrichter 114 verbunden ist, dessen Rückkopplungsschleife

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einen Kondensator 156 enthält und dem über Widerstände 158, 159 und 16o durch eine negative Spannungsquelle 157 eine Referenzspannung zugeleitet wird. Das Ausgangssignal des Pegeldetektorkreises 153 wird über eine Diode 161 zu einem Rückstellsteuerkreis 162 geleitet, der seinerseits gemäß Darstellung mit dem Integrator 144 verbunden ist. Der Ausgang des Pegeldetektorkreises 153 ist negativ, bis der Mittelwert des Eingangssignals den Referenzpegel übersteigt, wonach die Diode 161 durchgeschaltet wird, um den Rückstellsteuerkreis 162 zu sperren, der dann ein Laden des Ladekondensators 151 ermöglicht. Wenn das Eingangssignal nachfolgend unter seinen Ansprechpegel fällt, und zwar aufgrund des Schutzbetriebes des Relais oder eines früheren Verschwindens der den übermäßigen negativen Folgestrom begründenden Störung, ist es wesentlich, daß das Relais nicht vollständig zurückgestellt wird, bis der Generatorrotor genügend Ze±u zum Abkühlen gehabt hat. Dementsprechend ist es der Zweck des Rückstellsteuerkreises 162, die Entladung des Integrationskondensators 151 zu verzögern, wenn immer der Aufnahmekreis 153 abfällt. Dieses Merkmal des dargestellten Relais bildet den Gegenstand einer weiteren Patentanmeldung.

Das integrierte Ausgangssignal des Integrators 144 wird einem geeigneten Pegeldetektor 164 eingegeben, der ein Auslösesignal 165 in einer ähnlichen Weise erzeugt, wie es in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Das Auslösesignal 165 veranlaßt einen Triggerkreis zum Erzeugen des erforderlichen Ausgangsignals 167.

Der Betrieb des soweit beschriebenen negativen Phasenfolgeüberstromrelais ähnelt demjenigen des in Figur 2 dargestellten Überstromrelais, mit dem Unterschied, daß der Funktionsgenerator 12o aus Figur 4 erheblich mehr ümschaltpunkte hat, die eine enge Anpas-

sung der Betriebseigenschaft dieses Relais an eine I- t = K Charakteristik über einen Bereich der I₂ Größen von etwa o,l pro Einheit bis etwa o,5 pro Einheit ermöglichen. Der letztgenannte Wert von entspricht einem Pegel des dem Funktionsgenerator 12ο zugeführten modifizierten Eingangssignals, bei dem der vierte und größte Verstärkungsgrad dieses Generators wirksam wird. Bei größer werdenden

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Werten von I₂ in diesem Bereich fällt die Betriebszeit eines Relais, welches auf K = 2 eingestellt ist, von 25o Sekunden auf etwa 5 Sekunden. In der Praxis ist es erwünscht, den Betriebsbereich auf 3,ο pro Einheit bezüglich des Stroms und auf o,2 Sekunden bezüglich der Zeit zu erweitern. Wenn dieses durch Zufügen mehrerer Rückkopplungszweige zum Funktionsgenerator 122 durchgeführt wird, um zusätzliche Unterbrechungen bzw. Schaltpunkte in der Verstärkung zu erhalten, müßte sich der Ausgang des Funktionsgenerators über einen derart breiten Bereich erstrecken, daß Fehler sowie üngenauigkeiten entstehen und eine gefährliche elektrische Belastung auf das Relais ausgeübt werden könnte. Zur Vermeidung dieser Probleme sind daher erfindungsgemäß Bereichsänderungsmittel 168 vorgesehen.

Die Bereichsänderungsmittel 168 enthalten einen Pufferverstärker 169, einen Pegeldetektor 172 und ein Hilfsrelais 185. Der Pufferverstärker 169 ist vorzugsweise ein Operationsverstärker, dessen nicht invertierender Eingang über einen Widerstand 17o mit dem Ausgang des Gleichrichters 114 verbunden ist und dessen Rückkopplungsschleife einen Widerstand 171 enthält. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers ist daher proportional zu dem zum Funktionsgenerator 12o geleiteten Eingangssignal. Das Eingangssignal wird nach* dem Austreten aus dem Pufferverstärker 169 zum Pegeldetektor geleitet, der einen Operationsverstärker 172 enthält. Der nicht invertierende Eingang desselben ist über einen Widerstand 174 mit Masse und über einen Widerstand 174a mit seinem Ausgang verbunden. Der Verstärker 172 hat einen Rückkopplungspfad, der eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 175 und einer Zenerdiode 176 aufweist. Sein Eingang wird über einen Widerstand 178 von einer positiven Spannungsquelle 177 vorgespannt, und sein Ausgang ist über einen Widerstand 179 mit der Basis eines Transistors I8o des Hilfsrelais 185 verbunden. Der Kollektor des Transistors I8o ist mit einer Parallelschaltung aus der Betriebsspule 181 des Hilfsrelais 185 und einer Diode 182 gekoppelt, während der Emitter mit Masse verbunden ist. Der Emitter ist ferner über einen Widerstand 183 an die Basis angeschlossen. Die Spule 181 ist mit einer geeigneten positiven Spannungsquelle 184 verbunden. Normalerweise ist der Transistor I8o gesperrt, und es fließt kein Strom durch die Spule 181. Wenn jedoch

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die Spitzengröße des dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 172 zugeführten Eingangssignals zumindest auf einen Wert
steigt, wie er durch das Vorspannungssignal durch die Quelle 177
vorgegeben wird (beispielsweise etwa 1,4 Volt), werden die Polarität der Ladung am Kondensator 175 umgekehrt und der Transistor I8o automatisch durchgeschaltet. Wenn der Transistor 18o schaltet, beginnt ein Strom in der Spule 181 zu fließen, so daß gleichzeitig
Kontakte 126 und 149 des Hilfsrelais 185 geschlossen werden.

Wenn das Eingangssignal eine mittlere Größe hat, die gleich oder
etwas größer als der vorbestimmte viert ist, welcher das Relais 185 zum Arbeiten veranlaßt, ergeben sich intermittierende zyklische
Intervalle spürbarer Dauer, bei denen die Augenblicksgröße des Signals kleiner als dieser Wert ist. Es besteht eine Tendenz, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 172 während dieser Intervalle momentan wieder seine normale negative Polarität annimmt, so daß in dieser Zeit das Hilfsrelais 185 periodisch abfallen und ein unerwünschtes Flattern der Kontakte 126 und 149 begründen kann. Um dieses Ergebnis zu vermeiden, ist der Operationsverstärker 172 mit einer Mitkopplung über einen Widerstand 174a versehen. Der Widerstandswert des Widerstandes 174a ist so ausgewählt, daß die einmal geschlossenen Kontakte 126 und 149 geschlossen bleiben, bis der
Mittelwert des Eingangssignals mehr als Io Prozent unter den Wert
(beispielsweise 2 Volt) abfällt, der erforderlich ist, um die Bereichsänderungsmittel 168 wirksam werden zu lassen. Während das
Hilfsrelais 185 als elektromagnetisches Relais mit trennbaren Kontakten dargestellt ist, könnte es auch ein elektronisches oder
statisches Relais sein, das zur Durchführung derselben Funktion in der Lage ist.

Wenn das dargestellte Relais 185 arbeitet, um seinen Kontakt 126 zu schließen, wird der Widerstand 174 in der Rückkopplungsschleife des Verstärkers 116 überbrückt, und die Verstärkung dieses Verstärkers sinkt von etwa 5 bis etwa 1. Der Wert der Vorspannung durch die
Quelle 177 ist so gewählt, daß die Kontakte bei einem Eingangssignal und daher einem überstrom schließen, das bzw. der größer als die
Werte sind, welche den vierten Verstärkungsgrad des Funktionsgene-

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rators 12o wirksam werden lassen. Der Wert des Eingangssignals, bei dem die Bereichsänderungsmittel 168 arbeiten, ist in Figur 3 durch eine vertikale Linie 6 dargestellt. Bei einem Abfallen der Größe des modifizierten Eingangssignals um ein Fünftel erreicht der Funktionsgenerator 12o wiederum seinen ersten Verstärkungsgrad. Wenn das modifizierte Eingangssignal von dem Wert weiter ansteigt, den es aufweist, wenn das Eingangssignal seinen Bereichsänderungswert erreicht hat, können wiederum die zweiten, dritten und vierten Verstärkungsgrade wirksam werden. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die für das Relais erforderliche Zeit zum Erzeugen seines Auslösesignals vom Mittelwert des Ausgangssignals des Funktionsgenerators abhängt. Da das modifizierte Eingangssignal des Funktionsgenerators um einen Faktor von 5 vermindert wurde, ohne daß die Zeitkonstante des Integrators 144 verändert wurde, dauert es zu lange, bis das Relais bei Überströmen einer solchen Größe auslöst, die zum Wirksamwerden der Bereichsänderungsmittel 168 ausreicht. Deshalb wird der Kontakt 149 gleichzeitig mit dem Kontakt 126 geschlossen, um die Widerstände 147 und 148 parallel zu schalten, wodurch die Zeitkonstante des Integrators 144 um einen Faktor 25 verkürzt wird. Dieser Faktor ist die n-te Potenz (n = 2 für den dargestellten Funktionsgenerator) des Verhältnisses der Verstärkungsgrade des Verstärkers 116 vor und nach Änderung des Bereiches, und er verhindert jegliche Ungleichmäßigkeit in der Betriebseigenschaft des Relais, wenn das modifizierte Eingangssignal aufgrund des verminderten Verstärkungswertes sinkt. Wie es aus Figur 3 ersichtlich ist, führt die Verwendung des neuen Bereichsänderungsmerkmals zu einer ungefähren Verdopplung des Betriebsbereiches der Vorrichtung,in dem der gerade Linienteil 9 der K = 2 Kurve für Überströme von größer als o,7 pro Einheit erzeugt wird, wie es durch die vertikale Linie 6 dargestellt ist.

Während ein Funktionsgenerator mit vier unterschiedlichen Verstärkungsgraden zum Erzeugen einer stückweisen linearen Approximation einer Quadratfunktion beschrieben wurde, ist es dem Fachmann ersichtlich, daß auch mehr Schaltpunkte vorgesehen werden können, wenn eine vergrößerte Genauigkeit erwünscht ist. Vorstehend wurden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Er-

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findung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind selbstverständlich weitere Abwandlungen möglich.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1.)Schutzrelais, das an einen Wechselstromkreis angeschlossen wer-—^/ den kann, um in verzögerter Abhängigkeit ein Auslösesignal zu erzeugen, wenn der Wert einer Kreisgröße übermäßig ansteigt, gekennzeichnet durch

a) Mittel (12, 14, 112, 114) zum Ableiten eines unipolaren Span

nut

nungseingangssignalsVvariablerAmplitude, das die Stromkreisgröße darstellt,

b) Funktionsgeneratormittel· (22, 12o) mit einer Eingangsklemme (2o, 118), der das Eingangssignal zugeleitet wird, und mit einer Ausgangsklemme (31, 138), an der ein Ausgangssignal erzeugt wird, das über einen ersten weitgehend konstanten Verstärkungsgrad so lange mit dem Eingangssignal in Beziehung steht, wie die Größe desselben innerhalb eines ersten vorbestimmten Bereiches liegt, und das über einen zweiten, weitgehend konstanten sowie gegenüber dem ersten Verstärkungsgrad größeren Verstärkungsgrad gekoppelt ist, wenn die Größe des Eingangssignals in einem zweiten vorbestimmten Bereich liegt, dessen Minimumgrenze der Maximumgrenze des ersten Bereiches entspricht, wobei zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen der Funktionsgeneratormittel ein erster Operationsverstärker (24, 127) und ein Rückkopplungspfad liegen, der zumindest einen zweiten Operationsverstärker (34, 127', 127'') enthält, wobei ferner der erste Operationsverstärker (24, 127) mit seinem Eingang an die Eingangsklemme und mit seinem Ausgang an die Ausgangsklemme angeschlossen ist und wobei der zweite Operationsverstärker (34, 127', 127'') mit seinem Eingang an die Ausgangsklemme sowie mit seinem Ausgang an die Eingangsklemme angeschlossen ist,

c) durch immer dann arbeitende Mittel (46, 144) zum Integrieren des Ausgangssignals, wenn der Wert der Kreisgröße übermäßig ansteigt, und

d) durch mit den Integrationsmitteln verbundene Mittel (64, 162) zum Erzeugen eines Auslösesignals, wenn die Größe des integrierten AusgangssignaIs einen vorgewählten Pegel übersteigt.

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2. Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Operationsverstärker (24, 127) mit einem Vorspannungssignal entgegengesetzter Polarität zum Eingangssignal und der zweite Operationsverstärker (34, 127', 127'') mit einem Vorspannungssignal entgegengesetzter Polarität zum Ausgangssignal versorgt werden.

3. Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal mit dem Eingangssignal über einen dritten weitgehend konstanten Verstärkungsgrad in Beziehung gesetzt wird, der größer als der zweite Verstärkungsgrad ist, wenn die Größe des Eingangssignals in einem dritten vorbestimmten Bereich liegt, dessen Minimumgrenze der Maximumgrenze des zweiten Bereiches entspricht.

4. Schutzrelais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsgeneratormittel (22, 12o) zwischen ihren Eingangs- und Ausgangsklemmen (2o, 118; 31, 138) einen Rückkopplungspfad aufweisen, der zumindest zweite und dritte Operationsverstärker (127¹, 127") enthält.

5. Schutzrelais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Operationsverstärker (127) mit einem ersten Vorspannungssignal entgegengesetzter Polarität zum Eingangssignal versorgt wird und daß zweite und dritte VorspannungssignaJe entgegengesetzter Polarität zum Ausgangssignal entsprechend an die Eingänge der zweiten und dritten Operationsverstärker (127*, 127¹¹) gegeben werden, wobei das dritte Vorspannungssignal größer als das zweite Vorspannungssignal ist.

6. Schutzrelais, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch

a) Mittel (12, 14, 112, 114) zum Ableiten eines Eingangssignals variabler Amplitude, das repräsentativ für die Kreisgröße ist,

b) durch mit den Eingangssignal-Ableitungsmitteln verbundene Verstärkungsmittel zum Bilden eines modifizierten Eingangssignals, dessen Amplitude mit derjenigen des Eingangssignals

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über den Verstärkungsgrad der Verstärkungsmittel gekoppelt ist,

c) durch Funktionsgeneratormittel (22, 12o) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, dessen Größe eine Funktion der auf eine Potenz von größer als 1 angehobenen Amplitude des modifizierten Eingangssignals ist,

d) durch Integrationsmittel (46, 144) mit einer Eingangsklemme, der das Ausgangssignal zugeführt wird und die immer dann arbeiten, wenn die Kreisgröße übermäßig ansteigt, um ein integriertes Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Größe mit einer vom Wert der Zeitkonstante der Integrationsmittel abhängigen Geschwindigkeit ansteigt,

e) durch Bereichsänderungsmittel (168) zum automatischen Verändern des Verstärkungsgrades der Verstärkungsmittel von einem ersten relativ großen Wert zu einem zweiten kleineren Wert und zum gleichzeitigen Verändern der Zeitkonstante der Integrationsmittel von einem ersten relativ langen Wert zu einem zweiten .kürzeren Wert, wenn die Größe des Eingangssignals einen vorbestimmten Wert übersteigt, und

f) durch mit den Integrationsmitteln verbundene Mittel (64, 164) zum Erzeugen eines Auslösesignals, wenn die Größe des integrierten Ausgangssignals einen vorgewählten Pegel übersteigt.

7. Schutzrelais nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der ersten und zweiten Werte der Zeitkonstante etwa dem Verhältnis zwischen den ersten und zweiten Größen der auf die Potenz angehobenen Verstärkung entspricht.

8. Schutzrelais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsmittel einen Operationsverstärker aufweisen, dessen Verstärkungsgrad von dem ersten Wert zum zweiten Wert verändert werden kann.

9. Schutzrelais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsmittel (46, 144) einen Operationsverstärker (48, 145) mit einem ohmschen Eingangskreis und einem kapazitiven Rückkopplungspfad (5o, 151) aufweisen.

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10. Schutzrelais nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichsänderungsmittel Glieder (47; 147, 148, 149) zum Vermindern des Widerstandswertes des Eingangskreises der Integrationsmittel (46, 144) aufweisen, wenn immer die Eingangssignalgröße den vorbestimmten Wert erreicht.

11. Schutzrelais, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche l-lo, gekennzeichnet durch

a) Mittel (12, 14, 112, 114) zum Ableiten eines unipolaren Spannungseingangssignals variabler Amplitude, die repräsentativ für die Kreisgröße ist,

b) durch mit den Eingangssignalableitungsmitteln verbundene Verstärkungsmittel zum Bilden eines modifizierten Eingangssignals, dessen Amplitude mit derjenigen des Eingangssignals über die Verstärkung der Verstärkungsmittel gekoppelt ist,

c) durch Funktionsgeneratormittel (22, 12o) mit einer Eingangsklemme (2o, 118), der das modifizierte Eingangssignal zugeführt wird, und mit einer Ausgangsklemme (31, 138), an der ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches mit dem modifizierten Eingangssignal über einen ersten weibgehend konstanten Verstärkungsgrad so lange in Beziehung steht, wie die Größe des modifizierten Eingangssignals innerhalb eines ersten vorbestimmten Bereiches liegt, wobei ferner ein zweiter, weitgehend konstanter und gegenüber dem ersten Verstärkungsgrad größerer Verstärkungsgrad zuständig ist, wenn die Größe des modifizierten Eingangssignals in einem zweiten vorbestimmten Bereich liegt, dessen Minimumgrenze der Maximumgrenze des ersten Bereiches entspricht, und wobei ein dritter, weitgehend konstanter und gegenüber dem zweiten Verstärkungsgrad größerer Verstärkungsgrad zuständig ist, wenn die Größe des modifizierten Eingangssignals in einem dritten vorbestimmten Bereich liegt, dessen Minimumgrenze mit der Maximumgrenze des zweiten Bereiches zusammenfällt,

d) durch Integrationsmittel (64, 164) mit einer Eingangsklemme, der das Ausgangssignal zugeleitet wird, und die immer dann arbeiten, wenn die Kreisgröße übermäßig ansteigt, um ein integriertes Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Größe mit

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einer vom Wert der Integrationsmittel abhängigen Geschwindigkeit ansteigt,

e) durch Bereichsänderungsmittel (168) zum automatischen Verändern des Verstärkungsgrades der Verstärkungsmittel von einem ersten relativ großen Wert zu einem zweiten kleineren Wert
und zum gleichzeitigen Verändern der Zeitkonstante der Integrationsmittel von einem ersten relativ langen Wert zu einem zweiten kürzeren Wert, wenn immer die Größe des Eingangssignals einen vorbestimmten Wert übersteigt, und

f) durch mit den Integrationsmittelnverbundene Mittel (64, 164) zum Erzeugen eines Auslösesignals, wenn immer die Größe des
integrierten Ausgangssignals einen vorgewählten Pegel übersteigt.

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