DE2611013A1 - Elektronisches ueberstromrelais - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT ZL Unser Zeichen Berlin und München VPA 76 P 3710 BRD

Elektronisches Überstromrelais

Die Erfindung befaßt sich mit einem Überstromrelais für unverzögerte Auslösung bei Kurzschlußströmen und verzögerte Auslösung bei Überströmen mit elektronischen Meß-, Verzögerungs- und Schaltgliedern, die von einem Stromwandler gesteuert werden. 5

Relais dieser Art werden vor allem in Verbindung mit elektrischen Schaltgeräten verwendet, um diese zum selbsttätigen Abschalten zu veranlassen, wenn bestimmte Grenzwerte des Stromes erreicht sind. Bisher war es üblich, für die in der Praxis vorkommenden Strombereiche verschiedene Stromwandler zu verwenden, um das Überstromrelais an die auftretenden Ströme anzupassen (DT-OS 19 11 202). Durch die Erfindung soll der Aufwand für die Stromwandler verringert werden.

Hierzu ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das von dem Stromwandler abgegebene Signal einem Eingangsverstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zugeführt und dessen Ausgangssignal in einem nachfolgenden, ebenfalls mit veränderbarem Verstärkungsfaktor betreibbaren Verstärker auf einen für jeden eingestellten Nennstrom gleichen Normalwert verstärkt wird, der den Auswertungsgliedern für Kurzschluß- und Überstromauslösung zugeführt wird.

Der einstellbare Verstärkungsfaktor des Eingangsverstärkers gestattet es, einen Bereich von Strömen zu überwachen, für den bisher mehrere Stromwandler benötigt wurden. Die Anpassungsfähigkeit des Überstromrelais an unterschiedliche Strombereiche kann noch dadurch vergrößert werden, daß ein eisenloser Stromwandler

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verwendet wird, der keiner Sättigung unterliegt und daher von kleinen bis sehr großen Strömen ein lineares Verhalten aufweist. Eisenlose Wandler sind an sich bekannt.

Die beiden erwähnten Verstärker können als Operationsverstärker mit veränderbarer Gegenkopplung ausgebildet sein. Diese ist auch bei mehrphasiger Ausführung des Überstromrelais mit geringem Aufwand zu verwirklichen, wenn in Weiterbildung der Erfindung in der Eingangsstufe jeder Phase des Netzes ein Operationsverstärker zugeordnet ist, wobei ein z. B. in Stufen einstellbarer Widerstand mit dem invertierenden Eingang jedes Operationsverstärkers und über je eine Diode mit dem Ausgang jedes Operationsverstärkers verbunden ist, wodurch eine (in Stufen einstellbare) Gegenkopplung ermöglicht wird, und daß der nachfolgende Operationsverstärker eine stufenlos wirkende Gegenkopplung besitzt. Das Ausgangssignal der Eingangsstufe entspricht bei dieser Schaltungsanordnung stets dem höchsten, in einer Phase fließenden Strom. Die erwähnten Dioden bewirken gleichzeitig eine Gleichrichtung des verstärkten Signals und eine Entkopplung derart, daß nur ein Satz Widerstände zur Einstellung der Gegenkopplung benötigt wird. Wie noch näher erläutert wird, ermöglicht diese Schaltungsanordnung innerhalb gewählter Nennstrombereiche die Einstellung jedes Nennstromes, der jeweils in das gleiche normierte Ausgangssignal umgesetzt wird,

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Figur zeigt das Prinzipschältbild eines Überstromrelais für ein dreiphasiges Wechselstromnetz für Kurzschluß- und Uberstromauslösung. Den Phasenleitern R, S und T ist je ein eisenloser Wandler 1, 2 und 3 zugeordnet, deren Ausgangssignale über je einen Koppelwiderstand 4, 5 und 6 den nichtinvertierenden Eingängen 7» 8 und 9 von Operationsverstärkern 10, 11 und 12 zugeführt werden. Die Ausgänge 13» 14 und 15 dieser Operationsverstärker sind über Dioden 16, 17 und 18 miteinander und über einen mehrstufigen Wahlschalter 19 sowie Widerstände 20 und 21 mit den

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invertierenden Eingängen 22, 23 und 24 verbunden. Der Wählschalter

19 gestattet in Verbindung mit dem Widerstand 20 in der Stellung a, dem Widerstand 21 in der Stellung b und der direkten (widerstandsfreien) Stellung c eine gestufte Einstellung der Gegenkopplung und damit des Verstärkungsfaktors. Die Dioden 16, 17 und 18 entkoppeln die Operationsverstärker 10, 11 und 12 voneinander, so daß ein gemeinsames Stellglied (Wahlschalter 19) für die Einstellung der Gegenkopplung verwendet werden kann, und bewirken gleichzeitig die Gleichrichtung des gemeinsamen Ausgangssignals, das dem höchsten Strom entspricht.

An dem gemeinsamen Ausgang der Operationsverstärker 10, 11 und steht somit ein dem größten, in einer der Phasen R, S und T fließenden Strom entsprechendes gleichgerichtetes Spannungssignal zur Verfügung, das über einen einstellbaren Widerstand 25 dem invertierenden Eingang 26 eines weiteren Operationsverstärkers zugeführt wird. Der stufenlos einstellbare Widerstand 25 bildet zusammen mit einem am Ausgang 29 des Operationsverstärkers 27 liegenden Festwiderstand 28 ein einstellbares Gegenkopplungsnetzwerk.

Der Widerstand 25 gestattet die Einstellung des Überstromrelais auf einen bestimmten gewünschten Nennstrom, der innerhalb der durch den Wahlschalter 19 eingestellten Bereiche liegt. Es sei z.B. angenommen, daß mit dem Wahlschalter 19 der einfache, dreifache und zehnfache Wert der mit dem Widerstand 25 wählbaren Ströme einstellbar ist. Überstreicht der Widerstand 25 somit z.B.

20 - 80 A, so ergeben sich je nach Stellung des Wahlschalters die Bereiche 20 - 80 A, 60 - 240 A und 200 - 800 A. Soll das Überstromrelais nun auf einen Nennstrom von 180 A eingestellt werden, so ist der Wahlschalter 19 in die mittlere Stellung b zu bringen» die eine Verdreifachung der an dem Widerstand 25 einstellbaren Stromwerte bewirkt. Der Widerstand 25 ist dementsprechend an seiner Einstellskale auf 60 A einzustellen. Am Ausgang 29 des Operationsverstärkers 27 steht dann ein von dem Absolutwert des Nennstromes unabhängiges normiertes Signal zur Verfügung, das den noch zu erläuternden Schaltungsteilen für die KurzSchlußauslösung und die Überlastauslösung zugeführt wird.

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-K- f

Zunächst gelangt das normierte Ausgangssignal über ein zur

Unterdrückung von Einschaltstromstößen dienendes Schaltungsglied, das einen Widerstand 30 und einen Kondensator 31 sowie einen zur Abschaltung des Kondensators dienenden Schalter 32 umfaßt, an den invertierenden Eingang 33 eines Operationsverstärkers 34, durch dessen Ausgangsgröße ein Auslöserelais 35 geschaltet werden kann. Der Grenzwert in Vielfachen des eingestellten Nennstromes, bei dem das Relais 35 anziehen und damit eine Auslösung veranlassen soll, wird durch eine an den nichtinvertierenden Eingang 36 des Operationsverstärkers 34 angelegte Vergleichsspannung bestimmt, die mittels des Potentiometers 37 wählbar ist.

Die von dem Operationsverstärker 27 bereitgestellte normierte Ausgangsgröße wird ferner an ein insgesamt mit 40 bezeichnetes Netzwerk angelegt, das in bekannter Weise aus einer Kombination linearer und nichtlinearer Bauelemente (Widerstände, Dioden, Z-Dioden) besteht und das zur Bildung der gewünschten Auslösekennlinie der Überstromauslösung dient. Angestrebt wird die sogenannte I ·t-Kennlinie. Das mit Hilfe des Netzwerkes 40 geformte Signal gelangt an den invertierenden Eingang 41 eines Operationsverstärkers 42, der Bestandteil eines Integrationsstromkreises ist. Als integrierendes Glied dient ein Kondensator " 43, der jedoch nicht direkt von dem Ausgang 44 des Operationsverstärkers 42 aufgeladen wird, sondern über einen Transistor 45, dessen Basis 46 durch Anschluß an den positiven Pol der Betriebsspannung + U_ß des Überstromrelais über eine Z-Diode 47 und einen Widerstand 48 in leitendem Zustand gehalten wird. Ist ein gewählter Grenzwert für die Überstromauslösung erreicht, d. h., ist der Kondensator 43 auf einen bestimmten Wert aufgeladen, so spricht der als Schmitt-Trigger geschaltete Operationsverstärker 50 an und bringt das Relais 51 zum Anziehen.

Falls die Betriebsspannung + U_ß und - Ug des Überstromrelais ausfällt, so würde sich bei bisher üblichen Integratorschaltungen der Kondensator 43 sofort über den Operationsverstärker 44 entladen, weil dessen Innenwiderstand ohne Vorhandensein einer Betriebsspannung verhältnismäßig gering ist. Im vorliegenden

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Beispiel jedoch verschwindet zugleich mit der Betriebsspannung auch die Steuerspannung an der Basis 46 des Transistors 45, wodurch dieser gesperrt wird. Dies verhindert die unerwünschte plötzliche Entladung des Kondensators 43. Es bleibt somit die jeweils vorhandene Aufladung des Kondensators erhalten, wenn man davon absieht, daß über einen längeren Zeitraum durch den Innenwiderstand des Transistors 45 und durch Selbstentladung ein allmählicher Ladungsabbau stattfindet.

Eine bestimmte Aufladung des Kondensators 43 entspricht einer bestimmten thermischen Beanspruchung eines zu schützenden elektrischen Betriebsmittels, z. B. eines Motors. Ebenso entspricht einer natürlichen Abkühlung des Betriebsmittels die Entladung des Kondensators 43 durch einen parallel zu diesem geschalteten Widerstand 49, der jedoch nur bei leitendem Transistor 45, d. h. bei vorhandener Betriebsspannung wirksam ist. Die sofortige Entladung des Kondensators 43 entspricht daher einer plötzlichen Abkühlung des zu schützenden Betriebsmittels, was zu dessen Beschädigung oder Zerstörung führen kann, wenn der Betrieb bei noch vorhandener Überlastung fortgesetzt wird. In diesem Fall muß nämlich die Aufladung des Kondensators von neuem beginnen, wodurch sich die Auslösung (Anziehen des Relais 51) verzögert. In dem - vorliegenden Beispiel bleibt dagegen die Ladung des Kondensators 43 bei einer Unterbrechung der Stromversorgung des Überstromrelais erhalten. Kehrt nun die Betriebsspannung zurück, so wird die Aufladung des Kondensators 43 bei fortdauernder Überlastung . des zu überwachenden Stromkreises bzw. Betriebsmittels praktisch von dem Wert ausgehend fortgesetzt, bei dem sie unterbrochen wurde. Dies führt zu der gewünschten rechtzeitigen Auslösung und Abschaltung.

Durch die Z-Diode 47, die sich in dem Steuerstromkreis des Transistors 45 befindet, wird dafür gesorgt, daß bei absinkender Betriebsspannung der Transistor 45 gesperrt wird, bevor der Operationsverstärker seine Funktionsfähigkeit verliert und in den niederohmigen Zustand übertritt.

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Durch die von dem Operationsverstärker 27 abgegebene normierte Ausgangsspannung wird außer den Schaltungsteilen für Kurzschluß- und Überlastauslösung noch ein anzeigendes Meßinstrument 55 betrieben, und zwar nach Verstärkung durch einen Operationsverstärker 56. Die Skale 57 des Meßinstrumentes 55 ist in Prozent des Nennstromes geteilt, so daß für den gesamten von dem Uberstromrelais erfaßbaren Bereich von Strömen nur ein Instrument und eine Skale benötigt werden. Das Meßinstrument ist sowohl bei einphasiger als auch bei der beschriebenen dreiphasigen Ausführung der Eingangsschaltung verwendbar. Bei mehrphasiger Ausführung ergibt sich der Vorteil, daß stets der höchste Strom angezeigt wird, der in einer der Phasen fließt. Vor allem aber erzielt man eine Ersparnis durch den Wegfall besonderer Stromwandler, die man bisher zum Betrieb von Strommessern benötigte.

In dem Schaltbild sind die zur Bereitstellung der Betriebsspannung + Ug und - Ug dienenden Bauelemente fortgelassen. Diese Elemente sind allgemein bekannt und bedürfen daher keiner gesonderten Erläuterungen. Jedoch sind in dem Schaltbild an den Stellen, die des Anschlusses an die Stromversorgungseinrichtung bedürfen, jeweils die Bezeichnungen + U^ bzw. - U_ß angebracht.

4 Ansprüche
1 Figur

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L e e r s e i t e

Claims (4)

Patentansprüche

1. Uberstromrelais für unverzögerte Auslösung bei Kurzschlußströmen und verzögerte Auslösung bei Überströmen mit elektronischen Meß-, Verzögerungs- und Schaltgliedern, die von einem Stromwandler gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Stromwandler (1, 2, 3) abgegebene Signal einem Eingangsverstärker (10, 11, 12) mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zugeführt und dessen Ausgangssignal in einem nachfolgenden, ebenfalls mit veränderbarem Verstärkungsfaktor betreibbaren Verstärker (27) auf einen für jeden eingestellten Nennstrom gleichen Normalwert verstärkt wird, der den Auswertungsgliedern für Kurzschlußauslösung (34, 35, 37) und für Überstromauslösung (40, 42, 43, 51) zugeführt wird.

2. Überstromrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein eisenloser Stromwandler (1, 2, 3) verwendet wird.

3. Überstromrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Verstärker als Operationsverstärker (10, 11, 12; 27) mit veränderbarer Gegenkopplung (19a, b, c; 25, 28) ausgebildet sind.

4. Überstromrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mehrphasigen Netz jeder Phase (R, S, T) ein Operationsverstärker (10, 11, 12) zugeordnet ist und daß ein einstellbarer Widerstand (19a, b, c) mit dem invertierenden Eingang (26) jedes Operationsverstärkers (10, 11, 12) und über je eine Diode (16, 17, 18) mit dem Ausgang (13, 14, 15) jedes Operationsverstärkers (10, 11, 12) verbunden ist, und daß der nachfolgende Operationsverstärker (27) eine stufenlos wirkende Gegenkopplung (25, 28) besitzt.

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