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Elektrische Trennschalteinrichtung für kleine Leistungen
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Für groSe Leistungen sind Schnellschalter mit einer Unterspannungsauslöseeinrichtung
bekannt, beispielsweise der Schnellschalter 3 WF 7 mit Wirbelstrom-Auslöseeinrichtung
(Liste N51 der Siemens AG vom Januar 1976). Derartige Schnellschalter sind für kleine
Leistungen zu aufwendig und zu teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preiswerte, bei unzulässigen
Spannungsabweichungen schnell ansprechende Trennschalteinrichtung für Leistungen
von einigen Kilowatt zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Schalteinrichtung
mit folgenden Merkmalen gelöst: a) Ein Sicherungsautomat mit wenigstens einer bei
Uberströmen ansprechenden elektromagnetischen Schnellauslöseeinrichtung, b) eine
Energiespeichereinheit mit einem im ungestörten Betrieb aufgeladenen Kondensator,
der über einen Schalter mit der elektromagnetischen Schnellauslöseeinrichtung verbunden
ist, c) eine Spannungsüberwachungseinrichtung, die bei Uberschreitung vorgegebener
Spannungstoleranzen der Leiterspannung ein Auslöse signal erzeugt und den Schalter
durchlässig steuert.
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Handelsübliche Sicherungsautomaten enthalten in der Regel zwei verschiedenartige
Auslöseorgane. Ein Bimetallauslöser arbeitet infolge seiner thermischen Verzögerungnlt
einer trägen Auslösecharakteristik,
die der Erwärmungskurve der
Leitungen angepaßt ist. Eine elektromagnetische Schnellauslöseeinrichtung, die eine
Stromspule mit Kern und einen Auslöseanker enthält, hat bereits dicht über ihren
Ansprechgrenzen sehr kurze Auslösezeiten von nur wenigen Millisekunden. Ein Sicherungsautomat
löst jedoch nicht aus, wenn die Leiterspannung absinkt oder ausfällt. Bei Uberspannungen
erfolgt eine Auslösung erst dann, wenn die Uberspannung zu einem entsprechenden
Stromanstieg führt.
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Die Erfindung realisiert eine schnelle elektrische Trennschalteinrichtung
durch die neuartige Verwendung eines handelsüblichen Sicherungsautomaten, dessen
Auslösung durch einen Stromstoß aus einer aufgeladenen Energiespeichereinheit auf
seine elektromagnetische Schnellauslöseeinrichtung erfolgt.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
und ihre in den Unteransprüchen näher gekennzeichneten Ausgestaltungen.
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In der Darstellung der Fig. 1 ist ein einphasiger Wechselspannungsverbraucher
3 über einen handelsüblichen Sicherungsautomaten 1 mit den Leitungen 2a und 2b eines
Wechsel spannungsnetzes verbunden. Der Sicherungsautomat 1 enthält Schaltkontakte
17, 18 und 19 und einen Hilfskontakt 20 zur Ausgabe von Meldesignalen. Die Kontakte
17 bis 20 werden von einem Schaltschloß 10 betätigt. Auf das Schaltschloß 10 wirken
elektro magnetischen Schnellauslöseeinrichtungen 11, 12, 13, die eine Stromspule
mit Kern und Auslöseanker umfassen, sowie Bimetallauslöser 14, 15 und 16.
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Die Anschlußklemmen 21 und 22 sind mit den Leitungen 2a und 2b des
Wechselspannungsnetzes beschaltet, während der Verbraucher 3 mit den Anschlußklemmen
24 und 25 verbunden ist. Die AnschluB-klemme 23 ist unmittelbar und die Anschlußklemme
26 über einen Thyristor 4 als Schalter mit einer Energiespeichereinheit 5 verbunden.
Als Schalter sind auch andere elektronische Schaltelemente, beispielsweise Transistoren,
oder schnelle Relais
geeignet. Die Energiespeichereinheit 5 enthält
einen Kondensator 7, der über eine Gleichrichter-Brückenschaltung 8 und einen Vorwiderstand
9 an die Leitungen 2a, 2b des Wechselspannungsnetzes angeschlossen ist. Im ungestörten
Betrieb wird der Kondensator 7 über den Gleichrichter 8 aufgeladen. An die Leitungen
2a, 2b ist ein Spannungsmeßwandler 6 angeschlossen, der eine die Wechselspannung
abbildende Istwert-Meßspannung liefert. Die Istwert-Meßspannung wird einer Spannungsüberwachungseinrichtung
33 zugeführt, welche die Wechselspannung hinsichtlich der Einhaltung vorgegebener
Toleranzwerte überwacht. Bei einer Überschreitung der vorgegebenen Toleranzwerte
erzeugt die Spannungsüberwachungseinrichtung 33 ihrem Ausgang ein Auslösesignal,
das den Thyristor 4 stromdurchlässig steuert. Der Kondensator 7 entlädt sich auf
die elektromagnetische Schnellauslöseeinrichtung 13. Dieser Stromstoß bewirkt eine
schnelle Auslösung des Sicherungsautomaten 1, der den Verbraucher 3 vom Netz trennt.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist ein einphasiger Wechselspannungsverbraucher
3 über den Sicherungsautomaten 1 zweipolig an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen.
Der Sicherungsautomat 1 ist dreiphasig ausgelegt. Die Energiespeichereinrichtung
5 ist an die Anschlußklemmen 23 und 26 der dritten, nicht mit den Wechselspannungsleitungen
2a, 2b beschalteten Phase des Sicherungsautomaten 1 angeschlossen. Der Stromstoß
des Eondensators 7 wirkt auf die elektromagnetische Schnellauslöseeinrichtung 13.
Am Sicherungsautomaten 1 sind somit keinerlei Änderungen erforderlich. Abhängig
von der Bauart des Sicherungsautomaten kann es lediglich erforderlich sein, den
in Reihe zur elektromagnetischen Schnellauslöseeinrichtung 13 liegenden Bimetallauslöser
16 zu überbrücken, wie in der Zeichnung durch die strichlierte Brücke angedeutet
ist.
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Als Spannungsüberwachungseinrichtung kann beispielsweise eine Schaltungsanordnung
verwendet werden, die eine Gleichrichterschaltung mit Glättungskondensator und ein
Vergleichsglied enthält, das die gleichgerichtete Istwert-Meßspannung mit einer
vorgegebenen
Sollwertspannung vergleicht. Ein Grenzwertmelder überwacht die Abweichungen der
gleichgerichteten geglätteten Istwert-Meßspannung von der vorgegebenen Sollwertspannung
und erzeugt ein Auslösesignal, wenn diese Abweichungen einen vorgegebenen Betrag
übersteigen.
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Es sind jedoch auch Anwendungsfälle denkbar, bei denen ein Spannungseinbruch
oder eine Uberspannung sehr schnell erfaßt und zur Auslösung des Sicherungsautomaten
1 ausgewertet werden müssen. In diesen Fällen bedeutet die Istwertglättung der gleichgerichteten
Istwert-Meßspannung eine unerwünschte Verzögerung des Auslösesignals. In Fig. 1
ist daher eine Spannungsüberwachungseinrichtung 33 dargestellt, die ein außerordentlich
schnelles Auslösesignal erzeugt. Die Spannungsüberwachungseinrichtung 33 enthält
einen- Phasenregelkreis mit einem Phasendiskriminator PD, mit einem nachgeschalteten
Tiefpaßfilter LPT, mit einem nachgeschalteten Verstärker A und mit einem vom Ausgangssignal
des Verstärkers A beaufschlagten spannungsgesteuerten Oszillator VCO. Ein derartiger
Phasenregelkreis 27 ist unter der Bezeichnung Phase locked loop (PLL) bekannt und
im Handel erhältlich (siehe beispielsweise die Liste Lineare Integrierte Schaltungen"
der Firma SIGNETICS, S. 195 - 305). Der spannungsgesteuerte Oszillator VCO liefert
ein Ausgangssignal, das phasenstarr mit der Eingangsspannung des Phasendiskriminators
verknüpft ist. Die Amplitude der Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators
VCO besitzt einen von der Amplitude der Eingangsspannung des Phasendiskriminators
PD unabhängigen Wert. Die Ausgangsspannung des spannungsgeregelten Oszillators VCO
des Phasenregelkreises 27 wird einem Differenzbildner 31 zugefilhrt, an dessen zweiten
Eingang die über ein Siebglied mit den Widerständen 28 und 29 und dem Kondensator
30 geführte Istwert-Meßspannung angelegt ist. Die Zeitkonstante des Siebgliedes
28, 29 30 ist sehr klein gegen die Periodendauer der Wechselspannung gewählt, sie
kann beispielsweise 0,5 msec betragen. Die Zeitkonstante des Siebgliedes ist somit
um mehrere Größenordnungen kleiner als die Glättungszeitkonstante von üblichen Istwertglättungen,
die bekanntlich bereits für die
doppelte Betriebsfrequenz eine hohe
Dämpfung aufweisen. Die Zeitkonstante des Siebgliedes ist vielmehr so klein gewählt,
daß lediglich Störspannungsspitzen unterdrückt werden, jedoch die Kurvenform der
Grundwelle in der Istwert-Meßspannung nicht beeinflußt wird. Anstelle eines Siebgliedes
der dargestellten Art können auch komplizierter aufgebaute Siebglieder verwendet
werden, die beispielsweise zur Unterdrückung von bestimmten Oberwellen ausgelegt
sind. Ebenso ist es möglich, in den beiden Eingängen des Differenzbildners 31 jeweils
eine Gleichrichterschaltung vorzusehen.
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Die Ausgangsspannung des Differenzbildners 31 bildet die Abweichungen
der Istwert-Meßspannung von einer mit ihr phaserstarr verknüpften Referenzwechselspannung
ab. Die Ausgangsspannung des Differenzbildners 31 wird einem Grenzwertmelder 32
zugeführt, der ein Auslösesignal erzeugt, wenn die genannten Abweichungen vorgegebene
Uberwachungsschwellwerte überschreiten.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist ein dreiphasiger Verbraucher
34 über einen dreipoligen Sicherungsautomaten 35 an ein Drehspannungsnetz angeschlossen.
Eine Energiespeichereinheit 41 enthält einen Einphasen-Transformator 36, eine Gleichrichterschaltung
37, einen Ladewiderstand 38 und einen Kondensator 39. Der Einphasen-Transformator
36 liegt zwischen zwei Phasen des Drehspannungsnetzes. Eine Spannungsüberwachungseinrichtung
42 überwacht die Spannung des Drehspannungsnetzes und erzeugt ein Auslösesignal,
das den Schalter 40 durchlässig steuert und damit die Entladung des Kondensators
39 auf eine elektromagnetische Schnellauslöseeinrichtung des Sicherungsautomaten
35 bewirkt. Der Kondensator 39 ist über einen Thyristor 40 als Schalter an eine
der elektromagnetischen Schnellauslöseeinrichtungen des Automaten 35 angeschlossen.
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Die Spannungsüberwachungseinnchtung 42 kann beispielsweise einen Gleichrichter
in Drehstrom-Brückenschaltung, einen Glättungskondensator, ein nachgeschaltetes
Vergleichsglied und einen Grenzwertmelder enthalten. In diesem Falle erfolgt eine
summarische Uberwachung des Drehspannungsnetzes.
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Wenn eine Uberwachung der Einzelspannung erforderlich ist, so kann
eine in Fig. 1 dargestellte Uberwachungseinrichtung für jede Phase des Drehspannungsnetzes
vorgesehen werden, wobei die Auslösesignale der drei Uberwachungseinrichtungen disjunktiv
miteinander verknüpft werden. Ebenso kann eine Spannungsüberwachungseinrichtung
mit einer Umformerstufe vorgesehen sein, wie sie im deutschen Patent 23 48 415 beschrieben
ist.
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Bei einer erfindungsgemäßen elektrischen Schalteinrichtung behält
der Sicherungsautomat seine Sicherungseigenschaften bei.
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Zusätzlich werden jedoch die sehr kurzen Auslösezeiten seiner elektromagnetischen
Schnellauslöseeinrichtungen in neuartiger Weise dazu ausgenutzt, um eine bei unzulässigen
Spannungsänderungen sehr schnell wirkende Trennschalteinrichtung zu schaffen.
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Die schnelle Abschaltung wird durch einen Stromstoß aus einer aufgeladenen
Energiespeichereinrichtung auf die elektromagnetischen Schnellauslöseeinrichtungen
bewirkt. Der auslösende Stromimpuls wird dem Betriebsstrom überlagert oder auf die
Schnellauslöseeinrichtung einer nicht beschalteten Phase des Sicherungsautomaten
geschaltet.
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3 Patentansprüche 2 Figuren
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