DE2638722A1

DE2638722A1 - Elektronische ueberlast-detektorschaltung

Info

Publication number: DE2638722A1
Application number: DE19762638722
Authority: DE
Inventors: Peter C Gelfand; Clifford A Mason
Original assignee: Envirotech Corp
Current assignee: Envirotech Corp
Priority date: 1975-08-29
Filing date: 1976-08-27
Publication date: 1977-04-07
Also published as: SE411501B; FR2322402A1; SE7609468L; BE845595A; IT1067587B; US4012669A; JPS5232378A; NL7609492A; CA1041606A; GB1538142A

Description

Die Erfindung bezeiht sich generell auf eine elektronische Schaltung zur Erfassung von Überlastzuständen in elektrischen Systemen.

Ströme, die den für ein elektrisches System konstruktiv bedingten Pegel überschreiten (d.h. Überlastungen), können das System oder seine Energieversorgung durch Überhitzung, Isolationsdurchschlag und dergleichen beschädigen. Es ist daher zweckmäßig, eine Einrichtung vorzusehen, die in einem elektrischen System Überlastzustände ermittelt und den Strom abschaltet, bevor Schaden auftritt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Überlastdetektor zu vermitteln, der elektrische Überlastungen über eine von der Größe der Überlast abhängige Zeitspanne zuläßt. Zur Aufgabe der Erfindung gehört es auch, einen einstellbaren Überlastdetektor zu schaffen, der in elektrischen Wechselstromsysteme verwendbar ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung zur Erfassung einer anhaltenden elektrischen Überlast in einem elektrischen System umfaßt eine Einrichtung zur Überwachung eines elektrischen

70981 4/0639

Parameters in dem elektrischen System und zur Erzeugung eines elektrischen Signals, dessen Größe den momentanen Absolutwert des Parameters wiedergibt, eine Bezugseinrichtung, die ein Ausgangssignal mit vorgegebenem Wert erzeugt und in Verbindung mit der Überwachungseinrichtung ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Größe denjenigen Wert wiedergibt, um den die Größe des Absolutwertsignals den vorgegebenen Wert überschreitet, ferner eine Integriereinrichtung, die das genannte elektrische Signal integriert und ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Größe eine Komponente umfaßt, die das Produkt aus dem elektrischen Signal und einem die Dauer der Überlast darstellenden zeitlich ansteigenden*Wert darstellt, sowie eine Vergleichereinrichtung, die die Größe des Integrator-Ausgangssignals kontinuierlich mit einem zweiten vorgewählten Wert vergleicht und ausgangsseitig eine Anzeige liefert, sooft das Integrator-Ausgangssignal den zweiten vorgewählten Wert überschreitet.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Überlastdetektors besteht darin, daß sich seine Empfindlichkeit und seine zeitlichen Ansprecheigenschaften (Ansprechverzögerung) von Hand oder automatisch leicht einstellen lassen.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Figur 1 ein Blockschaltbild einer Schaltung mit den Merkmalen der Erfindung;

Figur 2 ein schematisches Schaltbild für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Figur 1; und

Figur 3 ein Diagramm, das die Ansprecheigenschaften der Schaltung nach Figur 2 veranschaulicht.

In der Überlast-Detektorschaltung nach Figur 1 umfaßt. ein Monitor 20 einen Fühler 22, der in eine Energieleitung 18 eingeschaltet und an den Eingang eines Zweiweg-Gleichrichters 24 angeschlossen ist. Den Ausgang des Monitors 20 bildet ein Signal Vj, das als Absolutwertsignal bezeichnet

7098U/0639

- r-

wird. Der Fühler 22 in dem Monitor 20 erzeugt ein Wechselstromsignal, das zu dem durch die Energieleitung 18 fließenden Strom proportional ist; dieses Signal wird von dem Gleichrichter 24 in ein kleines Gleichstromsignal umgeformt, das das Monitorsignal Vj "bildet.

Das Ausgangssignal Vj des Monitors 20 wird einem nichtinvertierenden Addierer 28 zugeführt, an dem ferner ein sogenanntes Schwellensignal V aus einer Schwellenwertsteuerung 30 und ein Rückkopplungssignal K_yV_v aus einer Ansprechsteuerung 32 liegen. In der Praxis hat das Signal V einen vorge-

wählten einstellbaren Wert und entgegengesetzte Polarität wie das Signal V^. Die Signale V₁, V und K^V_v werden am Eingang des Addierers mit Verstärkungsfaktoren G-j , G₂ bzw. G-, vervielfacht. Den Ausgang des Addierers 28 bildet ein Signal V_Q, das die Summe der drei verstärkten EingangsSigna-

el

Ie darstellt.

Das Summensignal V_ wird einem invertierenden Integrator

el

36 mit einer Eingangsverstärkung G^ zugeführt, der das Signal integriert und ein Ausgangssignal V_v erzeugt. Das integrierte Ausgangssignal V_y wird einerseits der Ansprechsteuerung 32 und andererseits einem zweiten invertierenden Integrator 38 mit einem Verstärkungsfaktor Gc zugeführt. Wie weiter unten im einzelnen beschrieben, ist der zweite Integrator 38 anfangs auf einen Wert V-j vorgespannt, um einen Bezugswert aufzustellen, gegenüber dem sämtliche Abweichungen des Signals

V gemessen werden können. In der Ansprechsteuerung 32 wird das Signal V_v mit einer vorgewählten Konstante K multipliziert und als Rückkopplungssignal KyV an den nicht-invertierenden Addierer 28 zurückgeleitet. Der zweite Integrator 38 erzeugt aus dem Signal V_v ein integriertes Signal V , das als Positionssignal bezeichnet wird und das einem Eingang eines Komparators 40 zugeführt wird, an dessen anderem Eingang ein Bezugssignal V₂ liegt. Der Komparator vergleicht das integrierte Signal V mit dem Bezugssignal V₂ und erzeugt dann, wenn V größer ist als V₂, ein Ausgangssignal

V , das das Vorhandensein eines Überlastzustandes anzeigt.

7098U/0639

-k-

Das Ausgangssignal V_Q bildet das Ausgangssignal des Überlastdetektors und dient zur Betätigung eines Schalters oder dergleichen zum Abschalten des überwachten Systems.

Der Überlastdetektor nach Figur 1 läßt sich auch durch die folgenden mathematischen Gleichungen erläutern, in denen Vj als ein zeitunabhängiges konstantes Signal angenommen wird. Zunächst läßt sich das Signal V ausdrücken als

V_a = G₁V₁ + G₂V_g -

(Ό

worin V gegenüber V^ entgegengesetzte Polarität hat. Die vorstehende Gleichung läßt sich auch als Differentialgleichung mit V = V in folgender Form schreiben:

= GrfV — GV (2)

ι I 2 ff \^Cm/

Nimmt man an, daß sich V₁ im Zeitpunkt t=0 plötzlich auf einen konstanten Wert ändert, so läßt sich mathematisch zeigen, daß

-(G₁V_x + G₉VJ

^VV =

(3)

und daß

= (G₁V_{1 +} G₂VJe

als Funktion der Zeit t. Durch Integrieren von V und Auflösen nach der Anfangsbedingung V₁ erhält man:

V_p = V_{1 +}

* ^GaV

t -

1 - e

Ein Überlastzustand besteht, wenn V - V₂ > 0, d.h. wenn

* (G₁V₁ + G₂V_g)t,

7098U/06 3 9

wobei der Exponentialausdruck aus der Gleichung entfernt worden ist, weil dieser gewöhnlich einen verhältnismäßig kleinen Wert hat. Es ist zu beachten, daß der oben beschriebene Detektor für Jede beliebige komplexe zeitabhängige Form des Signals auf der Energieleitung 18 arbeitsfähig ist, während die vorstehenden Gleichungen nur dann gelten, wenn.Vj über die betrachtete Zeitspanne konstant ist.

Die Beziehungen zwischen den verschiedenen Elementen des Uberlastdetektors erhellen bei Untersuchung der obigen Gleichungen. So zeigt beispielsweise Gleichung (1), daß der Verstärkungsfaktor G₁ die effektive Größe des Signals V₁ und damit die Empfindlichkeit des Überlastdetektors'»bestimmt, während der Verstärkungsfaktor G₂ die effektive Größe des Signals V und damit den Schwellenwert der Einrichtung bestimmt. Gleichung (3) zeigt, daß die Verstärkungsfaktoren G, und G^ die Verstärkung der Rückkopplungsschleife und damit die Einschaltansprechzeit, ausgedrückt durch den Exponentialausdruck, bestimmen. Gleichung (5) veranschaulicht, daß der Verstärkungsfaktor Gc einen Faktor bei der Bestimmung der Größe des Positionssignals V bildet und daher den Zeitpunkt beeinflußt, zu dem ein Überlastzustand erkannt wird. In der Praxis haben die Verstärkungsfaktoren G₁ bis G= vorgegebene feste Werte.

In Gleichung (6) stellt der Ausdruck auf der linken Seite einen vorgewählten konstanten Wert dar, der als Überlastkonstante bezeichnet wird. Auf der rechten Seite von Gleichung (6) stellt der Ausdruck (G₁V₁ + G₂V ) denjenigen Wert dar, um den der überwachte Strom zu dem jeweiligen Zeitpunkt den Schwellenwert überschreitet. Gleichung (6) gibt an, daß die Einrichtung eine Überlastung signalisiert, wenn das Produkt aus der Stromüberschreitung und der Dauer t dieser Überschreitung die vorgewählte Überlastkonstante erreicht. Mit anderen Worten gibt die in mathematischer Form beschriebene Überlasteinrichtung einen Abschaltbefehl bei einem konstanten Produkt aus Stromüberschreitung und Zeit.

7098U/0639

In Figur 2 ist der Fühler 22 des Monitors 20 als Stromtransformator 45 dargestellt, der eine parallel zu einem Widerstand 46 geschaltete Sekundärwicklung hoher Impedanz aufweist. Der durch die Energieleitung 18 fließende Strom erzeugt über den Transformator 45 an dem Widerstand 46 eine proportionale Wechselspannung. Diese Wechselspannung wird über.Netzwerke 42 und 44 zu dem Signal Vj gleichgerichtet, das den zweiweg-gleichgerichteten Wert des Gleichspannungs-Eingangssignals darstellt. Das Netzwerk 42 umfaßt einen Operationsverstärker 48, einen Rückkopplungswiderstand 49, eine Klemmdiode 50 und eine Ausgangsdiode 51. Das Netzwerk 44 umfaßt einen Operationsverstärker 52, einen Rückkopplungswiderstand 53, eine Klemmdiode 54, einen Eingangswiderstand 55 und eine Ausgangsdiode 56. In der gezeigten Verbindung läßt das Netzwerk 42 nur die positiven Halbzyklen der Gleichspannungs-Eingangssignale hindurch, während das Netzwerk nur die negativen Halbzyklen dieser EingangsSignaIe hindurchläßt und invertiert. Die Ausgangssignale der Netzwerke 42 und 44 werden über die Dioden 51 und 56 zu dem Signal Vj kombiniert.

Die Schwellensteuerung 30 umfaßt ein zwischen eine negative Bezugsspannung (-V) und Erde geschaltetes Potentiometer 57, dessen Abgriff eine Einstellung des Schwellenausgangssignals V gestattet.

Die Ansprechsteuerung 32 umfaßt ein zwischen den Ausgang des Integrators 36 und Erde geschaltetes Potentiometer 58, das eine wahlweise Verstellung des Verstärkungsfaktors IC. ermöglicht.

Der gezeigte nicht-invertierende Addierer 28 umfaßt generell einen invertierenden Addierer und einen in Serie geschalteten Inverter. Der Addierer besteht aus einem Operationsverstärker 60, einem Rückkopplungswiderstand 62 sowie Eingangswiderständen 64, 66 und 68. Durch die Verhältnisse zwischen dem Widerstand 62 einerseits und den Widerständen 66, 64 und 68 werden die oben erwähnten Verstärkungsfaktoren ^I' ^2 ^^zw# ^3 bestimmt. Der Inverter, der einen Verstärkungs-

7098U/0639

faktor von 1 haben soll, besteht aus einem Operationsverstärker 70, einem Rückkopplungswiderstand 71 und einem Eingangswiderstand 72. Der Inverter kehrt die Polarität des von dem Operationsverstärker 60 erzeugten Summensignals -V um.

Der erste Integrator 36 besteht aus einem Operationsverstärker 74-1 dessen positiver Eingang über einen Widerstand 76 geerdet ist, sowie einem Rückkopplungskondensator 78 und einem Eingangswiderstand 80. Der zweite Integrator umfaßt einen Operationsverstärker 82, dessen positiver Eingang über einen Widerstand 84 geerdet ist, sowie einen Rückkopplungskondensator 86 und einen Eingangswiderstand 88.

Der Komparator 40 ist als Komparator mit einem toten Bereich dargestellt und umfaßt einen Operationsverstärker 90, dessen positiver Eingang geerdet ist, ein Paar von Dioden und 94, deren miteinander verbundene Anoden über einen Vorwiderstand 96 an eine positive konstante Bezugsspannung +V angeschlossen sind, ein Paar von Dioden 98 und IOO, deren miteinander verbundene Kathoden über einen Vorwiderstand an eine negative konstante Bezugsspannung -V angeschlossen sind, sowie einen Eingangswiderstand 104. Die Widerstände 96, 101 und 104 bestimmten miteinander einen negativen Grenzwert V-z für den toten Bereich sowie den positiven Grenzwert für den toten Bereich, bei dem es sich um den oben erwähnten Bezugswert V₂ handelt. Ist V größer als der Überlast-Bezugswert V₂, so stellt sich das Ausgangssignal V_Q auf einen positiven Wert (in der Praxis +15 V) ein. Ist V größer als Vz aber kleiner als V₂, so ist das Ausgangssignal V_Q Null.

Das Ausgangssignal V des Komparators 40 wird auf eine Begrenzerstufe rückgekoppelt, die ein Paar von mit ihren Anoden zusammengeschalteten und in dem Integrator 36 parallel zu dem Kondensator 78 liegenden Dioden 105 und 10.6 umfaßt. Ist das Ausgangssignal V_Q positiv, so sind die Dioden 105 und 106 in Durchlaßrichtung vorgespannt und drücken das Ausgangssignal des Integrators 36 auf Null. Ist jedoch das Ausgangssignal V negativ, so übt die Begrenzungsstufe keine

709814/0639

~*~ ΑΛ

Wirkung auf den Integrator 36 aus. Mit anderen Worten werden nur positive Werte von V_ integriert. Die Begrenzerstufe

el

dient dazu, den Integrator 36 in einen Anfangszustand derart zu versetzen, daß jede dann auftretende Abweichung der Strom-Überschreitung von einem vorher definierten Bezugspunkt ausgewertet wird.

Eine weitere Begrenzerstufe, die aus einer Diode 108 und Widerständen 110 und 112 besteht - wobei diese Elemente gemäß Figur 2 zwischen eine Bezugsspannung +V und den zweiten Integrator 38 eingeschaltet sind - dient dazu, das Signal V an den Wert V^ der Anfangsbedingung anzuklemmen, wenn das Ausgangssignal des Integrators 36 Null ist. (In der Praxis wird V eigentlich an einen Wert angeklemmt, der etwas stärker negativ ist als V>| , um die in den elektronischen Schaltungselementen verursachte Drift auszugleichen.) Diese Begrenzerstufe gewährleistet, daß jede erneute Abweichung der Stromüberschreitung von einem festen Bezugswert ausgewertet wird, und ist wegen der Toleranzen der elektrischen Schaltungselemente erforderlich.

Gemäß Figur 3 wird angenommen, daß die in dem Überlastdetektor benützten Parameter V£ = 5, V-j = -5, G-j und G£ = 1 , G-Z = 20, sowie G^ und Gc =10 betragen. Durch Einsetzen dieser Werte in Gleichung (6) und Vereinfachen erhält man:

20Ky = (V₁ - V_g)t mit 0 £ Ky ^ 1.

Diese Gleichung ist in Figur 3 für Werte von Ky = 1, 0,5 und 0,1 grafisch dargestellt. Für einen gegebenen Wert der Stromüberschreitung (V₁- - V) kann man aus dem Diagramm entnehmen, daß die Zeit t, die verstreicht, bevor die Einrichtung Überlastung anzeigt, zu der Überlastkonstante direkt proportional ist, die ihrerseits eine Funktion von Ky ist. Für jede andere Wertegruppe für die Parameter des Detektors existiert eine ähnliche Kurvenschar.

In Figur 2 ist der Detektor mit manuell verstellbaren Potentiometern 57 und 58 gezeigt. Der Detektor kann jedoch ohne weiteres auch so modifiziert werden, daß eine externe

7098U/0639

-St -

elektronische Steuerung der von den beiden Einrichtungen erzeugten Parameter Ky und V möglich wird. So läßt sich beispielsweise das Potentiometer 57 ohne weiteres durch eine externe elektronische Signalquelle ersetzen, die das Signal V erzeugt. Als weiteres Beispiel kann das Potentiometer 58 in der Schaltung durch einen Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor ersetzt werden, wobei dieser Verstärkungsfaktor zu einem extern erzeugten Steuersignal proportional ist.

Ein Aspekt der oben beschriebenen Einrichtung besteht darin, festzustellen, daß ein Überlastzustand besteht, wenn das Produkt aus der Stromüberschreitung und der Zeit einen vorgegebenen Wert übersteigt, wie dies durch die Gleichung (6) ausgedrückt ist. Es wird darauf hingewiesen, daß sich das gleiche Ergebnis theoretisch durch Verwendung nur eines einzigen Integrationsschrittes oder auch ohne Rückkopplung erzielen läßt. In der praktischen Ausführung derartiger Varianten mit den heutzutage verfügbaren Schaltungselementen treten jedoch insbesondere in Hochspannungsanwendungen, beispielsweise bei elektrostatischen Niederschlagsapparaten, Schwierigkeiten auf.

7 0 9 8 1 4 / 0 B 3 9

/3

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Schaltung zur Feststellung elektrischer Überlastzustände in einem elektrischen System, gekennze i c h n e t durch einen Monitor (20), der einen elektrischen Parameter in dem elektrischen System überwacht und ein Ausgangssignal (Vj) erzeugt, das den momentanen Absolutwert des überwachten elektrischen Parameters darstellt; eine Schwellenwertsteuerung (30) zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals (V_) mit vorgegebenem Wert; einen Addierer (28), dem a

die Ausgangssignale (V_x, V) des Monitors (20) und der Schwellenwertsteuerung (30) sowie ein Rückkopplungssignal (K_V.V_V) zugeführt werden und der ein Ausgangssignal (V_a) erzeugt, das die Summe der drei zugeführten Signale darstellt; einen ersten Integrator (36), dem das Summensignal (V_) des

et

Addierers (28) zugeführt wird und der ein Ausgangssignal (V_y) erzeugt, das das Integral des Summensignals darstellt; eine zwischen den Ausgang des Integrators (36) und den Eingang des Addierers (28) eingeschaltete Rückkopplungsschleife (32), die das integrierte Signal (V_y) mit vorgegebener Verstärkung (IC.) auf den Addierer (28) rückkoppelt; einen zweiten Integrator (38), dem das integrierte Signal (V_v) des ersten Integrators (36) zugeführt wird, und der ein Ausgangssignal (V ) erzeugt, das das Integral des integrierten Signals (V_v) darstellt; sowie einen Komparator (40), dem das doppelt integrierte Signal (V ) des zweiten Integrators (38) zugeführt

7098U/ÖS39 ,,

wird und der ein überlast anzeigendes Signal (V_Q) erzeugt, wenn die Größe des doppelt integrierten Signals (V ) einen zweiten vorgegebenen Wert (V2) überschreitet.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor (K₇.) der Rückkopplungsschleife (32) einstellbar ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Monitor (20) einen Fühler (22), der ein zu dem Momentanwert des überwachten Parameters proportionales Ausgangssignal erzeugt, sowie einen Gleichrichter (24) umfaßt, dem das proportionale Ausgangssignal des Fühlers (22) zugeführt wird und der ein gleichgerichtetes Signal erzeugt, daß das Absolutv/ertsignal (Vj) bildet.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Komparator (40) ein zweites Ausgangssignal erzeugt, wenn das Überlast anzeigende Signal kleiner ist als der zweite vorgegebene Wert (V₂), und daß zwischen den ersten Integrator (36) und den Komparator (40) eine erste Begrenzerstufe (78, 105, 106) eingeschaltet ist, die das Ausgangssignal (V_y) des ersten Integrators (36) auf im wesentlichen Null klemmt, wenn das zweite Ausgangssignal des Komparators (40) auftritt.

709814/0639

5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e kennze ichnet , daß der Gleichrichter (24) einen ersten Detektor (42), der nur Halbzyklen einer Polarität von in dem überwachten System auftretenden Wechselstromsignalen durchläßt, sowie einen zweiten Detektor (44) umfaßt, der nur Halbzyklen der anderen Polarität der WechseIstromsignale durchläßt und invertiert.

6. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge kennze ichnet , daß der Komparator (40) einen Operationsverstärker (90) umfaßt, dem das doppelt integrierte Signal (V ) zugeführt wird; ferner ein erstes Paar von über ihre Anoden miteinander verbundenen Dioden (92, 94), die zwischen den Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers (90) eingeschaltet sind; ein zweites Paar von über ihre Kathoden miteinander verbundenen Dioden (98, 100), die zwischen den Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers (90) eingeschaltet sind; eine Einrichtung (96), die das erste Diodenpaar (92, 94) zur Festlegung des zweiten vorgegebenen Wertes (V2) auf einen gewählten positiven Wert vorspannt; sowie eine Einrichtung (101), die das zweite Diodenpaar (98, 100) auf einen gewählten negativen Wert vorspannt.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der von der Schwellenwertsteuerung (30) erzeugte vorgegebene Wert (V ) einstellbar

ist.
PS/Ug

7098U/0639