DE2822010C3 - Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz für elektrische Anlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz für elektrische Anlagen mit selbsttätiger Wiedereinschaltung und Wiedereinschaltsperre, bei der wenigstens ein Überstromfühler und wenigstens ein Heizelement in den Stromkreis geschaltet sind und bei der in dem angeschlossenen Gerät die Stromstärke direkt oder die Temperatur als Ausschaltkriterium herangezogen werden.

Zum Schutz elektrischer Anlagen und Maschinen gegen Überlastungen, die zu einer unzulässigen Erwärmung führen, werden Einrichtungen verwendet, die im Überlastungsfall selbsttätig die Stromzufuhr unterbrechen. Als Kriterium für den Überlastungsfall dient meistens die Stromstärke (Überstromschutz). Es kann aber auch unmittelbar die Temperatur an den zu schützenden Anlageteilen herangezogen werden. Letzteres Verfahren eignet sich vor allem zum Schutz einzelner Geräte und wird insbesondere bei Motoren mit stark wechselnder Belastung angewandt (Motorvollschutz). Als auslösende Schaltelemente dienen temperaturabhängige Schalter, wie z. B. Bimetallrelais oder kontaktlose Schalter (keramische Kaltleiter), die entweder durch den Strom mittels geeigneter Heizwicklungen erwärmt werden oder direkt in das zu schützende Gerät eingebaut sind.

Ein keramischer Kaltleiter im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Bauelement, das aus einem nach keramischem Verfahren hergestellten Körper besteht, der aus einem Material auf der Basis von ferroelektrischem, Perowskitstruktur besitzendem Material auf der Basis von Bariumtitanat besteht, das durch perowskitgitterfremde Elemente, wie z. B. Yttrium, Lanthan, Seltene Erden und andere, n-leitcnd gemacht ist, sowie andere, als Gegendotierung wirkende Elemente wie z. B. Kupfer, Kobalt, Nickel, Mangan, Eisen und andere, enthalten kann. Aus solschen Materialien, die hinreichend bekannt und in vielen Literaturstellen beschrieben sind, hergestellte Körper sind polykristallin und werden mit Metallschichten belegt, die als Stromzuführungen dienen und an denen ggf. auch äußere Stromzuführungselemente angelötet sind. Im Bereich der Curietemperatur des Materials steigt der Widerstandswert mit zunehmender Temperatur steil an und nimmt um etwa 4 Zehnerpotenzen höhere Werte an, z. B. von 20 Ohm · cm auf 2 · 10⁵ Ohm ■ cm.

Im Falle der Überlastung einer elektrischen Anlage oder einer elektrischen Maschine ist das völlige Ausschalten nicht immer erforderlich, sondern es ist meist erwünscht, daß nach Wegfall der Überlastung die Anlage wieder eingeschaltet wird.

Eine selbsttätige Wiedereinschaltung kann durch eine automatische Prüfeinrichtung veranlaßt werden,

ι ο die nach erfolgter Abschaltung den Widerstand im angeschlossenen Stromkreis mißt. Dieses Verfahren ist jedoch nicht in allen Fällen anwendbar. Zum Beispiel ist beim Überlastschutz eines Motors nach dem Abschalten (d.h. bei stillstehendem Motor) das Bestehen einer Überlastung durch eine Widerstandsmessung nicht erkennbar. In einem solchen Fall ist es möglich, die Temperatur (z. B. der Motorwicklung) als Wiedereinschaltkriterium heranzuziehen. Die Schaltung ist dann so zu gestalten, daß automatisch wieder eingeschaltet wird, sobald sich die temperaturabhängigen Schaltelemente, die bei Überlastung die Abschaltungen bewirken, wieder genügend abgekühlt haben. Es muß dann aber dafür gesorgt werden, daß bei andauernder Überlastung (z. B. bei Blockierung des Motors) diese Einschaltversuche nicht unbegrenzt wiederholt werden. Ferner soll bei sehr starken Überlastungen (Kurzschlüssen) das automatische Wiedereinschalten unterbleiben.

In Anlagen ohne örtliches Bedienungspersonal ist

jo es häufig erwünscht, daß nach Ansprechen des Überlastungsschutzes automatisch wieder eingeschaltet wird, wenn es sich nur um eine vorübergehende Überlastung handelt. Andererseits soll bei anhaltender Überlastung ein völliges Abschalten bewirkt werden.

Diese Aufgabe liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Schaltung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit einem Hilfsrelais ein keramischer Kaltleiter geschaltet ist, der durch einen Arbeitskontakt des Hauptrelais überbrückt wird, wobei das Hilfsrelais in Verbindung mit den Tasten »Ein« und »Aus« zugleich der manuellen Ein- bzw. Ausschaltung des Gerätes dient.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit außer den Temperaturfühlern, die den eigentlichen Überlastungsschutz bewirken, ein weiteres temperaturabhängiges Schaltelement, nämlich ein keramischer Kaltleiter verwendet, der so geschaltet ist, daß er im Normalbetrieb nicht erwärmt wird, sondern nur nach Ansprechen des Überlastungsschutzes an Spannung gelegt wird, wodurch seine Temperatur infolge Eigenerwärmung allmählich ansteigt.

Der damit verbundene Widerstandsanstieg unterbindet bei Erreichen einer bestimmten Grenztemperatur die Wiedereinschaltung der Anlage. Dagegen findet eine Wiedereinschaltung statt, wenn vor Erreichen der Grenztemperatur die Überlastfühler genügend abgekühlt sind. Hierdurch wird nun auch der

Wi zusätzliche Kaltleiter spannungslos und kühlt wieder ab. Spricht der Überlastschutz wegen andauernder Überlastung nach kurzer Zeit abermals an, wiederholen sich diese Vorgänge, nur daß jetzt die Erwärmung des Zusatzkaltleiters von einer höheren Anfangstem-

<i5 peratur aus erfolgt. Durch entsprechende Dimensionierung dieses Kaltleiters läßt es sich erreichen, daß jetzt die Grenztemperatur tatsächlich erreicht und somit eine zweite Wiedereinschaltung verhindert wird.

Je nach Wunsch kann auch eine größere Anzahl von Einschaltversuchen zugelassen werden, ehe die beschriebene Sperre wirksam wird. Diese Anzahl wird aber auch von der Höhe der Überlastung bestimmt, denn bei starker Überlastung ist die Zeitspanne zwischen Einschaltung und neuerlicher Abschaltung so kurz, daß sich der Zusatzkaltleiter nur wenig abkühlen kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Schaltungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. I die Schaltung, und

Fig. 2 den prinzipiell zeitlichen Verlauf der Stromstärke.

In den drei Phasenleitungen R, S, T, die vom Netz kommen, sind Üljerstromfühler angeordnet, die aus je einem keramischen Kaltleiter 6, 7, 8 und einem Heizelement 9, 10, 11 bestehen. Der Nulleiter Mp und die Fortsetzung der Phasenleitungen R, S und T führen weiter zum Verbraucher, beispielsweise zur elektrischen Anlage oder zu dem elektrischen Gerät, das ein elektrischer Motor sein kann.

Anstelle dieser Kombinationen aus^Kaltleiter und Heizelement können auch herkömmliche Bimetallrelais verwendet werden. Die Schaltung gilt sinngemäß auch dann, wenn anstatt der Stromstärke direkt die Temperatur in einem angeschlossenen Gerät als Ausschaltkriterium herangezogen werden soll, z. B. beim Motorschutz. In diesem Fall stellen die Heizelemente 9, 10 und 11 unmittelbar die Verbraucherwiderstände, nämlich die Motorwicklungen, dar.

Die Fühler-Kaltleiter 6, 7 und 8 bewirken oei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur das Abfallen eines Hauptrelais 4 und damit über Kontakte 12,13 und 14die Abschaltung des Verbrauchers bei Überlastung. Nach Abkühlung der Fühler-Kaltleiterauf einen vorbestimmten Wert zieht das Relais 4 wieder an. Besteht die Überlastung nach wie vor, so kommt es nach kurzer Zeit abermals zur Abschaltung. Diese Vorgänge würden sich bei andauernder Überlastung unbegrenzt wiederholen.

Um dies zu verhindern, wird erfindungsgemäß ein weiterer keramischer Kaltleiter 2 verwendet, der in Reihe mit einem Hilfsrelais 1 geschaltet ist und durch einen Arbeitskontakt 3 des Relais 4 überbrückt wird. Das Relais 1 dient in Verbindung mit den Tasten »Ein« (S) und »Aus« (5') zugleich der manuellen Einbzw. Ausschaltung der elektrischen Anlage; während die Fühler 6, 7 und 8 durch den Strom, der über das Relais 4 fließt, keine wesentliche Eigenerwärmung erfahren dürfen, ist der Kaltleiter 2 so dimensioniert, daß durch den Strom des Relais 1 seine Temperatur und damit sein Widerstand allmählich zunimmt, bis die Stromstärke schließlich unter die Abfallschwelle des Relais 1 sinkt. Dadurch wird die Anlage über den Kontakt 15 abgeschaltet und, da auch der Selbsthaitekontakt 16 öffnet, gegen eine selbsttätige Wiedereinschaltung gesperrt.

Der keramische Kaltleiter 2, der durch den Kontakt 3 überbrückt wird, bleibt im Normalbetrieb kalt. Er beginnt sich erst nach Ansprechen des Überlastungsschutzes zu erwärmen. n;.»_s soll während der Dauer der ersten Abschaltung nach Eintreten der Überlastung noch nicht zum Abfallen des Relais 1 führen, damit eine selbsttätige Widereinschaltung

möglich wird. Findet jedoch nach kurzer Zeit eine weitere Abschaltung statt, so erwärmt sich der Kaltleiter 2 auf eine höhere Temperatur, weil er sich in der vorangegangenen Einschaltphase nicht völlig abkühlen konnte. Wie oft selbsttätig wieder eingeschaltet wird, ehe das Relais 1 abfällt, hängt außer von der Dimensionierung der Schaltung auch von der Höhe der Überlastung ab, denn diese bestimmt die Dauer der Einschaltphasen und damit die Kühlpausen für den Kaltleiter 2. Je stärker die Überlastung ist, desto weniger Einschaltversuche werden unternommen. Hierdurch wird der Verschleiß der Schaltkontakte in Grenzen gehalten.

Zur Verdeutlichung der Vorgänge in der erfindungsgemäßen Schaltung ist in Fig. 2 der prinzipielle zeitliche Verlauf der Stromstärke dargestellt, und zwar in drei Diagrammen, nämlich

a) im Verbraucherkreis,

b) im Stromkreis des Hauptrelais 4, und

c) im Stromkreis des Hilfsrelais 1.

In diesen drei Diagrammen der Fig. 2 ist jeweils die Stromstärke / gegen die Zeit t aufgetragen.

Im Diagramm a) der Fig. 2 ist mit 17 zunächst der Normalbetrieb dargestellt. Bei 18 ist Überlastung und bei 19 ist Abschaltung eingetreten. Nach der Wiedereinschaltung liegt mit 20 ebenfalls Überlastung vor, so daß bei 21 erneut abgeschaltet und bei 22 erneut eingeschaltet ist. Bei 23 ist abgeschaltet und bei 24 die Einschaltspene zur Wirkung gekommen.

Im Diagramm b) der Fig. 2 ist mit 25 die Anzugsschwelle des Relais 4 und mit 26 die Abfallschwelle des Relais 4 vermerkt.

Im Diagramm c) der Fig. 2 sind die Verhältnisse im Stromkreis des Relais 1 dargestellt, mit 27 ist die Anzugsschwelle sowie mit 28 die Abfallschwelle dieses Relais bezeichnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist der Fall angenommen, daß die Einschaltsperre nach zwei Wiedereinschaltungen wirksam wird. Man erkennt insbesondere, wie der Strom im Relais 1 in jeder Abschaltphase kleinere Endwerte annimmt, bis er schließlich die Abfallschwelle 28 erreicht.

Die Schaltung nach Fig. 1 kann in verschiedener Weise ergänzt oder modifiziert werden. So kann z. B. durch zusätzliche Kontakte am Relais 1 das Eintreten der Einschaltsperre optisch oder akustisch signalisiert werden. Die Relaissteuerung kann auch von einer Hilfsstromquelle, z. B. mit Gleichstrom, gespeist werden. Die einzelnen Kaltleiter müssen selbstverständlich den jeweiligen Relaiswiderständen angepaßt werden. Der Kaltleiter 2 muß nicht für eine Dauerbelastung dimensioniert werden, da er seine stationäre Endtemperatur, nämlich das Wärmegleichgewicht mit der Umgebung, infolge des Abfalles des Relais 1 ohnehin nicht erreichen kann.

In vielen Fällen wird der Überlastungsschutz durch schnellwirkende Auslöseelemente ergänzt, die bei sehr starken Überlastungen, z. B. bei Kurzschlüssen, eine unverzügliche Abschaltung bewirken sollen. In diesem Fall darf keine Wiedereinschaltung stattfinden. Dies läßt sich in der Schaltung nach Fig. 1 dadurch erreichen, daß die Schnellauslöser den Stromkreis des Relais 1 unmittelbar unterbrechen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung zum Überlastungsschutz für elektrische Anlagen mit selbsttätiger Wiedereinschaltung und Wiedereinschaltsperre, bei der wenigstens ein Überstromfühler und wenigstens ein Heizelement in den Stromkreis geschaltet sind und bei der in dem angeschlossenen Gerät die Stromstärke direkt oder die Temperatur als Ausschaltkriterium herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit einem Hilfsrelais (1) ein Kaltleiter (2) geschaltet ist, der durch einen Arbeitskontakt (3) des Hauptrelais (4) überbrückt ist, wobei das Hilfsrelais (1) in Verbindung mit den Tasten »Ein« (S) und »Aus« (5') zugleich der manuellen Ein- bzw. Ausschaltung des Gerätes dient.