DE2936319C2

DE2936319C2 - Digitale Einrichtung zur Kurzschluß-, Überstrom- und Schieflastsicherung von elektrischen Leistungsverbrauchern

Info

Publication number: DE2936319C2
Application number: DE19792936319
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. 2350 Neumünster Meyer; Hans-Eberhard Dipl.-Ing. 6078 Neu Isenburg Siebert; Wilfried Dipl.-Ing. 6100 Darmstadt Virt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1979-09-08
Filing date: 1979-09-08
Publication date: 1984-11-29
Also published as: DE2936319A1

Description

Die Erfindung betrifft eine digitale Einrichtung zur Kurzschluß-, Überstrom- und Schieflastsicherung von elektrischen Leistungsverbrauchern, bestehend aus einem Dateneingabefeld zur Eingabe von Betricbsparametern, einem Nulldurchgangsdetektor für mindestens einen der Phasenströme, einem Komparatorkreis, welchem eine analoge Spannung eines Digital-Analog-Wandlers und aus den Phasenströmen abgeleitete, gleichgerichtete Spannungen eines Meßwertgebers zugeführt sind, wobei aus dem Vergleich ein digitaler Wert abgeleitet wird, einem aus Verknüpfungsgliedern bestehenden Logikschaltkreis zur Auswahl der zu messenden Phasenströme, und einem Steuerwerk, welches durch Ausgabe digitale: Wörter und Steuertakte den funktionalen

Ablauf der Einrichtung bestimmt.

Eine derartige Einrichtung ist aus de DE-AS 26 09 654 bekannt und derart ausgelegt, daß abwechselnd ein Meß/Speicherzyklus und ein Rechenzyklus auftritt. Im Meß/Speicherzyklus erfolgt über einen bestimmten Zeitabschnitt eine Kurzschlußüberwachung aller drei Phasenströme, indem die Steuereinrichtung an den Digital-Analog-Wandler ein einem bestimmten Kurzschlußstrom entsprechendes digitales Wort ausgibt, welches in eine entsprechende analoge Spannung umgesetzt wird, die mit aus den Phasenströmen abgeleiteten Meßspannungen verglichen wird. Bei einem Kurzschluß in einer der Phasen ergibt sich eine entsprechend erhöhte Meßspannung, so daß der Komparatorkreis eine die Abschaltung bewirkende Kurzschlußstrommeldung ausgibt. An diese Kurzschlußstromüberwachung schließt sich über einen bestimmten Zeitabschnitt in ähnlicher Weise eine Überstrommessung für eine Phase an, indem die Steuereinrichtung im Zeitraum des Strommaximums digi-

tale Wörter an den Digital-Analog-Wandler ausgibt, bis der Scheitelwert ermittelt ist. An diese Überstrommessung schließt sich wieder eine Kurzschlußstromüberwachung an, bevor eine Überstrommessung für de nächste Phase erfolgt. Nach der Überprüfung aller drei Phasen schließt sich ein Rechenzykius über einen Zeitraum an, der etwa dem des Meß/Speicherzyklus entspricht. Danach beginnt wieder ein Meß/Speicherzyklus, dann ein Rechenzyklus usw.

Für die Kurzschlußstromüberwachung wird bei der bekannten Einrichtung der Scheiteiwert der Phasenströme zugrundegelegt, der größer als der von der Steuereinrichtung vorgegebene Kurzschlußstromwert sein muß. Es vergeht damit tür Kurzschlußströme, die in der Größe des vorgegebenen Wertes liegen, eine relativ lange Zeit, ehe abgeschaltet wird. Der den Überstrom bestimmende Rechenzyklus folgt stets den Scheitelwertmessungen, so daß sich eine »lückende« Berechnung ergibt (Zeitlücke 20 ms).

Aus »Siemens-Zeitschrift« 50, 1976, Heft 8, S. 551 bis 554. ist auch ein Motorüberlastschutz bekannt, bei welchem zwecks Bildung eines Erwärmungs-Abkühlungsmodclls Tür die Last der größte Phasenstrom analog quadriert wird, und dieser quadrierte Strom wird einem Anlog-Frequenzumselzcr zugeführt, dem ein binärer Zähler nachgeschaltet ist. Dieser Zähler erfüllt die Aufgabe des bei den üblichen analogen Überstromauslösern verwendeten Kondensators. Der Erwärmungs-Abkühlungsmodcllnachbildung liegt also eine digitale Zählung zugrunde, die den Erwärmungsprozeß mit Hilfe nur einer Zcitkonstante beschreibt. Um Motore im Grenzbereich ihrer Belastung sicher überwachen zu können, wird ein Erwärmungs-Abkühlungsmodell benötigt, welches sich mittels zweier Zeitkonstanten beschreiben läßt. Das mit der bekannten Ausbildung erreichbare Erwärmungs-Abkühlungsmodell wird für eine Mehrzahl vom Motortypen herangezogen; sollen unterschied-

liehe Motoren im Grenzbereich ihrer Belastung betrieben werden. So treten wegen des nur einen Erwärmungs-Abkühlungsmodells beträchtliche Ungenauigkeiten in der Nachbildung auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine digitale Einrichtung zur Kurzschluß-, Überstrom-und Schieflastsicherung mit verkürzter Reaktionszeit im Kurzschlußfall verfügbar zu machen, die auch einen sicheren Betrieb eines 'Verbrauchers im Grenzbereich der Belastung ermöglicht. S

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, üaß zur Kurzschlußstromerfassung in einem digitalen Speicher stehende, «us mittels Einstellung am Dateneingabefeld erhaltenen Kurzschlußabschaltwerten und vorgegebenen Stromwinkelwerten gebildete Kurzschlußstrom-Konstanlenwerte mit den aktuellen Werten der digitalisierten Phasenströme verglichen werden, daß zur Überstromerfassung der jeweils größte ermittelte Phasenstrom als digitales Wort und aus für den zu sichernden Leistungsverbraucher gegebenen mechanischen und thermischen Daten abgeleitete und am Dateneingabefeld mittels Einstellung aufrufbare Erwärmungs-Abkühlungsmodell-Konstantenwerte als digitale Wörter einem digitalen Rechenwert zur Nachbildung eines Erwärmungs- bzw. Abkühlungsmodells des zu sichernden Leistungsverbrauchers zugeführt sind, welches aus dem größten Phasenstrom eine die Erwärmung des zu sichernden Verbrauchers hervorrufende Wärmemenge ermittelt, die als digitales Wort mit einer vorgegebenen digitalen Höchst-Wärmemenge verglichen wird und welches bei einer Grenz-Wertüberschreitung eine der Abkühlung des Leistungsverbrauchers entsprechende Wärmemenge ermittelt, die als digitales Wort mit einem vorgegebenen digitalen Grenzwert verglichen wird, bei dessen Erreichen eine Wiedeieinschaltung des Leistungsverbrauchers möglich wird, daß zur Schieflasterfassung der jeweils größte ermittelte digitalisierte Phasenstrom mit den we/teren digitalisierten Phasenströmen verglichen wird und daß bei einer durch einen Grenzwert bestimmten Differenz zwischen dem größten digitalisierten Phasenstrom und den weiteren digitalisierten Phasenströmen eine Abschaltung des Leistungsverbrauchers erfolgt.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine sehr schnelle Kurzschlußerkennung erreicht ist und eine Abschaltung bereits nach <2 ms erfolgt. Die Berechnung, Kurzschlußkontrolle und Strommessung erfolgt im Zeitmultiplexverfahren, so daß die Einrichtung durch einfache Einstellung von Hand an die unterschiedlichsten Maschinen bezüglich des Überstroms durch Auswahl von Erwärmungs-Abkühlungsmodellen anpaßbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 2 die genauere Ausbildung eines für die Ermit'Iung des Überstromes herangezogenen digitalen Rechen-Werkes,

Fig. 3 ein Diagramm mit Funktionsabläufen an bestimmten Punkten der Einrichtung, Fig. 4 einen Ausschnitt des Anfangs des Diagramms in vergrößertem Zeitmaßstab,

Fig. 5 eine Tabelle mit fur unterschiedliche Maschinentypen gegebene und bekannte mechanische und thermische Daten und Zuordnung derselben zu einem Schalter der Einrichtung.

Die Einrichtung nach der Fig, 1 umfaßt einen Kurzschlußabschaltkreis A, einen Überstromabschaltkrcis B und einen Schieflastabschaltkreis C.

Der Kurzschlußabschaltkreis A besteht aus einem Meßwertgeber 1, welcher den Phasenströmen /*, /_A /7- entsprechende gleichgerichtete Spannungen w_Ä, u_s, 1/7 ausgibt, wie sie in der F i g. 3 dargestellt sind, einem nachgeschalteten, drei Komparatoren 2,3,4 umfassenden Komparatorkreis 5, welcher einen aus drei UND-Stufen 6,7,8 und einer ODER-Stufe 9 bestehenden Logikschaltkreis 10 ansteuert, aus einem Kurzschlußabschaltrelais Il mit einem in den Phasenleitungen R, S, T angeordneten Schalter 12, einem Digital-Analog-Wandler 13, einem Steuerwerk 14, einem aus Kodierschaltern 15 bis IS bestehenden Daten-Eingabefeld 19, einem Nulldurchgangsdetektor 20; die beschriebene Ausbildung ist grundsätzlich bekannt und ist auch beim Überstromabschaltkreis B und beim Schieflastabschaltkreis C verwendet, also nur einmal vorgesehen. Der Kurzschlußabschaltkreis A umfaßt ferner ein digitales Rechenwerk 21 und einen Speicher 22.

Am Schalter 17 sind codiert Nennströme /_v von beispielsweise 1,25 A bis 800 A einstellbar, am Schalter U Kurzschlußfaktoren X (Vielfache vom Nennstrom I_n) von beispielsweise 3 - /# bis 10 ■ I_n; mit dem Schalter U sind Kurzschluß-Abschaltseitverzögerungen 7Ά von beispielsweise 5 ms bis 280 ms einstellbar.

Die an den Schaltern 17,18 eingestellten digitalen Wörter des Nennstromes I_n und des Kurzschlußfaktors X so gelangen an das als Multiplizierer ausgebildete digitale Rechenwerk 21, welches eine Multiplikation von Nennstrom I_n, Kurzschlußfaktor X und festgelegten Sinuswerten nach der Formel X-I_n- sin «durchführt. Die digitalen Ergebnisse des Rechenwerkes 21 werden ir den beispielsweise aus sechs Zellen bestehenden Kurzschlußkontrollspeicher 22 eingeschrieben.

Das Übernehmen der an den Schaltern 17,18 eingestellten digitalen Wörter in das Rechenwerk 21, die Berech- SS nung X-I_n- sin a, die Übernahme der berechneten Kontrollwörter in den Speicher 22 und die Ausgabe dieser Kontrollwörter an den nachgeschalteten Digital-Analog-Wandler 13 erfolgt mittels Ausgabe von Signalen ciurch das Steuerwerk 14, welches ein nicht weiter dargestelltes Taktwerk und einen Bitgenerator enthält.

Beim Überstromabschaltkreis B ist ebenfalls der Meßwertgeber 1, der Komparatorkreis 5, der Logikschaltkreis M und der Digital-Analog-Wandler 13 herangezogen, welcher nunmehr jedoch zwecks Erfassung der Scheitelwerte der Phasenströme I_K, /_A /_r digitale Wörter vom Bitgenerator des Steuerwerkes 14 erhält. Dem Überstromabschalkreis B liegt die Nachbildung des thermischen Verhaltens elektrischer Maschinen 23 oder sonstiger elektrischer Lasten zugrunde; hierfür ist vorgesehen, eine Anordnung M zur Ermittlung des maximalen Phasenstromes I_M, welcher in einen Maximalwertspeicher 31 eingelescn wird. Ferner ist vorgesehen, eine Erwärmungs-Abkühlungsmodell-Speichereinheit 32, welche weiter unten naher erläuterte, aus gegebenen mechanischen und thermischen Maschinendaten abgeleitete, als digitale Wörter dargestellte Konstanten Κ_ε], bis Κει ι enthält, die mittels des Schalters 15 aufrufbar sind und mit dem jeweils größten, als digitales Wort dargestellten Phasenstrom /_w einem aus digitalen Multiplizierern mit nachgeschalteten digitalen Summiergliedern

und Vergleichern bestehenden Erwärmungs-Abkühlungsmodell-Rechenwerk 40 zugeführt sind. Die digitalen Wörter des Rechenwerkes 40 werden verglichen mit in Speichern 60 und 61 enthaltenen, als digitale Wörter dargestellten Grenzwerten 1,1 · /^, und I_n der am Schalter 17 eingestellten Nennströme I_n. Die Ausgangssignaleder Vergleicher des Rechenwerkes 40 wirken über das Steuerwerk 14 auf ein Überstromabschaltrelais 62.
s Die Scheitelwertmessung erfolgt im Überstromabschaltkreis B, indem das Steuerwerk 14 an den Digital-Analog-Wandler 13 in schneller Folge derart sich ändernde digitale Wörter ausgibt, daß sich die analoge Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 13 der Spannung des Meßwertgebers 1 nähert, und bei Übereinstimmung beider Spannungen gibt der Logikschaltkreis 10 ein Scheitelwertsignal Swan das Steuerwerk 14, welches mittels des Bitgenerators ein dem Scheitelwert entsprechendes digitales Wort der Einrichtung 30 zur Ermittlung

ίο des maximalen Stromes /_v zuführt, der damit im Speicher 31 zur weiteren Berechnung zur Verfügung steht. Die Einleitung der Scheitelwertmessung, die Ansteuerung des Digital-Analog-Wandlers 13 mit digitalen Wörtern, die Eingabe der digitalen Scheitelwerte in die Strommaximum-Ermittlungsanordnung 30, das Auslesen der in der Speichereinheit 32 enthaltenen Konstanten K_E\, bis K_{Eh h} die Übernahme derselben in das Rechenwerk 40 und die Einleitung der Berechnung erfolgt durch entsprechend auftretende Signale des Steuerwerks 14.

is Beim Schieflastabschaltkreis Cist der Speicher 31 für den maximalen Strom l_M herangezogen; ferner ist ein digitaler Speicher 70 vorgesehen, weicher die vom Steuerwerk Ί4 ausgegebenen Werte der Ströme /_Λ /_Λ /_r als digitale Wörter aufnimmt und dem ein als digitales Subtrahierglied ausgebildetes Rechenwerk 71 nachgeschal- ,

tet ist, dessen gegenüber den Strömen /* /_Ä /_rum 25% verringerte digitale Ergebnisse mittels eines Komparator- :

kreises 72 mit dem im Speicher 31 enthaltenen maximalen Strom /_Mverglichen werden. Liegt eine Differenz von 25% zwischen dem maximalen Strom /«und den jeweils anderen beiden Strömen vor, so gibt der Komparatorkreis 72 ein Signal Sm aus, und es erfolgt über das Abschaltrelais 62 eine Abschaltung der Last 23.

Die Wirkungsweise der Abschaltkreise wird nachstehend an Hand der Diagramme nach den F i g. 3a, 3b, 4 und der genaueren Ausbildung des Erwärmungs-Abkühl ungsspcicher 32 und des zugeordneten Rechenwerkes 40 nach F i g. 2 näher erläutert.

^2S Kurzschlußkontrolle ,

Nach der Inbetriebnahme der Einrichtung werden zu einem beliebigen Zeitpunkt fc an den Codierschaltern 17,18entsprechend dem Typ der vorliegenden Last 23 (Maschine) der Nennstrom I_Nund der Kurzschlußfaktor X eingestellt. Die erfolgte Einstellung wird dem Steuerwerk 14 über die Leitung £a(Fig. 1 A) gemeldet, welches

zum Zeitpunkt t, ein Signal £üzwecks Übernahme der digitalen Wörter X, l_N'in das Rechenwerk 21 ausgibt und kurz darauf zum Zeitpunkt % ein Signal Kb zur Berechnung der Kontrollwerte. Das Rechenwerk 21 berechnet ab diesem Zeitpunkt eine Mehrzahl von Kurzschlußkontrollwerten nach der Formel X-Is- sin <r, als sin et-Werte sind beispielsweise sin 15°el, sin45°el, sin 75°el, sin 105°el, sin 135°el und sin 165°el gewählt. Die Berechnung ist zum Zeitpunkt 6 abgeschlossen, und mit Auftreten des Signals ATswerden die Rechenergebnisse vom Kurzschlußkonstantenspeicher 22 übernommen, so daß in diesem als digitale Wörter sechs Kurzschluß-Konstanten X-In- sin al bis X ■ I_n · sin a6 stehen.

Zum Zeitpunkt u. tritt nach den vorstehend beschriebenen Schritten der erste Nulldurchgang 0 der vom Phasenstrom I_K abgeleiteten Meßspannung u_R in Aufwärtsrichtung auf, welcher den Nulldetektor 20 aktiviert, dessen Signal M/das Steuerwerk 14 ansteuert, welches synchron zu diesem Nulldurchgang innerhalb des HaIbperiode der Spannung u_x zu den mit den vorgegebenen sin α-Werten korrespondierenden Zeitpunkten U₁, t), fe, *o, Ai, 43 sechs Aufruftakte Kk an den Kurzschlußkonstantenspeicher 22 ausgibt, so daß zu jedem dieser Zeitpunkte praktisch gleichzeitig drei diesen Zeitpunkten zugeordnete Kurzschluß-Konstanten am Digital-Analog-Wandler 13 anstehen; wie aus der Fig. 4 ersichtlich, ist dies zum Zeitpunkt i_s für die Phase R die durch KW1 bezeichnete Konstante X ■ I_n- sin 15° el, für die Phase S die durch KWl bezeichnete Konstante X-I_n- sin 75° el, für die Phase 7" die durch KWS bezeichnete Konstante X ■ I_n · sin 135° el; zum Zeitpunkt f, sind dies für die Phasen R, S, T die mit KWA bis KWS bezeichneten Konstanten X · I_n - sin 45°el, X -I_n- sin 105°el, X ■ I_n- sin 165°el; zum Zeitpunkt /„ sind es für die Phasen R, S, T die Konstanten X-I_n- sin 75° el, X -I_n- sin 135° el. Λ" -I_n- sin 15° el; zum Zeitpunkt t_m sind es für die Phasen R, S, Tdie Konstanten X ■ I_n ■ sin \05°e\,X ■ I_n- sin 165° el, X -I_n- sin 45° el; Zum Zeitpunkt r_n sind es für die Phasen R, S, T die Konstanten X-I_n- sin 135° el, X-I_n- sin 15° el, X-I_n- sin 75° el; zum Zeitpunkt <j₃ sind es für die Phasen R, S, T die Konstanten X-I_n- sin 165° el, X-I_n- sin 45° el, X I_n- sin 105° el.

in der folgenden Haibperiode der Spannung u_R treten wiederum sechs Aufruftakte Kk&ui, wie dem Diagramm nach der Fig. 4 zu entnehmen ist, und es werden wieder die vorstehend erwähnten Konstanten an den Digital-Analog-Wandler 13 gelegt. Zum Zeitpunkt fo beginnt eine neue Periode der Phase R, der Nulldetektor ZO erfaßt *

wieder den in aufsteigender Richtung liegenden Nulldurchgang und gibt ein Signal M/an das Steuerwerk 14, und ;

damit erfolgt wiederum eine mit dem Nulldurchgang synchronisierte Ausgabe von zwölf Aufruftakten ATA:über diese Periode der Phase R usw.

Mit dem Zeitpunkt * erfolgt also eine laufende Aufrufung von jeweils drei Konstanten ATWl, KWl, KWi ~j

bzw. KWi, KWS, KWi im Abstand von 30° el, die zur Überprüfung des Winkels der Phasenströme I_K, I_s, h

M) herangezogen sind.

An den Komparatoren 2,3.4 stehen einerseits den digitalen Konstanten KWlbisKWi entsprechende analoge Spannungen u„ des Digital-Analog-Wandlers 13 und andererseits die aktuellen Istwerte der drei vom MeB- {'· wertgeber 1 gelieferten Phasenspannungen u_K, u_s, u_T an; der Logikschaltkreis 10 erhält vom Steuerwerk 14 den Aufruftakten Kk entsprechende Signale Kk und wird damit zu den gleichen Zeitpunkten aktiviert Ist nun der _v

aktuelle Wert der Phasenströme zu diesen Zeitpunkten größer als durch die Einstellung X ■ I_n und den jeweiligen ^;

sin α- Wert festgelegt, so besteht Ungleichheit zwischen den aktuellen Spannungen u«, u_s, u_T und den Ausgangsspannungen «„ des Digital-Analog-Wandlers 13, so daß die Komparatoren 2,3,4 Signale an die Verknüpfung^- ~% glieder des Logikschaltkreises 10 geben, dessen Kurzschlußsignal Km dem Steuerwerk 14 zugeführt ist, welches das ^

Kurzschlußabschaltrelais U aktiviert, so daß der Phasenschalter 12 öffnet und die Last 23 abgeschaltet wird. ^L Es werden also die Zeitwerte aller drei Ströme kontrolliert, und eine Abschaltung erfolgt nicht beim Spitzenwert des Kurzschlußstromes, sondern bereits vor Erreichen desselben.

Zum Zeitpunkt tu (Fig. 3b) möge ein Kurzschlußstrom in der Phase R bei 15°el auftreten; entsprechend erzeugt der Komparator 2 ein Ausgangssignal, welches über die zu diesem Zeitpunkt durch das Steuerwerk 14 geöffnete UND-Stufe 6 und ODER-Stufe 9 als Kurzschlußmeldung Km an das Steuerwerk 14 gelangt, das die Aktivierung des Relais U bewirkt.

Durch entsprechende Einstellung des Codierschalters 16 kann eine Abschaltverzögerung T_K bei Kurzschlußstrom erfolgen.

Durch die jeweils zwölf Kurzschlußkontrollen innerhalb einer Periode der Phasenströme /_Ä, I₅, I_T wird im Kurzschlußfall eine sehr schnelle Abschaltung erreicht.

Überstromerfassung

Zur Überstromerfassung erfolgt eine Scheitelwerlmessung der Phasenströme, für welche die abgeleiteten Meßspannungen u.. u_& u_T des Meßwertgebers 1 herangezogen sind. Auch die Scheitelwertmessung ist mit dem in aufsteigender Richtung auftretenden Nulldurchgang 0 der Phase R synchronisiert; das Taktwerk des Steuer-Werkes 14 erzeugt Taktfolgen /s, //, /r, deren Tkkte einen gegenseitigen Abstand von 60°el haben, wobei der erste Takt der Folge Aj nach dem Nulldurchgang 0 zum Zeitpunkt 4 auftritt, der im Zeitbereich α des Scheitelwertes der Phase Sliegt, wie insbesondere der Fi g. 4 zu entnehmen ist; danach tritt zum Zeitpunkt h der erste Takt der Folge //-auf, der im Zeitbereich b des Scheitel wertes der Phase R liegt, worauf zum Zeitpunkt I_n der erste Takt der Folge It im Zeitbereich cdes Scheitel wertes der Phase T auftritt; diese Scheitelwertmessung der drei Phasenströme wiederholt sich kontinuierlich.

Die Scheitelwertmessung erfolgt in den Zeitbereichen 6a, 96,12c usw., indem der Bitgenerator des Steuerwerkes 14 digitale Wörter an den Digital-Analog-Wandler 13 ausgibt, bis dessen Ausgangsspannung t*> mit dem Scheitelwert der jeweiligen Meßspannung übereinstimmt.

Die digitalen Wörter der Scheitelwerte werden mit Auftreten des Signals Im des Steuerwerks 14 zum Zeitpunkt ή« von der Einrichtung 30 zwecks Ermittlung des größten Phasenstromes und vom Speicher70 zur Ermittlung der Schieflast (Abschaltkreis C) übernommen. Der von der Einrichtung 30 ermittelte maximale Strom I_M gelangt als digitales Wort in den Spitzenwertspeicher 31 und wird in Verbindung mit der Erwärmungs-Abkühlungsmodell-Konstantenspeichereinheit 32 und dem Rechenwerk 40 zur Erwärmungs-Abkühlungsmodellberechnung herangezogen.

Die Erwärmungsmodellberechnung erfolgt zyklisch, solange kein Abschaltkriterium erfüllt ist; sie erstreckt sich beispielsweise über 200 ms entsprechend 10 Perioden.

Durch das Rechenwerk 40 wird ein Wärmemodell realisiert, das bei eingeschalteter Belastung durch die Gleichung

Ii-Ih(I-K_E)ll-c-^l/rEl) + K_E{\-t-^l/r") (1)

definiert ist; K_t: ist eine gegebene mechanische und 7El, TE 1 sind gegebene thermische Maschinendaten. Dieser Gleichung entspricht die Rekursionsgleichung

Ih = IL +lh (2)

l\n=lli{\-K_K) J//T£l+/i² ₍„-_n · (\- At/TEX) (3)

und

Un=IhKt · At/TEl+$_{„-_X) (\-At/TEl). (4)

Mit Hilfe dieser Rekursionsgleichung werden Belastungsschwankungen sowohl in Richtung steigender als auch fallender Temperatur erfaßt. SO

Am Ende eines jeden Erwärmungsmodelldurchlaufs wird der Wert Ii mit einem Grenzwert 1.1 · Il verglichen, der durch den Schalter 17 für den Nennstrom I_n festliegt. Wird der Grenzwert überschritten, erfolgt eine Abschaltung der Last 23.

Mit dem Abschalten beginnt eine Abkühlungsmodellberechnung, die sich alle 200 ms wiederholt. Abhängig von den Eingabewerten des Schalters 17 ergibt sich ein Abkühlungsmodell, das durch die Gleichung SS

Ia = IeVI-Ka) t'"™ + K_A. · e""»¹] (5)

definiert ist; K_A und TA VTAl sind gegebene mechanische und thermische Maschinendaten der jeweils vorliegenden Last 23. Die entsprechende Rekursionsgleichung ist

65

(8)

Ein Wiedereinschalten ist erst möglich, wenn der Abkühlwert P_A den im Speicher 61 stehenden Grenzwert Il erreicht hat.

	Ii.-	If Ii+!<	I η	-A t/ΓΑ I)
mit
		11 κ-\)*	■d	-At/TAl).
und
	J4²,«	ifl.-ll	(1

In der Tabelle nach der F i g. 5 ist das Erwärmungsverhalten TE 1, TE 2 und das Abkühlungsverhalten TA 1, TA 2 von Maschinen 23 und deren Konstruktionskonstante K_E, K_A angegeben; diese Werte sind den sechzehn Stellungen des Codierschalters 15 (W_k) für die Erwärmungs-Abkühlungsmodelleinstellung zugeordnet. Liegt

beispielsweise eine zu überwachende Maschine mit den Daten TEl = 4,0 min, TEZ = 45 min, TAX= 3,0 min und TA 2» 190 min vor, so stellt der Benutzer den Codierschalter 15 auf dessen Ziffer 4.

Um eine einfache digitale Erwärmungs-Abkühlungsmodellberechnung zu erreichen, sind, wie aus Fig. 2 genauer ersichtlich, der Term (1 - K_E) Ai/TEl der Gleichung (3) als eine Erwärmungskonstantenreihe K_t\ = 0,2 · 200 ms/7"£l mit 16 Werten Af_£|,, der Term 1 - At/TE 1 der Gleichung (3) als eine ErwärmungskonstantenreiheAf_£-₂ - 1-200 ms/TE 1 mit 16 Werten K_E2 /, der Term K_t: ■ At/TEl der Gleichung (4) als eine ίο Erwärmungskonstantenreihe K ti = Af_£· 200ms/7"£2 mit 16 Werten K_Kih der Term 1 - At/TE2 der Gleichung (4) als eine Erwärmungskonstantenreihe Aa₄ = 1-200 ms/f£2mit 16 Werten Af_f;4„ der Term I - A t/TA 1 der Gleichung (7) als eine Abkühlungskonstantenreihe K_ES = 1-200 ms/7/41 mit 16 Werten K_Ei,und der Term 1 - At/TA 2 der Gleichung (8) als eine Abkühlungskonstantenreihe K_Ei = 1-200 ms/TA 2 mit 16 Weiten K_Ei , gebildet, wobei die sechs Konstantenreihen K_E\ bis K_Kb mit ihren jeweils 16 Werten in der Speichereinheit 32 is abgelegt sind; die Speichereinheit 32 besteht aus sechs Speichern 33 bis 38 mit je sechzehn Plätzen 0' bis 15', die mit den Werten K_E\, bis K_£b ; belegt sind.

Die Berechnung der Gleichungen ist damit auf eine einfache digitale Multiplikation und Addition reduziert. Mittels der Konstantenreihen K_E\ bis K_Kb sind über den Schalter 15 (W_k) somit sechzehn verschiedene Erwärmungs-Abkühlungsmodell-Kcnnlinen einstellbar.

Wie aus der F i g. 2 weiter ersichtlich, besteht das Rechenwerk 40 aus einem Erwärmungsmodell-Rechenteil D und einem Abkühlungsmodell-Rechenteil E; für die Quadrierung des maximalen Stromes /«ist ein digitaler Multiplizierer 41 vorgesehen; die Ausgänge der Speicher 33 bis 38 sind mit dem Eingang α je eines digitalen Multiplizierers 42 bis 47 der Rechenteile D, E verbunden, wobei der andere Eingang b der Multiplizierer 42 und 44 des Erwärmungsmodell-Rechenteils D mit dem Ausgang c des /^-Multiplizierers 41 verbunden ist; den MuI-tiplizierern 42,43 des Erwärmungsmodell-Rechenteils D ist ein Summierglied 48, den Multiplizierern 44,45 des Erwärmungsmodell-Rechenteils D ein Summierglied 49, den Multiplizierern 46, 47 des Abkühlungsmodell-Rechenteils £ ein Summierglied 51 nachgcschaltet; den Summicrgliedern 48, 49 des Erwärmungsmodell-Rechenteils D ist ein Summierglied 50 nachgeschaltet. Die Ausgänge r dieser Summiergieder 43,49 sind über Speicher 52,53 auf die Eingänge b der Multiplizierer 43,45 des Erwärmungsmodell-Rechenteils D rückgeführt, so daß an diesen Eingängen b der jeweils vorangegangene Wert /² ₍,,-i> und ^„-n der Summierglieder 48,49 ansteht. Die Ausgänge c der Multiplizierer 46,47 des Abkühlungsmodell-Rechenteils Estnd über Speicher 54, 55 auf ihre Eingänge b rückgeführt, so daß an diesen die jeweils vorangegangenen Werte A², „ ,, und Z₄ ², „.,, anstehen. Die Ausgänge cder Summierglieder 50, 51 der Erwärmungs-AbkühlungsmodeH-Rechenteile D, £ sind an digitale Vergleichsglieder 56,57 geführt, die ferner mit den in den Speichern 60,61 stehenden Sollwerten 1,1 · /£ und Is beaufschlagt werden. In den Speichern 60,61 sind je 16 Werte abgelegt, die durch den Codierschalter 15 aufrufbar sind. *

Die Signale Ue, Üb der Vergleichsglieder 56, 57 wirken über das Steuerwerk 14 auf das Überstromabschaltrelais 62.

Ist die Ziffer 4 am Codierschalter 15 eingestellt, wie vorstehend angenommen wurde, so werden damit die Plätze 4' der Speicher 33 bis 38 aufgerufen, so daß am Ausgang Κ_ει, des Speichers 33 die digitale Konstante 0,2 ■ 200 ms/4,0 min, am Ausgang Af₄-J, des Speichers 34 die digitale Konstante 1-200 ms/4,0 min, am Ausgang Äff 3, des Speichers 35 die digitale Konstante 0,8 - 200 ms/45 min, am Ausgang K_Ei, des Speichers 36 die digitale Konstante 1-200 ms/45 min, am Ausgang A'_£S, des Speichers 37 die digitale Konstante 1-200 ms/3,0 min, am Ausgang K_Eb , des Speichers 38 die digitale Konstante 1-200 ms/190 min ansteht. Der Rechenvorgang wird nachstehend an Hand des Diagrammes nach der Fig. 3 näher erläutert.

Nachdem die Ermittlung Im des maximalen Stromes I» zum Zeitpunkt t_u erfolgte, schließt sich die Schieflastermittlung Se an, die zum Zeitpunkt /.₅ beendet sei, so daß u. U. eine Schieflastmcldung Sm ausgegeben wird.

An die Schlieflastermittlung schließt sich zum Zeitpunkt /_l5 die Erwärmungsmodellberechnung an, indem

so mittels des Multiplizierers 41 bis zum Zeitpunkt /p der maximale Strom I» quadriert wird. Danach wird vom

Steuerwerk 14 an den Speicher 33 und das Rechenwerk 40 ein Signal Kü zur Übernahme der Erwärmungs-

modcHkoRstantep. Ke·, / gegeben und vom Zeitpunkt ?i; bis zurr. Zeitpunkt .% wird vorn Multiplizierer 42

lh · Äff ι / berechnet; im Zeitraum /_t9, fa gibt das Steuerwerk 14 wieder ein Signal Kü zur Übernahme der

Erwärmungsmodellkonstanten K_E2 , aus dem Speicher 34 an den Multiplizierer 43 aus, welcher Κ_ΕΛ, ■ /f₍„-n

bis zum Zeitpunkt h\ berechnet; ab Zeitpunkt fo bis Zeitpunkt I_n werden /«- K_E[, und

Κει ι · /Λ»-υ mittels des Summiergliedes 48 zu /,'„summiert; im Zeitraum r₂₄, fes wird vom Speicher 35 in den

Multiplizierer 44 die Erwärmungsmodel Ikonstante Af^₃, übernommen und von diesem bis zum Zeitpunkt t₂₆ Im * Af£3 < berechnet; im Zeitraum fa, /₂₇ erfolgt die Übernahme der Erwärmungsmodellkonstanten K_Ei ,■ aus

dem Speicher 36 in den Mutiplizierer 45, welcher bis zum Zeitpunkt t₂» Af_£4 r fii*-u berechnet; vom Zeitpunkt

fe bis zum Zeitpunkt r_M werden /£ - Κει ι und K_E<, ■ /₂ ² ₍„-u mittels des Summiergliedes 49 zu I₁, summiert; ab

Zeitpunkt J₃₁ bis zum Zeitpunkt i_}: erfolgt mittels des Summiergliedes 50 eine Summierung der Werte /|²„ und

/₂ ², zum Wert /|.

Der digitale Ausgangswert /1 des Summiergliedes 50 wird mit dem über Schalter 17 (/_v) eingestellten 1,1 ■ ijr Wert des Speichers M verglichen.

Ist der /jJ-Wert des Summierglicdcs 50 gleich oder größer als der 1,1 · //v-Wert des Speichers 60, so gibt der Vergleicher 56 ein analoges Signal aus und es erfolgt eine Abschaltung des Relais 62 und an den vorstehend beschriebenen Erwärmungsmodcll-Berechnungszyklus schließt sich in gleicher Weise ein Abkühlungsmodell-Berechnungszyklus über 200 ms an. Im Multiplizierer 46 wird die Abkühlungsmodellkonstante K_ES, des Spei-

chers37mit ^,,,-ι, multipliziert, danach im Multiplizierer 47 die Abkühllungsmodellkonstante A^₆, des Speichers 38 mit /4²(„-n; darauf erfolgt eine Summierung der Ergebnisse /j²„ und l_A ²„ mittels des Summiergliedes 51 zum Wert /j, und dieser Wert wird mittels des Vergleichers 57 mit dem über den Codierschalter 17 vorgegebenen lürWert des Speichers 61 verglichen; ist der Wert /} des Summiergliedes 51 gleich oder kleiner als der Wert /#des Speichers 61, so gibt der Vergleicher 57 ein analoges Signal aus, und es erfolgt über das Steuerwerk 14 eine 5 Wiedereinschaltung des Überstromabschaltrelais 62.

Wie aus dem Signaldiagramm nach der Fig. 3 ersichtlich, beginnt die Berechnungsphase für das Erwärmungsmodell, sobald die Scheiteiwerte der drei Phasenströme gemessen sind. Wie im Diagramm nicht weiter dargestellt, wird zu den Zeiten der Kurzschlußkontrolle (r₅, r₇, r₈, ;,„, /,,, 1 ₁₃ usw.) und der zwischen dieser liegende.i Scheitelwertmessung (r₆, /₉, /₁₂ usw.) die Berechnungsphase unterbrochen. to

Wie vorstehend angedeutet, ist die Berechnungsphase nach 200 ms abgeschlossen, worauf sich eine neue Berechnungsphase mit anfänglicher Strommessung und Schieflastüberprüfung anschließt.

Die Strommessung braucht nicht über eine ganze Berechnungsphase zu erfolgen, wie in der Fig. 3 dargestellt ist.

Das Steuerwerk 14, die Speicher 22,31,32,60,6!, 70, die Rechenwerke 2!, 40,71, der Logikschaltkreis !0, die !5 Einrichtung 30 zur Ermittlung des größten Phasenstromes und der Komparator 72 können mittels eines Mikroprozessors realisiert sein.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

Digitale Einrichtung zur Kurzschluß-, Überstrom- und Schieflastsicherung von elektrischen Leistungsverbrauchern, bestehend aus einem Dateneingabefeld zur Eingabe von Betriebsparametern, einem Nulldurch-

S gangsdetektor für mindestens einen der Phasenströme, einem Komparatorkreis, welchem eine analoge Spannung eines Digital-Analog-Windlers und aus den Phasenströmen abgeleitete gleichgerichtete Spannurgen eines Meßwertgebers zugeführt sind, wobei aus dem Vergleich ein digitaler Wert abgeleitet wird, einem aus Verknüpfungsgliedern bestehenden Logikschaltkreis zur Auswahl der zu messenden Phasenströme und einem Steuerwerk, welches durch Ausgabe digitaler Wörter und Steuertakte den funktionalen Ablauf der Einrichtung bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kurzschlußstromerfassung in einem digitalen Speicher (22) stehende, aus mittels Einstellung (17, M) am Dateneingabefeld (19) erhaltenen Kurzschlußabschaltwerten (X, I_n) und vorgegebenen Stromwinkelwerten (sin a) gebildete Kurzschlußstrom-Konstantenwerte (KW 1 bis KW6) mit den aktuellen Werten der digitalisierten Phasenströme (/*, I₅,I₁) verglichen werden, daß zur Überstromerfassung der jeweils größte ermittelte Phasenstrom (/«) als digitales Wort und aus für den zu sichernden Leistungsverbraucher (23) gegebenen mechanischen und thermischen Daten (JCc TE. TA) abgeleitete und am Dateneingabefeld (19) mittels Einsteilung (15) aufrufbare Erwärmungs-AbkühJiingsmodell-Konstan:enwerte (K,.,, bis K_tkl) als digitale Wörter einem digitalen Rechenwerk (40) zur Nachbildung eines Erwärmungs- bzw. Abkühlungsmodells des zu sichernden Leistungsverbrauchers (23) zugeführt sind, welches aus dem größten Phasenstrom (/«) eine die Erwärmung des zu sichernden Verbrauchers (23) hervorrufende Wärmemenge ermittelt, die als digitales Wort (/i) mit einer vorgegebenen digitalen Höchst-Wärmemenge (M: 1,1 /*) verglichen wird und welches bei einer Grenzwertüberschreitung Ui > 1,1 /& Abschaltung des Leistungsverbrauchers 23) eine der Abkühlung des Leistungsverbrauchers (23) entsprechende Wärmenge ermittelt, die als digitales Wort (/j) mit einem vorgegebenen digitalen Grenzwert (61; /\) verglichen wird, bei dessen Erreichen (l\ < /£) eine Wiedereinschaltung des Leistungsverbrauchers

(23) möglich wird, daß zur Schieflasterfassung der jeweils größte ermittelte digitalisierte Phasenstrom Um) mit den weiteren digitalisierten Phasenströmen (70) verglichen wird und daß bei einer durch einen Grenzwert bestimmten Differenz zwischen dem größten digitalisierten Phasenstrom (/_M) und den weiteren digitalisierten Phasenströmen (70) eine Abschaltung des Leistungsverbrauchers (23) erfolgt.