DE3233203C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzrelais für elektrische Maschinen oder dgl., bei dem die Auslösewerte während des Betriebes der Maschine im Sinne einer zulässigen Grenzbelastung derselben regel- bzw. steuerbar sind unter Verwendung einer Eingangsschaltung zur Erfassung von Istwert-Parametern der Maschine und Umformung derselben in proportionale Wechselspannungen und unter Verwendung eines Komparators zur Bildung von Auslösewerten und einer nachge­ schalteten Auslöselogik.

Die Schutztechnik und die Schutzrelais elektrischer Maschinen arbeiten zur Zeit mit konstanten Auslösewerten, die zumeist bei der Inbetriebnahme der Schutzeinrichtungen einmal eingestellt werden und während der gesamten Lebensdauer der auf diese Weise geschützten Maschine so verbleiben. Nur bei unvorhersehbaren Fehl­ auslösungen werden diese Werte korrigiert. Wird während des Be­ triebes einer derart geschützten Maschine einer dieser fest einge­ stellten Auslösewerte überschritten, so wird die Maschine in der vorgesehenen Zeit abgeschaltet.

Diese Schutzrelais arbeiten so lange richtig, als sich die der Schutzeinstellung zugrundeliegenden Faktoren nicht ändern. Im speziellen Fall können diese Relais nicht auf veränderte Umwelt­ einflüsse, die das Verhalten der elektrischen Maschinen maß­ geblich beeinflussen, reagieren. Im besonderen können Ver­ änderungen in der Qualität des Kühlmittels bzw. der Kühlung, Ver­ änderungen der Umgebungstemperatur, komplexere Belastungszu­ stände etc. nicht berücksichtigt werden. Hierdurch kann es aber bereits zu Zerstörungen kommen, wenn die einmal fest eingestellten Grenzwerte noch gar nicht überschritten werden, andererseits kann es aber zu Auslösungen kommen, wenn diese Grenzwerte aufgrund der geänderten Situation noch gar nicht nötig wären. Sogenannte "ge­ wollte" und ungewollte Fehlauslösungen sind deshalb in der her­ kömmlichen Technik nicht selten bzw. sogar unvermeidlich.

Zu erwähnen ist, daß es auch Relais gibt (Distanzrelais), mit zwar fest eingestellten Grenzwerten, die aber nach einem fest einge­ stellten Programm nach erfolgter Anregung dem Komparator se­ quentiell aufgeschaltet werden.

In der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegende CH-PS 6 14 317 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur mehrphasigen Überstromüberwachung beschrieben. Dabei werden für den Stromvergleich des Überstromschutzes vom Kleinstwert der Phasenströme abhängige Grenzwerte herangezogen, die über eine Kleinstwert-Auswahlschaltung eines Grenzwertgebers von den Phasen­ strömen abgeleitet werden. Der jeweils wirksame Grenzwert ist also vom Strom der durch einen Kurzschluß nicht betroffenen Phase, d. h. vom kleinsten Strom, abhängig. Dadurch ergibt sich eine selbsttätige Anpassung des den Grenzwert darstellenden Vergleichs­ signals in der Weise, daß bei einem Kurzschluß, der sich einem Schwachlast-Betriebszustand mit niedrigem Stromniveau überlagert, die Phasenströme mit einem vergleichsweise niedrigen Grenzwert verglichen werden, bei hohen Betriebsströmen dagegen mit einem höheren Grenzwert.

Der DE-OS 27 04 762 ist eine elektrische Schutzeinrichtung ent­ nehmbar, der zwei Eingangsgrößen, die Wechselströme oder Wechsel­ spannungen sind, zugeführt werden. Diese Eingangsgrößen werden gleichgerichtet und gelangen anschließend an Analog-Digital- Umsetzer. Eine weitere Schaltung ermittelt den Phasenwinkel zwischen den beiden Eingangsgrößen. Diese Schutzeinrichtung ist zur Erfassung unzulässiger Zustände in einer elektrischen Maschine, einem Transformator oder dgl. vorgesehen.

In der DE-OS 29 02 683 ist eine Steuerschaltung für den elektrischen Antrieb von Fahrzeugfenstern beschrieben, welche unterschiedliche Steuerprogramme aufweist. Bei einem davon wird der Antrieb wiederholt umgepolt, wobei dies jedoch nur dann er­ folgt, wenn die mit einem Temperaturfühler gemessene Fahrzeug­ innentemperatur einen Grenzwert unterschritten hat.

Weiters ist der DE-OS 28 26 227 eine Anordnung zum selbsttätigen Abschalten eines Elektromotors beim Auftreten störender Last­ momentänderungen an der Triebwelle beschrieben. Dabei wird der Motorstrom durch kurze Ausschaltimpulse auf einen Maximalwert be­ grenzt und nach einer höchstzulässigen Anzahl solcher Impulse ab­ geschaltet.

Aus der DE-AS 20 56 685 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Relativbewegung einer rotierenden Arbeitsbürste in Reinigungsanlagen bekannt. Bei diesen Verfahren wird die Leistungsaufnahme des Antriebes im Leerlauf beim Sollwert be­ rücksichtigt.

Eine weitere Schutzschaltung ist in dem Artikel "Elektronische Schutzeinrichtungen für elektrische Maschinen" in Elektrische Maschinen, August 1981, Seite 213 bis 215 beschrieben.

In dem Artikel "Einflüsse der DDC-Technik auf den Entwurf von Regelungssystemen" in rtp 1968, Heft 4, Seite 141-146 ist unter Abschnitt 4 das Prinzip der adaptiven Regelung beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und nur Auslösungen zuzulassen, die der festgelegten und errechneten tatsächlichen Grenzbelastbarkeit der Maschine oder sonstigen elektrischen Einrichtungen entspricht.

Das erfindungsgemäße Schutzrelais der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung die Istwert- Parameter von Strom, Spannung, Frequenz oder dgl. wahlweise er­ faßt, daß eine weitere Eingangsschaltung zur Erfassung von Adaptivparametern, wie Temperatur ϑ der Wicklung, der Umgebung, der Kühlmittel oder dgl., Druck P des Kühlmittels, des Dampfes, des Schmiermittels oder dgl., Menge Q des Kühlmittels, des Dampfes, des Schmiermittels oder dgl., vorgesehen ist, daß der Eingangsschaltung ein Adaptivsignalgenerator nachgeschaltet ist, zur Umformung dieser Parameter in eine normierte und verknüpfte Spannung, proportional der Momentbelastbarkeit der elektrischen Maschine, daß diesem Adaptivsignalgenerator, der für die Ver­ arbeitung der umgeformten Istwertparameter bereits vorhandene Komparator nachgeschaltet ist, der zum Vergleich der einge­ gebenen Werte und zur Bildung eines entsprechenden Signalwertes dient, daß weiters dem Komparator eine Auslöselogik nachgeschaltet ist, in die der Signalwert eingespeist wird. Mit diesem erfin­ dungsgemäßen Schutzrelais ist es erstmals möglich, die sich ändernden der Schutzeinstellung zugrundeliegenden Faktoren für eine Auslösung zu berücksichtigen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das in an sich be­ kannter Weise zwischen Komparator und Auslöselogik geschaltete Verzögerungszeitvorgabeglied mit je einem Eingang und Ausgang an den Adaptivsignalgenerator geschaltet, zur Weitergabe bzw. Rück­ meldung von Signalen und ist der Adaptivsignalgenerator mit je einem entsprechenden Aus- und Eingang an die Auslöselogik ge­ schaltet, zur Weitergabe bzw. Rückmeldung von Signalen im Sinne einer Korrektur der Auslösung infolge Toleranzzeitvorgabe. Da­ durch können die je nach Fehlerfall auftretenden einzelnen Aus­ lösungen über den Adaptivsignalgenerator erfaßt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Anzeigevor­ richtung vorgesehen, die die umgeformten Ausgangswerte aus einer Verknüpfungsschaltung für die Istwertparameter, die Ausgangswerte aus dem Adaptivsignalgenerator für die Grenzwertparameter, sowie den Ausgangswert aus dem Verzögerungszeitvorgabeglied, der an den Adaptivsignalgenerator eingespeist wird, anzeigt. Dadurch ist eine Kontrolle aller Werte, die für eine Auslösung sorgen, gegeben.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Ist­ wertparameter in dem Adaptivsignalgenerator analog erfaßt und einem analogen Komparator zugeführt. Durch den analogen Aufbau des Schutzrelais ist eine stufenweise Entwicklung bzw. Ausbau des Relais möglich.

Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist zwischen dem Komparator und dem Verzögerungszeitvorgabeglied eine Anzeigevor­ richtung vorgesehen, die zur Anzeige einer einmaligen eventuell kurzzeitigen Überschreitung dient.

Da auch mehrmalige kurzzeitige Überschreitungen der Grenzbelast­ barkeit zu Schäden an der Maschine führen können, ist eine der­ artige Anzeige von Vorteil.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Verzögerungszeitvorgabeglied und der Auslöselogik eine Anzeige­ vorrichtung für die Auslösung der Abschaltung vorgesehen. Dadurch ist der Informationsfluß über die erfolgte Auslösung für das Be­ dienungspersonal gegeben.

Weitere Vorteile der Erfindung werden an Hand der nachfolgenden Figurenbeschreibung aufgezeigt.

Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt an Hand der Zeichnung, in der Fig. 1 ein herkömmliches, dem Stand der Technik entsprechendes Schutzrelais, ein sogenanntes Festwertrelais darstellt, Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Schutzrelais (Adaptivrelais) und die Fig. 3a und 3b Varianten desselben.

Fig. 1 zeigt als Beispiel die schematische Schaltung eines Festwertrelais.

Je nach Typ des Relais wird der Istwert IP_i der Eingangsgrößen (I, U, f . . .) in Eingangsbauteilen 1 erfaßt und zumeist potentialgetrennt über Strom- und Spannungswandler in der Eingangsschaltung in eine den Signalgrößen proportionale Wechselspannung umgeformt. Diese Spannungen werden in dem anschließenden Rechner 2 normiert, verknüpft (N_IP) und gleichgerichtet zu einem normierten Istwertsignal N_A (Gleichspannung), das proportional den Eingangsgrößen ist und dessen Betrag in einem einfach verarbeitbaren Bereich liegt. Diese Spannung N_A wird über eine Widerstandsschaltung 2a, in welcher der Auslösewert fest eingestellt wird (bei Sonderausführungen auch umschaltbar), am Eingang des Komparators (Trigggers) 3 mit einer fest eingestellten Normalspannung V_R verglichen. Ist der Eingangswert N_A größer als der Festwert, kippt der Komparator 3, und die nachfolgende Auslösesignallogik (Auslöseprogrammvorgabe) 7 (im Prinzip ein Verstärker mit Sonderbeschaltung) erzeugt das Auslösesignal. Weiter kann noch ein Zeitglied 6 vorgesehen sein, das die Auslösung verzögert und vom normierten Istwert beeinflußt werden kann in einer Art Rückkopplung 6a (durch den Istwert beeinflußte Auslösezeit, Wert N_tIP). Weiter kann eine Anzeige 8 der Anregung des Triggers 3 vorgesehen sein, die gespeichert wird. Eine Anzeige 9 der erfolgten Auslösung wird in einem anderen (eigenen) Schaltkreis gespeichert. Eine Anzeige 10 des Istwertes kann fallweise ebenso erfolgen. Die Verknüpfung der Auslösung erfolgt in der Auslösesignallogik 7 entsprechend dem Auslöseprogramm.

Fig. 2 zeigt die Schaltung eines erfindungsgemäßen Adaptivrelais in schematischer Weise.

Die Istwert-Parameter IP_i, wie Spannung U, Strom I, Frequenz f etc., werden, wie bei einem Festwertrelais, in der Eingangsschaltung 1 erfaßt und über eine in dieser enthaltenden Widerstandsschaltung, in der eine Voreinstellung erfolgt, dem Rechner 2 zugeführt, in dem die Normierung und Verknüpfung der Eingangsparameter erfolgt (N_IP). Die Adaptivparameter AP_j, wie Temperatur ϑ (der Wicklung oder der Umgebung, wie Kühlmittel od.dgl.), Druck P (Kühlmittel-, Dampf- Schmiermitteldruck od.dgl.) Menge Q (Kühlmittel-, Dampf-, Schmiermittelmenge od.dgl) werden in einer Adaptivparametererfassung 4 erfaßt, dort normiert und verknüpft und einer weiteren Rechenschaltung (Adaptivsignalgenerator) 5 zugeführt, in der normierte Spannungen N_AP gebildet werden, die proportional der Momentbelastbarkeit der zu schützenden elektrischen Einrichtung sind. Die Ausgangswerte (Spannungen) N_A und G_A beider Rechner 2, 5, wobei N_A dem normierten Istwertsignal und G_A einem Adaptivgrenzwert entspricht, werden dem Eingang eines Komparators (Triggers) 3 so zugeführt, daß ein Kippen desselben an der errechneten Belastungsgrenze erfolgt und die Auslösung über die Auslösesignallogik 7 durchgeschaltet wird. Weiters sind ein Zeitglied (Verzögerungszeitvorgabe) 6 vorgesehen, das von der Rechenschaltung 5 korrigiert wird, sowie Anzeigeeinrichtungen 8 (der erfolgten Anregung des Triggers 3), 9 (der erfolgten Auslösung desselben) und 10 der Istwerte N_A (normiertes Istwertsignal) G_A (adaptiv vorgegebener Grenzwert) und Toleranzzeit t_R (Zeitbereichrückmeldung). Außerdem ist eine Auslöseprogramminformation V_R vorgesehen, in der je nach Fehlerfall die einzelnen Auslösungen durchgeschaltet werden.

Fig. 3a zeigt das Schaltbild eines Adaptivrelais in Analog-Technik. Die Istwert-Parameter werden im Eingangsbauteil 1 wie bei den elektronischen Standardrelais analog erfaßt und einer Normierung 2 zugeführt, in der die Umformung der Eingangsparameter auf einfach verarbeitbare Signalpegel erfolgt. Die Adaptivparameter ϑ, P, Q od.dgl. werden von der Adaptivparametererfassung- und normierung 4 erfaßt und der Rechenschaltung (Adaptionssignalgenerierung und allenfalls Speicherung) 5 zugeführt, sodann der errechnete Grenzwert G_A samt dem normierten Istwert N_A dem Trigger (Komparator) 3 zugeführt. Fallweise kann eine Diode 3a am Eingang zum Komparator 3 angeordnet sein, die den Adaptivwertkreis von Istwertkreis entkoppelt.

Die Auslösezeitverzögerung 6 wird wie bei den heute üblichen elektronischen Relais gebildet oder von der Adaptionssignalgenerierung korrigiert. Dem Trigger 3 wird der Auslöseverstärker 7 nachgeschaltet. Dieser ist wie bei einem Festwertrelais aufgebaut und umfaßt die Auslöseverstärkung. Die Anzeige der erfolgten Auslösung ist in 9 angedeutet, ebenso die der erfolgten Anregung des Triggers 3 in 8.

Als Vorteile dieses Relaistyps sind zu nennen:

Es sind extrem schnelle Auslöse-Automatiken möglich.
Die Geschwindigkeit der Adaption ist vollkommen unabhängig von der Auslösezeit der Relais.
Die Adaptionsschaltung kann unter Umständen auch analog aufgebaut werden.
Die Adaptionswertrechenschaltung 5 kann, wenn sie auf digitaler Basis arbeitet, mehrfach verwendet werden. Dazu muß der errechnete Grenzwert gespeichert werden.
Bei Ausfall des Adaptivrechners 5 arbeitet das Relais aufgrund des gespeicherten Grenzwertes wie ein Standardrelais mit dem zuletzt errechneten Grenzwert als Fixeinstellwert weiter.

Eine stufenweise Entwicklung bzw. Ausbau dieser Relais ist möglich.

Fig. 3b zeigt das Schaltbild eines Adaptivrelais in Digital-Technik. Die Istwertparameter wie Strom I, Spannung U, Frequenz, Phasenwinkel od.dgl. werden in der Istwerterfassung und -normierung 1 erfaßt und im Analog-Digitalwandler 1a digitalisiert, sodann dem Komparator 3 als Zahlenwert N_A zugeführt. (Dieser Komparator 3 ist Bestandteil eines Rechners 3a, der außerdem noch die Adaptivparametererfassung 5 und die Zeitadaption 6 umfaßt.) Die Adaptionsparameter ϑ, P, Q od.dgl. werden in der Adaptionsparametererfassung 4 erfaßt und normiert und über einen weiteren Analog-Digitalwandler 4a mit vorgeschaltetem Multiplexer 4b digitalisiert, sodann der Adaptivparametererfassung 5 zugeleitet, in der aufgrund der digital vorliegenden Adaptivparameter der Adaptivgrenzwert G_A errechnet wird und dem Komparator 3, ebenso wie der digitalisierte Istwertparameter N_A zugeführt wird. Aufgrund des Vergleiches beider Werte wird die Zeitverzögerung der Auslösung in der Zeitadaption 6 festgelegt und die Auslösung über einen digitalen Ausgang auf den Auslösesignalverstärker 7 durchgeschaltet. Eine Auslöseanzeige 9 zeigt die erfolgte Auslösung an.

Die Berechnung der Grenzwerte G_A kann in vergleichsweise längeren Intervallen erfolgen.

Der Vergleich Istwert N_A Grenzwert G_A erfolgt in kurzen Intervallen.

Als Vorteile dieser digitalen Bauart sind zu nennen:

Entwicklung eines "Hardware Standardrelais" ist möglich.
Die einzelnen Relais unterscheiden sich nur durch deren Programm (Software) bzw. die Anzahl der belegten Ein- und Ausgänge.

Es sind sogenannte "Vielfachrelais" möglich. Ein "Relais" vereinigt mehrere sogenannte Festwertrelais in sich. Einfache Erweiterung durch Programmänderung ist möglich. Die Speicherung der Istwert-Maximalwerte und deren Dauer, bzw. des gesamten Störungsverlaufes ist auf einfache Art und Weise möglich.

Ein Störungsprotokoll ist einfach realisierbar, ebenso Merkfähigkeit des Störungsverlaufes.

Claims (6)

1. Schutzrelais für elektrische Maschinen, bei dem die Auslösewerte während des Betriebes der Maschine im Sinne einer zulässigen Grenzbelastung derselben regel- bzw. steuerbar sind unter Verwendung einer Eingangsschaltung zur Erfassung von Ist­ wert-Parametern der Maschine und Umformung derselben in pro­ portionale Wechselspannungen und unter Verwendung eines Komparators zur Bildung von Auslösewerten und einer nachge­ schalteten Auslöselogik, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ gangsschaltung (1) die Istwert-Parameter (IP_i) von Strom, Spannung, Frequenz oder dgl. wahlweise erfaßt, daß eine weitere Eingangsschaltung (4) zur Erfassung von Adaptivparametern (AP_j), wie Temperatur ϑ der Wicklung, der Umgebung, des Kühl­ mittels oder dgl., Druck P des Kühlmittels, des Dampfes, des Schmiermittels oder dgl., Menge Q des Kühlmittels, des Dampfes, des Schmiermittels oder dgl. vorgesehen ist, daß der Eingangs­ schaltung (4) ein Adaptivsignalgenerator (5) nachgeschaltet ist, zur Umformung dieser Parameter in eine normierte und ver­ knüpfte Spannung (GA), proportional der Momentbelastbarkeit der elektrischen Maschine, daß diesem Adaptivsignalgenerator (5) der für die Verarbeitung der umgeformten Istwertparameter (NA) bereits vorhandene Komparator (3) nachgeschaltet ist, der zum Vergleich der eingegebenen Werte (GA, NA) und zur Bildung eines entsprechenden Signalwertes dient, daß weiters dem Komparator (3) die Auslöselogik (7) nachgeschaltet ist, in die der Signalwert eingespeist wird.

2. Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen Komparator (3) und Auslöse­ logik (7) geschaltetes Verzögerungszeitvorgabeglied (6) mit je einem Eingang und Ausgang an den Adaptivsignalgenerator (5) ge­ schaltet ist, zur Weitergabe bzw. Rückmeldung von Signalen (t_A, t_R), und daß der Adaptivsignalgenerator (5) mit je einem entsprechenden Aus- und Eingang an die Auslöselogik (7) ge­ schaltet ist, zur Weitergabe bzw. Rückmeldung von Signalen (V_A, V_R) im Sinne einer Korrektur der Auslösung infolge Toleranzzeitvorgabe.

3. Schutzrelais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigevorrichtung (10) vorgesehen ist, die die umge­ formten Ausgangswerte (N_A) aus einer Verknüpfungsschaltung (2) für die Istwertparameter, die Ausgangswerte (G_A) aus dem Adaptivsignalgenerator (5) für die Grenzwertparameter, sowie den Ausgangswert (t_R) aus dem Verzögerungszeitvorgabeglied (6), der an den Adaptivsignalgenerator (5) eingespeist wird, an­ zeigt.

4. Schutzrelais nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwertparameter in der Verknüpfungsschaltung (2) und die Adaptivparameter in dem Adaptivsignalgenerator (5) analog erfaßt sind und einem analogen Komparator (3) zugeführt werden (Fig. 2, Fig. 3a).

5. Schutzrelais nach einem der Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Komparator (3) und dem Verzögerungszeitvor­ gabeglied (6) eine Anzeigevorrichtung (8) vorgesehen ist, die zur Anzeige einer einmaligen eventuell kurzzeitigen Über­ schreitung dient (Fig. 2).

6. Schutzrelais nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verzögerungszeitvorgabeglied (6) und der Aus­ löselogik (7) eine Anzeigevorrichtung (9) für die Auslösung der Abschaltung vorgesehen ist (Fig. 2).