DE3311240C2

DE3311240C2 -

Info

Publication number: DE3311240C2
Application number: DE19833311240
Authority: DE
Inventors: Frederick Alan Milwaukee Wis. Us Stich; Conrad F. New Orleans La. Us Williams
Original assignee: Siemens Energy and Automation Inc
Current assignee: Siemens Energy and Automation Inc
Priority date: 1982-04-05
Filing date: 1983-03-28
Publication date: 1991-01-24
Also published as: DE3311240A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überstromschutzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Schutzvorrichtung der obengenannten Art (DE-OS 29 50 031) werden die in den Phasen gemessenen Stromwerte über gesonderte Transistorschalter einzeln geschaltet und einem Analog-Digital-Wandler zugeführt. Die Zuschaltung erfolgt über einen Taktgenerator mit 500 kHz. Die Auswertung erfolgt über Analog-Digital-Wandler und Speicher sowie Grenzwertschieberegister. Dieses bekannte Überwachungsgerät ist relativ aufwendig bei relativ komplexem Aufbau.

In der DE-OS 31 14 213 wird ein dreipoliger Leistungsschalter mit Trennkontakten behandelt, die zum selektiven Öffnen und Schließen eines elektrischen Schaltkreises dienen. Die Trennkontakte werden durch einen Mechanismus betätigt, der auf von Hand oder automatisch eingeleitete Befehle anspricht, um die Trennkontakte zu öffnen oder zu schließen. Stromwandler umgeben jeden der Phasenleiter des elektrischen Schaltkreises, um den Pegel des Stromflusses durch die Phasenleiter zu fühlen. Das Ausgangssignal der Stromwandler gelangt an eine Auslöseeinheit. Die Auslöseeinheit überwacht dauernd den Pegel der in den Phasenleitern fließenden Ströme und gibt ein Befehlssignal an eine Auslösespule, die das Öffnen der Trennkontakte immer dann bewirkt, wenn die elektrischen Bedingungen in dem zu schützenden Schaltkreis vorgegebene, in der Auslöseeinheit gespeicherte Grenzwerte überschreiten. In der Auslöseeinheit wird aus den gemessenen Strömen in den Phasenleitern ein gleichgerichteter Summenstrom gebildet, mit dem das Befehlssignal abgeleitet wird.

In der Zeitschrift "industrie-elektrik+elektronik", 22. Jahrgang, 1977, Nr.18, Seite 415, ist ein Schaltregler zum Betrieb an einem 220-V-Netz beschrieben. Hierin wird u. a. die Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten, zum Ansteuern eines Schaltransistors des Schaltreglers dienenden Signals dargelegt. Das Signal wird von einem analogen Spannungskomparator, aus einer Sägezahnspannung und einer von sonstigen Parametern abhängigen Steuerspannung erzeugt. Die Patentanmeldung WO 81/02 496 offenbart eine Überstromschutzvorrichtung mit einer Stromerfassungseinrichtung, bei der die Ströme in den Phasenleitern in entsprechende Spannungen umgewandelt werden. Aus den die Ströme repräsentierenden Spannungen wird mittels Vergleichern eine Spannung abgeleitet, die dem maximalen Strom in den Phasenleitern entspricht. Ein Mikroprozessor ermittelt aus dem den Strom repräsentierenden Spannungswert unter Verwendung von gespeicherten Stromzeitkurven die für den jeweiligen Stromwert zulässige Zeitdauer. Ein Überschreiten dieser Zeitdauer hat zur Folge, daß Trennkontakte in den Phasenleitern über ein zugehöriges Auslöserelais geöffnet werden.

Eine weitere Überstromschutzeinrichtung in GB 20 00 400 dient zum Schutz elektrischer Apparate gegen Kurzschlußströme und Überlastströme. Die Einrichtung ist in Ein- und Dreiphasensystemen verwendbar. Die Überlastschutzeinrichtung arbeitet mit Relais, die zeitverzögert auslösen, nachdem Überströme oberhalb eines ersten Grenzwertes festgestellt werden. Bei Überschreiten eines darüberliegenden zweiten Grenzwertes erfolgt eine sofortige Auslösung der Relais. Die Überströme in den Phasenleitern werden hier ebenfalls über Stromwandler abgenommen. Mittels Gleichrichtern, die direkt an die Phasenleiter angeschlossen sind, wird die Gleichstromversorgung für die Auswerteeinheit der Überstromschutzeinrichtung hergestellt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein einfach aufgebautes Überwachungsgerät der obengenannten Art zu schaffen, das bei relativ hoher Genauigkeit vielseitig verwendbar ist. Dies wird auf einfache Weise bei einem Überwachungsgerät der obengenannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht. Da hier der gleichgerichtete Summenstrom als Strom-Istwert benutzt wird, ist das Überwachungsgerät sowohl bei Einphasen- als auch bei Mehrphasensystem anwendbar. Weiterbildungen des Überwachungsgerätes gemäß der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Funktionsdiagramm des erfindungsgemäßen Überwachungsgerätes,

Fig. 2 die Laststromwellenform,

Fig. 3 Wellenformen an verschiedenen Punkten des erfindungsgemäßen Überwachungssystems,

Fig. 4 eine zusammengesetzte Wellenform in einem unsymmetrischen Mehrphasenkreis,

Fig. 5 ein weiteres schematisches Diagramm unter Verwendung eines Controlers und

Fig. 6 bis 6d Folgeabläufe bei der Funktion des erfindungsgemäßen Überwachungsgerätes.

Das schematische Funktionsdiagramm nach Fig. 1 zeigt einen elektrischen Stromkreis mit den Leitern 10, die über einen Unterbrecher, im vorliegenden Fall ein Schütz, bestehend aus den Kontakten 11 und der Erregerspule 12, von der Zuleitung getrennt werden können. Die Erregerspule 12 wird in Abhängigkeit von einem Ausgangsrelais mit den Kontakten 13 und der Spule 14 erregt. Die Spule 14 ist ihrerseits energiemäßig von einer Treiberstufe 15, im Ausführungsbeispiel funktionsmäßig ein UND-Gatter, beaufschlagt. Der Last-Wechselstrom I_c, der durch die Leiter fließt, wird erfaßt durch die Stromwandler CT1, CT2 und CT3. Die Signale, die durch die Stromwandler abgegeben werden, werden in einem entsprechenden Kreis - hier in einer Gleichrichterstufe 16 - verarbeitet, um ein gleichgerichtetes Wechselstromsignal zu erhalten, das einem Analog-Digital-Wandler 17 mit einer als Operationsverstärker ausgebildeten Vergleichsschaltung 18 zugeführt wird. Wie später noch näher beschrieben wird, ist die Gleichrichterstufe einerseits mit einem Referenzpotential V_r und andererseits mit einer Eingangsklemme der Vergleichsschaltung 18 verbunden. Die Polarität der Gleichrichterstufe ist der Referenzspannung entgegengesetzt, und die höchste Ausgangsspannung der Gleichrichterstufe ist im wesentlichen gleich hoch wie die Referenzspannung, so daß eine inverse Beziehung zwischen dem Gleichrichterstufenausgang und der an der Vergleichsstufe anliegenden Signalspannung vorhanden ist. Der weitere Eingang der Vergleichsschaltung 18 ist durch eine sägezahnartige Wellenform 20 beaufschlagt, die durch einen Funktionsgenerator 21 erzeugt ist. Signale mit einer Taktfrequenz f_s, von einem Taktgenerator CLK erzeugt, setzen den Funktionsgenerator mit sägezahnförmiger Wellenform periodisch zu Beginn eines neuen Abtastzyklus zurück. Die Pulsfolge passiert ebenfalls das UND-Gatter 15, um die Spule 14 in stromdurchflossenem Zustand zu halten.

Wie später weiter beschrieben wird, wird die Zustandsänderung des Ausgangs der Vergleichsschaltung 18, die hier als Rechteckwellenform 22 gezeigt ist, einem Analog- Digital-Wandler 23 zugeleitet, der ein 4-Bit-Zähler sein kann. Der Zähler gibt ein zweites Digitalsignal ab, das aus Pulsen an den Leitungen 24 besteht. Dieses Digitalsignal löst den Stromwert in den Leitern 10 und 16 in diskrete Stufen auf. Dieses Digitalsignal liegt am Eingang eines Umwandlungsregisters 25. Dieses Register wird vorteilhafterweise als read-only-memory (ROM) ausgebildet. Es dient dazu, das 4-Bit-Stromsignal in dritte Stromhöhensignale in Abhängigkeit zum anliegenden Digitalsignal umzuformen. Dieses dritte Signal, mit I_i bezeichnet, hat einen Digitalwert, der in nichtlinearer Funktion zu den zweiten Signalen steht, die von dem Zähler 23 aufgenommen werden. Es kann aus einem 8-Bit-Digitalwort bestehen. Das Digitalstromsignal I_i, das in der vorliegenden Nomenklatur den i-ten Abtaststrom darstellt, wird wahlweise auf einen der beiden durch den Schalter 26 wählbaren Strompfade aufgeschaltet. Ein Zähler 27 gibt Steuerpulse ab, die mit Taktfrequenz zusammentreffen, jedoch eine niedrigere Frequenz als diese aufweisen. Auf diese Weise wird jedes n-te Stromabtastsignal abhängig von der Stellung des Zählers 27 an seinem "Auslöseklasse"-Eingang dem unteren Signalpfad zugeschaltet. Der Überschuß der n-1-Abtastsignale wird, wie gezeigt, dem oberen Pfad zugeschaltet. I_i wird einer arithmetischen Verarbeitungsstufe 28, beispielsweise einem Zähler, in den ein Wert eingespeist ist, der einer bestimmten Stromschwelle I_t entspricht, zugeführt. Das Stromsignal I_i wird algebraisch zu dem Schwellwert I_t addiert, und die Differenz, die negativ oder positiv sein kann, wird einem Akkumulator 29 zugeführt, der ein Zähler oder eine ähnliche Einrichtung sein kann.

Eine Digitaldarstellung des Abtaststromes wird zusätzlich einem Dekoder 32 zugeführt, der seinerseits eine Anzeigestufe beaufschlagt, die hier als LED1 dargestellt ist. Das Digitalsignal kann von verschiedenen Punkten des Systems abgeleitet werden. Bevorzugt wird hier das 4-Bit-Signal vom Zähler 23.

Der Akkumulator 29 summiert kontinuierlich die Stromsignale der Verarbeitungsstufe 28. Positive Signalwerte, die einen Überstrom anzeigen, erhöhen den Wert der Digitalsignale, die im Akkumulator 29 gespeichert sind, während negativwertige Signale, die Ströme darstellen, die unter dem Schwellwert liegen, vom Inhalt des Akkumulators abgezogen werden. Der Inhalt des Akkumulators 29 wird über eine Teilerstufe 30 rückgeführt, wo er durch den Faktor Q dividiert wird und von hier über einen Additionsknotenpunkt 31 zur Herstellung eines Stromschwellwertes I_t geführt ist. Auf diese Weise gibt der Stromschwellwert das thermische Abbild der Lastanordnung wieder, und der Inhalt des Akkumulators wird sich auf einem angemessenen Niveau stabilisieren, solange Normalstrom anliegt.

Sobald das gemessene Stromniveau zu groß ist, wird der gespeicherte Wert die Auslöseschwelle des Akkumulators überschreiten, was durch den Vergleicher 38 bewirkt wird. Der Zähler läuft somit über und gibt ein Auslösesignal ab. Das Auslösesignal wird dem UND-Gatter 15 zugeführt, um es zu sperren und somit zu verhindern, daß Pulse vom Taktgenerator CLK weitergegeben werden können, die die Spule 14 mit Energie versorgen. Die Kontakte 13 sind dann offen und die Spule 12 spannungslos, d. h., die Kontakte 11 sind ebenfalls offen. Zur gleichen Zeit wird in einer noch später zu beschreibenden Weise der Inhalt des Akkumulators 29 verringert. Wenn Überstrombedingungen auftreten, nachdem nur kurze Zeit Strom floß, hat der Akkumulator 29 sein stabilisiertes Niveau noch nicht erreicht, so daß es eines längeren Zeitraumes bei einem bestimmten Überstrom bis zum Auslösen bedarf, als es der Fall wäre, wenn der Akkumulator bereits seinen stabilisierten Inhalt aufweist.

Die Stromsignale, die nicht dem unteren oder Überstromsignalpfad durch den Schalter 26 zugeschaltet werden, werden über diesen Schalter einer arithmetischen Einheit 35 zugeführt und geprüft, ob sie der Ungleichung

genügen, um Abtastwerte zu ermitteln, die von jedem vorhergehenden Abtastwert I_i-1 um mehr als eine vorgegebene Prozentzahl abweichen. Signale, deren Werte beide Seiten der Ungleichung erfüllen, erhöhen den Zähler M, wohingegen die Signale, die von den vorhergehenden um mehr als die gewünschte Bandbreite abweichen, den Zähler J erhöhen. Zähler M und jede Sektion J₁ und J₂ des Zählers J erzeugen ein Ausgangssignal, wenn sie überlaufen, wobei Zähler M einen größeren Inhalt zuläßt als der Zähler J. Wenn der Zähler M zuerst überläuft, gibt er ein Signal ab, das den Zähler M selbst und alle Sektionen des Zählers J zurücksetzt. Wenn auf der anderen Seite der Zähler J vor dem Zähler M überläuft, was eine vorbestimmte Änderung im Stromniveau darstellt, wird ein Signal abgegeben, das einen oder beide Schwellwerte ändert, nämlich den Stromschwellwert I_t und die Auslöseschwelle T_t.

Es ist ersichtlich, daß bei einem relativ hohen Einfall der außerhalb der Toleranz liegenden Signale die Zählersektion J₁ vorher gefüllt sein wird, bevor Zähler M überlaufen und das Rücksetzsignal abgeben kann. Der Ausgang der Stufe J₁ wird dem Rückführungssignal "thermisches Gedächtnis" des Akkumulators 29 zugeführt, worauf die Stromschwelle I_t erniedrigt und der Netzwert I_i-I_t, der dem Akkumulator 29 zugeführt wird, erhöht wird. Dies bewirkt eine im wesentlichen konstante Anhäufung der strombezogenen Signale, trotz einer Unsymmetrie zwischen den Phasenströmen oder ähnlicher Störungen in der Wellenform. Sollte in ähnlicher Weise die Gesamtheit der außerhalb der Toleranz liegenden Stromsignale in einer gegebenen Abfrage immer noch größer sein, was eine immer noch große Unsymmetrie oder sogar eine Einphasensituation anzeigt, werden beide Zählsegmente J₁ und J₂ überlaufen, bevor der Hauptzähler M sein Rücksetzsignal abgibt, und entsprechend wird ein immer noch größerer Wert dem Additionsknotenpunkt 31 zugeführt, um hierdurch das Stromschwellsignal I_t immer noch weiter zu verringern. Dies bewirkt weitere Kompensation und hält einerseits den Wert, nach dem Stromsignale entsprechend einem vorgegebenen Stromniveau gespeichert werden, und andererseits den Punkt, an dem sich der Speicherinhalt bei nicht vorhandenen Überstrombedingungen stabilisieren wird. Auf diese Weise behält das System seine Empfindlichkeit für Überstrombedingungen, obwohl sich der Grad der Stromsymmetrie ändert.

Obgleich der Gegenstand der Erfindung auch bei Einphasensystemen anwendbar ist, ist der Anwendungsbereich bevorzugt in Dreiphasensystemen zu sehen. Wie allgemein bekannt, ergibt Halbwellengleichrichtung bei Dreiphasenströmen, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, eine recht wellige Konfiguration; die Dauer dieser Wellen ist im wesentlichen 120°, nämlich dem Zyklus jeder Phase des Dreiphasenstromes entsprechend. Obwohl es dem Fachmann leicht möglich ist, den gleichrichtenden Strom zu filtern und die Höhen hierdurch zu verkleinern, um ein praktisch konstantes Stromniveau, das dem im Stromkreis fließenden Strom entspricht, zu erzielen, geht die Erfindung nicht diesen Weg, sondern benutzt ein Abtastsystem der beschriebenen Art. Vorteilhafterweise ist eine Gleichrichterstufe vorgesehen, die sicherstellt, daß signifikante Wellen in der gleichgerichteten Wellenform erhalten bleiben. Der Durchschnittsstrom I_a ist auf der vertikalen Koordinate des Diagramms aufgetragen, während die horizontale Koordinate die Zeit wiedergibt. Der Strom I_c wird mit einer Frequenz f_s abgetastet. Die Abtastpunkte sind in der Zeichnung mit S₁, S₂ . . . S_n bezeichnet. Wie später näher beschrieben wird, ist es für die sichere Funktion der Erfindung wichtig, daß die Abtastung asynchron zum Wechselstrom I_c erfolgt, d. h., die Abtastfrequenz f_s darf keine harmonische Frequenz zur dreifachen Frequenz des Stromes I_c in irgendeiner Phase sein. Unter harmonisch sind hier harmonische Frequenzen zu verstehen, die sowohl über als auch unter der dreifachen Phasenfrequenz liegen können.

Es ist verständlich, daß Einzelabfragen in den meisten Fällen kein wahres Abbild abgeben, das maßgebend für den Durchschnittsstrom I_a ist. Jedoch dadurch, daß eine größere Anzahl von Abfragen zu unregelmäßigen Zeiten auf der Wellenform vorgenommen werden, wird der Fehler, der durch die diskreten Signalniveaus im Signalverarbeitungssystem verursacht ist, mehr und mehr zu Null, und die Genauigkeit des Systems wird wesentlich erhöht.

Die Funktion des Systems, das in Fig. 1 dargestellt ist, wird nachfolgend in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Wellenform, die in Fig. 3 dargestellt ist, beschrieben. Der Wechselstrom I_c, der in den Leitern 10 fließt, erzeugt ähnliche Signale in den Stromwandlern CT1, CT2 und CT3, die der Gleichrichterstufe 16 zugeführt sind. Die Gleichrichterstufe 16 gibt ein Signal ab, das der Hüllkurve der Halbwellengleichrichtung der Dreiphasenströme in den Leitern 10 entspricht. Hier soll aufgezeigt werden, daß die Zeitkonstante des sägezahnförmigen Vergleichssignals 20 wesentlich kleiner ist als die Frequenz des Phasenstromes, der getestet werden soll. In Fig. 3 sind über die Wellenform I_c Abfrageperioden S₁ bis S₄ überlagert. Zur klareren Erläuterung sind diese in idealisierter Form dargestellt und mit einer niedrigeren Frequenz, als sie im Betrieb erforderlich ist. Es ist erkennbar, daß die Dauer der Abfragen selbst klein im Hinblick auf die Dauer der Wellenform I_c ist, so daß die Abfragen als Momentanabfragen bezeichnet werden können. Zu Beginn jeder Abfrageperiode ist die Referenzspannung des Sägezahn-Generators 21 niedrig im Hinblick auf das Abtastsignal der Gleichrichterstufe 16, und der Ausgang des Vergleichers 18 geht auf "hoch". Das Signal 20 nimmt weiterhin zu, bis es entweder gleich mit dem Wert des Signals der Gleichrichterstufe 16, an welchem Punkt die Vergleichsschaltung 18 den Zustand ändert und auf "niedrig" geht, oder bis der Sägezahn-Generator 21 am Ende der Abtastzeit zurückgesetzt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die programmierbare Digitalmittel benutzt, entspricht die Frequenz f_s der Zykluszeit des Betriebsprogramms. Es wird festgestellt, daß, je niedriger das Spannungssignal der Gleichrichterstufe 16 ist, das von höheren Werten des Stromes I_c herrührt, je näher ist es dem Anfangswert des Sägezahn-Generatorausganges und dementsprechend kürzer ist die Zeit für das Sägezahn-Signal 20, diesen Wert zu erreichen. Folglich wird die Periode, in der der Ausgang der Vergleichsschaltung 18 auf "hoch" steht, um so kürzer sein und je kürzer auch die Dauer des Ausgangspulses 22.

Der Analog-Digital-Wandler 23, der ein handelsübliches Register oder ein 4-Bit-Zähler sein kann, erzeugt kein Ausgangssignal, wenn nicht ein positives oder ein "Hoch"- Signal an seinem Eingang liegt. Die Anwesenheit eines Hochniveaupulses 22 von der Vergleichsschaltung 18 ermöglicht dem Analog-Digital-Wandler 23, an seinen Ausgängen Pulse zu erzeugen, die bis zu 16 unterschiedliche Binärzahlen repräsentieren können. Die Ausgangssignale bestehen aus mehreren Digitalpulsen, deren Wert festgelegt ist durch die Dauer des Pulses 22. Auf diese Weise ist der während der Abfrageperiode erfaßte Strom durch ein Digitalsignal dargestellt, das eine Funktion des Stromwertes ist. Bei Verwendung einer nichtlinearen Referenzwellenform 20, beispielsweise einer Expotentialkurve, wird eine nichtlineare Beziehung zwischen dem Niveau des erfaßten Stromes und dem Digitalsignal, das ihn repräsentieren soll, bewirkt, und auf diese Weise wird eine konstante Auflösung des erfaßten Stromes erhalten. Im einzelnen fällt der Anfangs- oder steil steigende Teil der Wellenform 20 mit dem höherliegenden Niveau des getesteten Stromes zusammen. Entsprechend der großen Steilheit der Abtastwellenform während des Anfangs der Testperiode entspricht ein ziemlich schmales Zeitdifferential oder als Äquivalent eine kleine Ausgangspulsweite einem relativ großen Abtaststrom. Umgekehrt geben tieferliegende Abtaststromwerte einen Anstieg für längere Ausgangssignale der Vergleichsschaltung 18, deren Dauer durch den letzten Teil der Wellenform 20 bestimmt ist, die eine viel kleinere Steilheit und daher kleine Abweichungen im Stromwert haben, was in unverhältnismäßig großen Wechseln in der Dauer des Pulses der Vergleichsschaltung 18 resultiert. Das Pulserzeugungssystem ist daher erheblich empfindlicher für niedrigere Abtaststromwerte als für höhere. Indem eine Abtastwellenform 20 mit im wesentlichen exponentieller Charakteristik gewählt wird, wurde durch die Erfindung erkannt, daß die Auflösung oder das Verhältnis der Systemempfindlichkeit zu dem Abtaststromwert im wesentlichen konstant gehalten werden kann. Dies erlaubt dem System, Ströme, die über weite Bereiche variieren, mit sehr guter Genauigkeit aufzuzeichnen.

Wie vorstehend beschrieben, ist der gesamte Ausgang der gleichgerichteten Signale von den Stromwandlern im Endeffekt komprimiert auf einen Spannungsbereich der Spannung V_r, und zwar derart, daß eine hohe Stromerfassung eine sehr niedrige Spannung erzeugt, während ein sehr kleiner Strommeßwert einen Signalanstieg bedeutet, dessen Höhe sich dem Wert V_r annähert.

Fig. 3 zeigt, wie die Dauer der Pulse, die von der Vergleichsschaltung 18 ausgegeben werden, in inverser Beziehung zu dem Stromwert I_c stehen. Die Dauer der Pulse in der Zeichnung ist zur anschaulichen Darstellung übertrieben. Die Zeitdauer der Pulse, die von der Vergleichsschaltung 18 ausgehen und in der Vergleichsschaltungslinie der Fig. 3 dargestellt sind, sind vorteilhafterweise nicht größer als die Dauer der Abtastzeit und in den meisten Fällen etwas geringer. Auch wenn die Stromhüllkurve auf hohem Niveau bleibt, wird der Vergleichsschaltungsausgang kontinuierlich auf seinem niedrigen Stand gehalten. Der erste Vergleichsschaltungsimpuls ist etwas kürzer als der zweite, was der größeren Höhe der Verbundwellenform während der Abfrage S₁ entspricht. Für die Abfrage S₃ jedoch ist der Strom I_c wesentlich größer geworden. Demzufolge ist der Vergleichsschaltungsimpuls wesentlich kürzer in seiner Dauer. Bei der Abfrage S₄ ist der Strom I_c wieder gefallen im Verhältnis zum Wert bei der Messung S₃, aber er ist etwas größer als der Wert, der zu den Abfragen S₁ und S₂ vorhanden war. Dementsprechend ist der vierte Vergleichsschaltungsimpuls weniger lang als der erste und der zweite. Die Zählimpulse, die auf der dritten Linie der Fig. 3 dargestellt sind, erscheinen im wesentlichen zur gleichen Zeit wie die Vergleichsschaltungsimpulse.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß, obgleich eine Serienschaltung vorliegt, die Zählimpulse gleichzeitig auf vier Ausgängen anliegen. Je länger die Vergleichsschaltungsimpulse sind, desto höher ist der numerische Wert, den den Zählimpulse repräsentieren. Bei dem vorliegenden System korrespondieren höhere numerische Werte mit niedrigeren Stromwerten und umgekehrt.

Mit einem wirtschaftlichen 4-Bit-Zähler oder einem Mikrocomputer jedoch ist die maximale darstellbare Zahl der Werte 16. Das Umwandlungsregister 25, das beispielsweise ein ROM (read-only-memory) oder etwas ähnliches sein kann, erhält das binäre Zählsignal und antwortet durch Herausgabe eines Wertes, der durch das erhaltene 4-Bit-Signal bestimmt ist. Bei Verwendung eines programmierbaren Mikroprozessors besteht das Umwandlungsregister aus einer einfachen Abfragetabelle, die mit den Werten gemäß Tabelle 1 programmiert ist. Register 25 ist so aufgebaut, daß die prozentuale Änderung zwischen benachbarten Werten konstant ist, so daß die Fehler, die durch die limitierte Anzahl der diskreten Werte hervorgerufen werden, die zur Verfügung stehen, nicht größer bei niedrigen Stromwerten als bei höheren sind. Die Umwandlungsregisterwerte stellen so eine Expotentialbeziehung zu den Signalen dar, die vom Zähler 24 erhalten werden. Dies kompensiert oder komplementiert die Nichtlinearität, die durch das Einführen des nichtlinearen Vergleichssignals 20 unter Beibehaltung der konstanten Signalauflösung hervorgerufen wird. Während ein analoges Ausgangssignal vom Umwandlungsregister 25 gezeigt ist, wird in einer bevorzugten Ausführungsform das Stromniveau durch eine Anzahl von Binärimpulsen dargestellt, so daß beispielsweise das Niveau des Signals vom Umwandlungsregister 25 durch einen Digitalcode dargestellt ist.

Zahl
bestimmter Wert
0
255
1	192
2	145
3	109
4	82
5	62
6	47
7	35
8	27
9	20
10	15
11	11
12	9
13	6
14	5
15	4

Der Zähler 27 beeinflußt den Schalter 26 - wie Fig. 1 zeigt - so, daß jeder n-te Abtastpuls dem unteren Überstromsignalpfad zugeführt wird, der die arithmetische Verarbeitungsstufe 28 umfaßt. Der Wert von n hängt von der Einstellung der Auslöseklasse am Eingang des Zählers 27 ab. Für eine höhere Auslöseklasse wird n größer entsprechend einem niedrigeren Anteil der Abtastungen durch den Überstrompfad, und die Zeit, die zur Auslösung des Kreises benötigt wird, nimmt zu. Die Auslöseklasseneingänge können beispielsweise den Nema-Klasssen 10, 20, 30 entsprechen, die eine Auslösung der Anordnung bei 600% Überstrom in 10, 20 oder 30 Sekunden entsprechend fordern. Während der dazwischenliegenden n-1-Pulse bewirkt der Zähler 27 eine derartige Umschaltung des Schalters 20, daß die Stromabfragesignale der arithmetischen Einheit 35 zugeführt werden.

Ein Schwellwert I_t wird durch die arithmetische Verarbeitungsstufe 28 von den Umwandlungsregistersignalen, die durch das Umwandlungsregister 25 erzeugt werden, abgezogen, so daß der Endwert der zum Akkumulator 29 herausgegeben wird, die Differenz zwischen jedem Abfragewert und dem Schwellwert wiedergibt. Das Ergebnis, das sowohl positiv als auch negativ sein kann, wird dem Akkumulator 29 zugeführt, dessen Inhalt in idealisierter Form durch die ACCUM-Linie der Fig. 3 dargestellt ist. Sobald der strombezogene Signal von dem Umwandlungsregister 25 erhält, speichert er das Signal und fügt es algebraisch den Signalen zu, die in früheren Abfrageperioden erzeugt wurden. Zusätzlich nimmt das Rückführungssignal "thermisches Gedächtnis" zu und wird dem Stromschwellwert I_t zugefügt.

Es ist zu erkennen, daß ein niedrigeres Stromniveau I_c relativ kleine Umwandlungsregistersignale erzeugt, die in kleinen oder negativen Zunahmen in dem akkumulierten Wert ACCUM resultieren, wohingegen größere Stromwerte größere Umwandlungsregistersignale erzeugen, die entsprechende Zunahmen in den akkumulierten Signalen bewirken, wie diese, die zum Zeitpunkt der Prüfung S₃ erscheinen. Während das ACCUM-Signalniveau im Akkumulator 29 in analoger Form dargestellt ist, ist festzustellen, daß die Abnahme oder das Hinzufügen derartiger Signale auf verschiedene Weise bewerkstelligt werden kann. Der Akkumulator kann z. B. ein Kondensator sein, der eine Ladung abhängig von den eingeführten Signalen speichert, oder als bevorzugte Bauform ein RAM-Gedächtnis, was folgerichtig Digitalsignale erhält. In diesem Fall ist der komulative Wert von 8-Bit-Wortsignalen durch die vertikale Höhe der ACCUM-Kurve dargestellt.

Sobald das ACCUM-Signal eine zweite Auslöseschwelle T_t überschreitet, wird ein Auslösesignale durch den Vergleicher 37 hervorgerufen, der das Öffnen der Kontakte 11 bewirkt. In der Praxis ist das Originalauslösesignal von kleiner Höhe und muß durch eine oder mehrere Verstärkerstufen verstärkt werden. Sobald das Auslösesignal eine Öffnung der Kontakte 11 des Schützes bewirkt, ist der Stromfluß beendet. Die Prüfaktivität wird weiter fortgeführt, bis I_i null die Menge I_i-I_t negativ und der Akkumulator 29 entsprechend verringert ist. Das Auslösesignal ist rückgeführt zu dem Auslöseklassenzähler 27, um eine Reduzierung des Akkumulators in der gewünschten Höhe zu erreichen, und es ist weiterhin dem als Auslösevergleichseinheit ausgeführten Vergleicher 37 zugeführt, um die Auslöseschwelle T_t an einem niedrigeren Wert festzulegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Akkumulator in zwei Stufen vermindert. In der ersten Stufe wird ein Wert, der dem halben Inhalt des Akkumulators entspricht, vom Gesamtinhalt abgezogen und in einer zweiten Stufe wird der numerische Wert, der im Akkumulator gespeichert ist, graduell auf einen Wert entleert, der sich der Stromwärmeabfuhr der Last nähert. Dieser Schritt kann mit diskreten Komponenten, beispielsweise Zählern, die das Gedächtnis um einen vorgesehenen Betrag vermindern, erreicht werden. Folglich wird das verbleibende Gedächtnis in einer vorbestimmten Zeit zurückgezählt. Diese Funktion läßt sich leicht durch Instruktion einer Zentraleinheit eines Prozessors erreichen, die darin besteht, den Inhalt des Akkumulators um einen Teil zu vermindern und den Überschuß in der beschriebenen Weise herabzusetzen.

Die Kontakte des Systems können nicht wieder geschlossen werden, bevor der Akkumulator auf einen vorbestimmten Wert vermindert wurde. Mittlerweise wird eine Restzahl im Akkumulator existieren, so daß dementsprechend eine kleinere Überstromsignalzahl notwendig ist, um das System wieder auszulösen. Dies spiegelt die Tatsache wieder, daß die zu schützende Last noch nicht voll wieder abgekühlt ist von der vorangegangenen Auslöseoperation. Die Last kann daher derartig große und/oder lange Überstrombedingungen, wie sie bei kalter Last und bei Umgebungstemperatur vorhanden wären, nicht ertragen.

Zusätzlich zur Erfassung eines hohen Überstroms im System ist es wünschenswert, eine Unsymmetrie zwischen den Strömen unterschiedlicher Phasen zu erfassen. Würde beispielsweise eine Phase unterbrochen, würde sich der Durchschnittswert des gleichgerichteten Stromes vermindern und ein System, das lediglich Überstrom erfaßt, würde nicht ansprechen.

Vorhandene Unsymmetrien werden normalerweise mit Differentialfühlersystemen ermittelt, die die Differenz des Stromflusses zwischen den Phasen messen. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch werden die Signale der einzelnen Stromwandler der unterschiedlichen Phasen addiert und als kontinuierliches Einzelsignal behandelt. Dies ist gegenüber den komplexen bekannten Methoden ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren. Es ist jedoch erforderlich, die Unsymmetrien zu erkennen und die Wirksamkeit des Systems entsprechend zu justieren. Die vorliegende Erfindung erreicht dies, indem auf die statistische Frequenz von schnellen Änderungen der zusammengesetzten Wellenform reagiert wird.

Der Ausgang des Umwandlungsregisters 25 beinhaltet ein gewichtetes Stromsignal I_i für jeden Abtastvorgang (siehe Fig. 1). In der arithmetischen Einheit 35 wird jeder i-te Abtastwert verglichen mit einem vorhergehenden Testwert, der mit I_i-1 bezeichnet ist, und zwar entsprechend folgender Ungleichung

Durch Manipulieren des Wertes P kann die Empfindlichkeit des Systems eingestellt werden, so daß der Betrag der Abweichung zweier aufeinanderfolgender Stromabfragewerte ermittelt werden kann. Es wurden im Test bereits Werte von P=2 benutzt. Dieser Wert kann sich jedoch ändern, und zwar abhängig von der spezifischen Anwendung des Systems und der Justierung anderer Systemparameter. Mit dem bevorzugten Scheitel-zu-Effektivwert-Verhältnis von 2, was dem P-Wert von 2 entspricht, ist eine Angleichung zwischen obenerwähnter Ungleichung und der zu erwartenden Wellenform zu erreichen. Für Werte von P, die nahe an 1 liegen, ist das System extrem empfindlich für Fehlerstromanstiege, bei zunehmenden Werten von P wird das System weniger empfindlich. Für Werte, die nicht der Ungleichung genügen, was einen annehmbaren kleinen Stromanstieg anzeigt, wird der M-Zähler erhöht. Auf der anderen Seite wird es klar, sobald der Stromwert der Ungleichung entspricht, daß eine unzulässig große Stromänderung vorhanden war, und der I-Zähler wird erhöht. Die annehmbaren maximalen Zählerstände oder Überflußpunkte der Zähler J und M bestimmen den Unsymmetrie- Stromwert, den das System zuläßt. Die Anzahl der Abfragewerte, die notwendig sind, um den Zähler M zum Überfließen zu bringen, ist wesentlich größer als die für den Zähler J. Wenn der Zähler M vor dem Zähler J überfließt, setzt er sich und den Zähler J zurück und der Prozeß beginnt von vorn. Sobald jedoch die Gesamtheit der schnellen Änderungsstromabfragen größer ist als ein Prozentwert, der bestimmt ist durch die verschiedenen J-Zählungen, geteilt durch die Maximumzahl aus dem Zähler M, die einer Phasenunsymmetrie von 20% entspricht, fließt der J₁- Zähler zuerst über und gibt ein Signal an den Additionsknotenpunkt 31, um die Stromschwelle I_t zu vermindern. Wenn der J-Zähler weiter erhöht wird, und der M-Zähler nicht überfließt, wird schließlich der J₂-Teil überfließen und ein zweites Kontrollsignal erzeugen, das eine Unsymmetrie von 40% anzeigt. Dieses Signal wird sowohl dem Additionsknotenpunkt 31 als auch dem Schwellwertvergleicher 37 zugeführt und verursacht eine Verminderung sowohl der Strom- als auch der Auslöseschwelle. Ein Überflußzahlenverhältnis von 255 zu 100 für den M- und den gesamten J-Zähler hat sich als vorteilhaft herausgestellt.

Es kann ein getrennter Wahlschalter oder ein ähnlicher Mechanismus vorgesehen werden, um eine Mehrzahl von Schwellwerten auszuwählen, um die Anordnung extremeren Unsymmetrien anpassen zu können. Die präzisen Werte, bei denen die Strom- und/oder Auslöseschwellen ansprechen sollen, als auch die Anzahl der Zählsektionen oder Zählstufen, die benutzt werden, sind empirisch im Hinblick auf die Systemvariablen, die gewählten spezifischen Typen der Digital- oder anderen Codes und natürlich die externen Systemaufzeichnungsmethoden zu bestimmen. Eine relativ hohe Prozentzahl von plötzlichen Schwankungen ohne Berücksichtigung von deren Höhe ist ein Anzeichen für eine Unsymmetrie in der Last oder im Extremfalle für einen Einphasenlauf. Durch die Justierung der Überflußverhältnisse der Gedächtnisse M und J kann ein vorbestimmbarer Grad von Stromunsymmetrie adressiert werden. Das System kann jedoch ohne weiteres auch in einem Einphasensystem ohne jegliche Änderung benutzt werden.

Durch Beeinflussung der Stromschwellwerte und Auslöseschwellwerte können unterschiedliche Stromunsymmetrien ermittelt werden. Zum Beispiel wurde der Auslöseschwellwert T_t um 30% vermindert, als 40% Unsymmetrie und Einphasenbedingungen erfaßt wurden. Der Stromschwellwert I_t wurde um 20% reduziert bei 20% Unsymmetriebedingung und um 68% bei 40% Unsymmetrie und Einphasenbedingung. Diese Gegenwirkungen können durch entsprechende Hardware vorausbestimmt werden, beispielsweise durch Zählerregister und logische Gatter. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, diese programmierten Gegenwertungen durch ein entsprechendes Programm in einem entsprechenden Mikrocontroler oder Mikrocomputer zu verwirklichen.

Fig. 4 stellt die zusammengesetzte Stromkurve dar bei unausgeglichenen Phasenströmen. Die Hüllkurve ist verzerrt und wesentliche Änderungen ergeben sich von einer Testperiode zur anderen. Derartige wesentliche Änderungen, die innerhalb relativ kurzer Zeit auftreten, erzeugen Differenzen zwischen den getesteten Signalen, die ausreichen, um den J-Zähler von Fig. 1 zu erhöhen und den Akkumulator 29 zu veranlassen, schneller aufzusummieren, obgleich das Durchschnittsstromniveau unter dem Normalniveau liegt, das notwendig ist, um den Akkumulator 29 zum Überfließen zu bringen. In einem derartigen Fall kann das dargestellte System Unsymmetrie in den Phasen feststellen, einschließlich Einphasenlauf, ohne hierzu getrennte Erfassungs- und Signalmittel zu benötigen, lediglich durch Ausnutzung bereits vorhandener Stromsignale.

Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Systems besteht in der Anzeige von bevorstehenden Auslösebedingungen, d. h. dem Vorhandensein eines Grenzüberstroms, der jedoch noch nicht ausreichend ist, um den Akkumulator 29 zu veranlassen, ein Auslösesignal abzugeben. In der dargestellten Ausführungsform ist der Wert jeder Stromabfrage I_i anfangs durch ein 4-Bit-Binärsignal repräsentiert. Im vorliegenden Beispiel ist das System so justiert, daß 100% des angesetzten Stromes für die Dreiphasenunsymmetrie dem Wert 7 entspricht. Benutzt man den Standard- Binärcode, so ergeben sich für Werte kleiner 7 Binäreinsen, wobei sie lediglich in den drei letzten Bits jedes Wortes erscheinen. Eine Binäreins erscheint in den meisten signifikanten Bits nicht bis es notwendig ist, die Zahl 8 oder darüber anzuzeigen. Der Decoder 32 macht hiervon Gebrauch, indem er die signifikantesten Bits jedes Digitalwortes überwacht und wenn eine Binäreins fehlt, wird ein Signal abgegeben, das momentan die LED1 aufleuchten läßt. Wie oben näher erläutert wurde, werden die Stromabfragen in einer nicht harmonischen Frequenz vorgenommen, so daß, wenn der Durchschnittsstrom ein Niveau überschreitet, das dem festgesetzten Wert entspricht, die LED1 intermittierend blinken wird. Wenn der Strom steigt (die Digitalzahl nimmt ab), wird eine progressiv größer werdende Prozentzahl der Stromabfragen durch den Decoder 32 erkannt und die Blinkgeschwindigkeit nimmt schnell zu, bis bei etwa 100% des eingestellten Stromes die LED Dauerlicht abgibt. Anstelle des Decoders 32 können auch andere Mittel zur Signalerfassung vorgesehen werden; beispielsweise ein 8-Bit-Digitalwort, das dem Stromtestwert, wie er aus dem Umwandlungsregister 25 herausgegeben wird, entspricht, kann hier benutzt werden.

Dieser Aspekt des dargestellten Systems ist in der Praxis besonders nützlich, da es dem Betreiber erlaubt zu erkennen, wann das System einen festgesetzten Stromwert überschreitet, ohne hier jedoch bereits auszulösen. Zusätzlich zur nützlichen Warnung erlaubt die Anordnung dem Betreiber, die Steuerung zu justieren, ohne die aktuellen Stromwerte zu kennen und somit ohne Amperemeter oder andere Instrumente die Anlage einzustellen. Wenn das System einmal installiert ist und mit normalem Laststrom arbeitet, wird das Stromniveau durch Erhöhung der Verstärkung der Gleichrichterstufe, bis die LED gerade aufhört zu blinken, gesenkt. Bei ordentlicher Einstellung der Verstärkung der Sensorstufe kann so der Ist-Strom bestimmt werden.

Fig. 5 zeigt im einzelnen eine vorteilhafte Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung, in dem viele der Signalverarbeitungsfunktionen durch einen Mikrocontroler oder Mikroprozessor ausgeführt sind. Ein Mikrocontroler der Type COP 402, hergestellt durch die National Semiconductor Corporation of Santa Clara, California, wurde in Verbindung mit einem getrennt löschbaren und programmierbaren Lesespeicher in einem Beispiel benutzt. Sofern große Stückzahlen notwendig sind, kann ein kundenspezifisches read-only-memory Benutzung finden. Der Mikrocontroler als Recheneinheit ist hier mit 40 bezeichnet. Er benutzt die externe Oszillatorbeschaltung, die vom Hersteller empfohlen ist und aus dem Resonanzquarz XTAC und den Kondensatoren C1 und C2 besteht. Widerstände R1a und R1b sind quer zum Kristall geschaltet, wie aus der Fig. 5 ersichtlich. Diese Schaltung bildet den Taktgenerator. Die Widerstände R2 und R8 sind mit den Mikrocontrolereingängen L0 bis L6 gekuppelt. Eine Stromversorgung 41, die eine unstabilisierte 8V- und eine stabilisierte 5V-Spannung erzeugt, ist zwischen die Klemmen GND und +5 des Mikrocontrolers geschaltet. Schalter S1, S2 und S3 sind zwischen einem Referenzpotentialpunkt und den Programmiereingängen G1, G2 und G3 des Mikrocontrolers angeschlossen; hiermit wird die Auslöseklasse wahlweise festgelegt. Die Schalter S1 bis S3 und ähnliche Anordnungen, die mit den Klemmen L0 bis L6 in Verbindung stehen, können aus individuell herstellbaren Brücken oder anderen leicht von Hand betätigbar Mechanismen bestehen, die für den Benutzer zugänglich sind, um die Anordnung einzustellen in bezug auf Anwendungen der Steuerung, z. B. um das Zurückstellen des Systems nach einer Auslösung zu verhindern oder zuzulassen, oder einen gewissen Grad von Unsymmetrie zu tolerieren, um die Einheit bei einem Einphasensystem benutzen zu können. Einer der gepufferten Ausgänge D3 ist mit einer Lumineszenzdiode LED1 verbunden, um den Stand der Stromermittlung anzuzeigen. Wie üblich, ist die LED1 an eine Spannungsquelle, hier 5V, über den Widerstand 9 angeschlossen. Eine zweite Lumineszenzdiode LED2 ist vorgesehen, um die Auslösezustände anzuzeigen.

Die in Fig. 1 mit 15 bezeichnete Treiberstufe ist in Fig. 5 näher erläutert. Der Ruhe- oder Nichtauslöseausgang des Mikrocontrolers liefert eine Pulskette 42, die wechselspannungsmäßig an der Klemme D2 anliegt und über den Kondensator C3 und den Widerstand R10, die Auslösespule 14a und die Rückstellspule 14b eines Relais beaufschlagt. Der Strom für die Auslösewicklung fließt über den Transistor Q₁, dessen Basis von der Pulskette 42 über die Diode CR1 isoliert ist. Die Basis ist an ein Referenzpotential über den Kondensator C4 angekuppelt und an ein Basisspannungspotential über den Widerstand R11. Eine Diode CR2 liegt als Shunt zur Auslösespule 14a. Von der Auslösespule 14a wird ein weiterer Kontaktsatz 13 (Fig. 1) betätigt. Die Schließerkontakte 13a und 13aa sind so geschaltet, daß der Kontakt 13a als Shunt zum Kondensator C4 und der Kontakt 13aa zwischen der LED2 und Erde liegt. Die Kathode der LED2 liegt weiterhin über den Widerstand R12 an der Klemme L7 des Mikrocontrolers, und zwar als Rückführung zum Mikrocontroler 40 für die Stellung des Relais.

Zur Rückstellspule 14b liegt eine weitere Diode CR3 parallel. Diese Parallelschaltung liegt in Reihe mit dem zweiten Transistor Q₂. Ein Thyristor SCR1 oder ein ähnliches Schaltgerät verbindet den Emitter des Transistors Q₂ mit einem Referenzpotential. Öffnerkontakte 13b liegen in Reihe mit einem Widerstand R13.

Solange das System Normalstrom überwacht, liegt eine konstante Pulskette 42 an der Klemme D2 des Mikroprozessors. Die Pulskette schaltet den Thyristor SCR1 durch, so daß die Rückstellspule 14b an Spannung liegt und den Kontakt 13b in den Ruhestand, nämlich den geschlossenen, versetzt. Die Diode CR1 leitet die negativen Spitzen der Pulskette 42 und entlädt hiermit den Kondensator C4, so daß das Basispotential am Transistor Q₁ auf einem niedrigen Niveau gehalten wird. Es stellt sicher, daß Q₁ nicht durch die 5V-Spannungsversorgung, die über den Widerstand R11 anliegt, durchgeschaltet werden kann. Sobald ein Auslösesignal erscheint, erlischt auch die Pulskette 42, so daß kein Durchschaltsignal mehr am Thyristor SCR1 liegt. Zur gleichen Zeit lädt sich der Kondensator C4 auf und schaltet damit den Transistor Q₁ sowie die Einschaltspule 14a durch. Hierdurch werden die Kontakte 13 geöffnet und der Stromfluß durch die Wicklung 12 unterbrochen, so daß sich die Kontakte 11 öffnen. Zur gleichen Zeit werden die Kontakte 13aa geschlossen, so daß die LED2 aufleuchtet und damit eine Auslöseposition anzeigt, und gleichzeitig liegt Nullspannung an der Eingangsklemme L7 des Mikroprozessors, um diesen zu informieren, daß eine Auslösebedingung vorliegt.

Wie im Hinblick auf die Fig. 1 erläutert wurde, fließt ein Strom I_c, gewöhnlicherweise ein Dreiphasenstrom, durch die Leiter 10, in denen Stromwandler CT1, CT2 und CT3 angeordnet sind. Die Stromwandler ihrerseits sind mit drei entsprechenden Differentialvestärkern A1, A2, A3 verbunden. Ein Netzwerk von Lastwiderständen R17, R18 und R19 verbinden die einen Enden der Stromwandler mit einer Referenzspannung, hier 5V. Ein zweiter Wiederstandssatz R20, R21, R22 liegt parallel zu den Widerständen R17, R18, R19 bzw. über einen Bereichsschalter S₄, so daß der effektive Widerstand zwischen den positiven Klemmen jedes Verstärkers und einem allgemeinen Bezugspotential modifiziert werden kann, um den Stromerfassungsbereich zu justieren, beispielsweise um einen Faktor 10. Über den Widerstand R15 liegt die 5V-Bezugsspannung an den negativen Eingängen der Verstärker, wohingegen der Widerstand 16 den Ausgang mit der Vergleichsschaltung 18 verbindet. Der Stromfluß zum Laden des Kondensators C6 ist über den Widerstand R23 gesteuert. Der Kondensator C5 stabilisiert den Ausgang der Verstärker. Der Widerstand 24 wirkt als Rückführungswiderstand und Steuerung für die Verstärker. Ein erster Diodensatz CR4 bis CR6 legt die Eingangsleitungen der Verstärker A1 bis A3 an Erde, wohingegen ein zweiter Satz von Dioden CR7 bis CR9 die Eingangsleitungen an ein 5V-Niveau legt, so daß die Eingangsspannung der Verstärker zwischen -.7 und +5.7V gehalten wird.

Die Verstärker A1, A2 und A3 wirken als Halbwellengleichrichter, so daß eine Wellenform entsteht, die ein periodisches Halbwellensignal ergibt, das mit den um 120° versetzten Phasenanteilen eine Oberwelligkeit hervorbringt. Im vorliegenden Fall ist ein Scheitel-zu-Effektivwert- Verhältnis von 2 gewünscht worden. Eine Zunahme im zu erfassenden Strom erzeugt eine negativ liegende Wellenform am Ausgang des entsprechenden Gleichrichtungsverstärkers. Die Sternschaltung der Lastwiderstände R17, R18 und R19 und die Verbindung der Verstärker A1, A2 und A3 hieran stellt sicher, daß das negativste der drei Signale dominiert. Jeder Verstärker ist somit für einen Bereich von 120° jedes Zyklus bei gleichmäßigen Bedingungen in Funktion. Das gleichgerichtete, negativ liegende Signal, das vom Verstärkerkreis abgeleitet wurde, wird über den Widerstand 16 an die positive Eingangsklemme der Vergleichsschaltung 18 angelegt. Somit liegt hier an den beiden Eingängen der Vergleichsschaltung 18 ein negativ Fig. liegendes Signal, das die positive Klemme nach unten drückt und im Endeffekt die Schwellspannung für das Sägezahn-Signal 20, das vom Kondensator 6 abgeleitet ist, herabsetzt. Entsprechend gilt, je negativer die Vorspannung an der positiven Klemme der Vergleichsschaltung 18 ist, je eher wird der Vergleichsschalter zu seinem hohen Wert umschalten, sobald die Sägezahn-Wellenform zunimmt. Eine relativ hohe Spannung an der positiven Klemme wird den Vergleicher veranlassen, schnell in seinen niedrigen Stand umzuschwenken, nachdem der Sägezahn auf das Ruheniveau hin um nur einen kleinen Betrag gefallen ist. Demnach wird die Dauer des Hochzustandes der Vergleichsschaltung nur kurz sein. Dieses korrespondiert mit einem kurzen Vergleichsschaltungsausgangspuls 22. Zur gleichen Zeit wird ein kleines, leicht negatives Signal des Verstärkers den Vergleicher nur leicht vorspannen, so daß sich der Sägezahn dem maximalen Niveau annähern muß, bevor der Vergleicher von hoch auf niedrig umschaltet. Dies hat die Auswirkung, daß sich der Ausgangspuls 20 in der Dauer verlängert, und auf diese Weise wird erzwungen, daß die Dauer des Ausgangspulses eine inverse Funktion des Stromniveaus ist, das von den Stromwandlern erfaßt wird. Abhängig von der Erfassungsfrequenz, in diesem Fall durch die Zykluszeit des Funktionsprogrammes des Mikrocontrolers 40 dargestellt, wird, nachdem eine gewisse Zeitperiode vergangen ist, ein negativ liegendes Rücksetzsignal aus der Klemme D0 des Mikroprozessors herausgegeben, um den Kondensator C6 zu entladen und die Erzeugung eines neuen sägezahnähnlichen Pulses zu starten. Kondensator C6 wird über Widerstand R23 mit der Zeitkonstante τ=R23 · C6 aufgeladen und mit einem negativen Puls aus der angeschlossenen Recheneinheit in regelmäßigen Abständen wieder entladen.

Es ist somit ersichtlich, daß ein zu erfassender Strom mit einer relativ kleinen Höhe eine relativ große positive Vorspannung am Vergleicher 18 erzeugt. Dies indes veranlaßt die Vergleichsschaltung, eine längere Pulsweite zu erzeugen und den Zustand zu einer Zeit zu ändern, in der der Anstieg der Expotential- oder sägezahnähnlichen Referenzwellenform niedrig ist. Das Auflösevermögen des Schaltpunktes ist sehr genau. Für größere Stromwerte ist die Vorspannung am Vergleicher beträchtlich niedriger und der Vergleicher ändert seinen Zustand schnell, und zwar zu einer Zeit, in der der Anstieg der Referenzwellenform hoch ist. Der steilere Wellenformanstieg erniedrigt die Auflösung des Schaltpunktes in absoluter Beziehung, aber, da der Stromwert an sich größer ist, ist die Auflösung des Stromwertes, äquivalent in Fehlerprozenten, im wesentlichen konstant.

Die in Fig. 5 in diskreter Form gezeigten Elemente können im Bedarfsfall leicht in einem oder mehreren integrierten Kreisen untergebracht werden, und sofern größere Stückzahlen zu erwarten sind, können mehrere Verstärker, Transistoren, Widerstände und dergleichen in einem einzigen kundenspezifischen IC untergebracht werden.

In der Praxis können die schematisch in Fig. 1 dargestellten Funktionselemente in der vorbeschriebenen Weise in einem Mikroprozessor oder Mikrocontroler untergebracht werden. Diese Funktionen und Beziehungen werden durch entsprechende Instruktionen, die dem Mikroprozessor eingegeben werden, erreicht.

In Fig. 6 und Fig. 6a-d sind Mikroprozessoroperationen in logischer Form gezeigt. Sie bestehen aus Flußdiagrammen.

Es wird angenommen, daß die Flußdiagramme, die in den Fig. 6a-6d gezeigt sind, den Fachmann in die Lage versetzen können, handelsübliche Mikroprozessoren in der oben beschriebenen Weise zu programmieren. Die wesentlichen Systemfunktionen sollen hier noch einmal zusammengefaßt werden.

Wie es bei derartigen Systemen üblich ist, ist der erste Schritt, alle Elemente auf die Anfangsposition zu stellen, was auch einschließt, daß alle flags oder ähnliche Alarmsignale zurückgesetzt sind, daß die Zähler und Speicher, soweit notwendig, auf Null oder auf Anfangswerte eingestellt sind, beispielsweise hier die gewünschten Stromschwellwerte. Ein Test sollte gemacht werden, um festzustellen, daß die Auslöserückführung funktionsfähig ist. Dann wird die Auslöseklasse eingegeben und auch ein Register, das dem Zähler 27 entspricht, eingelesen. Eine Vergleichsroutine wird durchgeführt, indem zuerst der Kondensator des Sägezahn-Generators 21 voll entladen wird. Dann wird der Kondensator isoliert, um ihn entsprechend einer Zeitkonstante aufladen zu können. Solange die Kondensatorspannung zunimmt, werden weiterhin wiederholt Vergleiche durchgeführt und der Zähler 24 wird höher gesetzt, bis ein Vergleich durchgeführt ist, zu welcher Zeit der Stromtestwert vorhanden ist. Das dem Zähler 27 entsprechende Register wird dann vermindert. Solange letzterer noch nicht seinen "Null"-Status erreicht hat, wird eine Phasen-Unsymmetrie-Routine durchgeführt, die einen Vergleichsschritt beinhaltet, welcher feststellt, ob die Stromabfrage I_i die Ungleichung

erfüllt. Wie in bezug auf die Fig. 1 dargelegt wurde, erhöhen Stromwerte das Symmetrie-Register, die diese Ungleichung nicht erfüllen und so nicht übermäßig von dem vorhergehenden Stromabtastwert abweichen, wohingegen solche, die die Ungleichung erfüllen, das Unsymmetrie-Register oder den J-Zähler erhöhen. Ist das Symmetrie-Register nicht übergeflossen, und hat das Unsymmetrie-Register seinen ersten Überflußpunkt noch nicht erreicht, wird die Stromschwelle nicht geändert und die Stromhöhe wird gegenüber einem vorgegebenen Stromwert abgefragt. Sobald das Symmetrie- Register erstmalig überfließt, wird der hohe Stromschwellwert I_t1 eingegeben und beide, sowohl Symmetrie- als auch Unsymmetrie-Register werden zurückgesetzt. Sollte das Unsymmetrie-Register seinen ersten Überflußpunkt erreicht haben, der niedriger liegt als der Symmetrie- Zähler, wird ein etwas kleinerer Stromschwellwert I_t2 eingegeben, der in den Stromverhältnissen einer 20%igen Unsymmetrie entspricht. Liegt der Symmetrie- Zähler niedriger als der Unsymmetrie-Zähler bei 40% Unsymmetrie, wird eine dritte Stromschwelle I_t3 gesetzt.

Als vorteilhaft hat sich eine Unsymmetrie-Überwindungsfunktion erwiesen, wonach sich in Abhängigkeit der Anwendung eines Steuersignals (beispielsweise das Schließen eines Schalters) an einem der Hilfssteuereingänge L0- L6 eine große fühlbare Unsymmetrie durch Schaffung eines vierten Stromschwellwertes I_t4 ergibt. Wie aus Tabelle 2 zu ersehen ist, ist der Wert I_t4 größer als I_t2 und I_t3 und macht das System weniger empfindlich für Stromunsymmetrie. Bei günstiger Auswahl von I_t4 kann das System dann benutzt werden, um Einphasenströme zu erfassen, wo die gleichgerichtete Wellenhüllkurve natürlich einen höheren Welligkeitsfaktor aufweist als bei einer vergleichbaren Dreiphasenwellenform.

Tabelle 2

Nachdem der Stromschwellwert, wie in Fig. 6d gezeigt wurde, ermittelt wurde, wird der absolute Wert der Stromabtastung geprüft, um zu sehen, ob er den vorgegebenen Stromwert überschreitet. Wenn dies so ist, wird das Überstromsignal oder ein "flag" gesetzt, und zwar beispielsweise für die nächsten vier Zyklen. Dies entspricht dem an Spannung legen der LED1 in Fig. 1. Die Anzahl der Zyklen, in denen die LED "Ein" ist, stellen sicher, daß die LED für eine geringe Zeit leuchtend bleibt, und zwar lang genug, um vom menschlichen Auge als Anzeichen erkannt zu werden, daß der vorgegebene Strom annähernd erreicht ist. Das System setzt als nächstes alle Ausgänge in Zusammenhang mit den bereits gesetzten flags in geeignete "flag"- Register und bei jedem dritten Zyklus wird ein Puls herausgegeben, um die Treiberstufe 15 zu beaufschlagen. Ein Reihenausgang, entweder als Nr. 1 oder Nr. 2 bezeichnet, kann dann an eine entfernt liegende Aufzeichnungs- und Überwachungsstation gegeben werden, und zwar abhängig, ob die Bits, die in einem Register entsprechend dem Zähler 27 gespeichert sind, gerade oder ungerade sind.

Sollte der Auslöseklassenzähler auf seinem niedrigsten Stand sein, siehe Fig. 6a, wird der zuletzt bestimmte Stromschwellwert eingegeben und der Akkumulator 29 auf einen neuen Wert A_i erhöht. Dieser Wert stellt den vorher gespeicherten Wert A_i-1 plus dem letzten Stromabfragewert I_j, vermindert um die Werte der Stromschwelle I_t und der Rückführung des thermischen Gedächtnisses, der aus einem Bruchteil des vorhergehenden Akkumulatorwertes besteht, dar.

Es ergibt sich folgende Beziehung:

Faktor Q repräsentiert eine angemessene Potenz von 2, die abhängig ist von der Höhe der vorgesehenen Inhalte des Akkumulatorregisters und der Wirkung, die durch die gegebene thermische Situation zu berücksichtigen ist. In einer erfolgreich getesteten Ausführungsform wurde der Wert von 2048 verwirklicht.

Wenn der Wert des Akkumulator-Registers Null oder weniger ist, wird das Register auf Null gestellt, und es werden Tests durchgeführt, um zu sehen, ob verschiedene Kontakte, die einen wahlweisen Zustand annehmen können, angesprochen haben. Hier wird beispielsweise überprüft, ob der Schalter ausgelöst hat, eine automatische Rückstellung möglich oder nicht möglich ist. Diese Kontakte, die eine wahlweise gewünschte unterschiedliche Funktion verwirklichen können, können als Schalter vorgesehen werden, die mit den Klemmen L0-L6 in Verbindung stehen.

Sofern das Akkumulatorregister einen gewissen Inhalt besitzt, wird ein Vergleich mit einer Auslöseschwelle T_t durchgeführt, deren Wert abhängig von dem Grad der zu messenden Unsymmetrie ist. Eine niedrigere Auslöseschwelle wird gewählt, wenn ein Unsymmetrie-Strom vorhanden ist, z. B. eine Unsymmetrie-Schwelle, die ungefähr einem Drittel des Normalfalles bei symmetrischem Strom entsprechen kann. Wenn die Schwellen nicht erreicht werden oder mit anderen Worten, wenn der Akkumulator noch nicht übergelaufen ist und keine entfernt liegende Auslösung angesprochen hat, arbeitet das Steuersystem durch Setzen seiner Ausgänge in der üblichen Form weiter. Ist jedoch das Akkumulatorregister übergeflossen oder hat ein entfernt liegender Auslöser angesprochen, wird der Inhalt des Akkumulators 29 verringert und ein angemessener Wert, der einer Abkühlungskonstante entspricht, ist in das Register eingeführt. Dieser Wert ist etwas niedriger als der Überflußwert des Registers und entspricht einer anfänglichen Reduzierung. Auslöse-flags werden dann gesetzt, und folglich werden alle Ausgangssignale in Abhängigkeit von den flags abgegeben. Bei jedem dritten Zyklus liegt Spannung an der Treiberstufe 15 und der Durchschnittsstrom wird bestimmt, indem ein Viertel des Abfragewertes I_i zu drei Vierteln des vorher ermittelten Durchschnittsstromes hinzugefügt wird. Das System wird dann zurückgeführt, wie oben erwähnt. Während eine erfolgreich getestete Ausführungsform von dem Mikrocontrolermodell COP 402 der National Semiconductors Corporation Gebrauch macht, ist es ohne weiteres ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung auch mit anderen programmierbaren Einrichtungen, die äquivalente oder größere Speichervermögen haben, durchgeführt werden kann.

Claims

1. Überstromschutzvorrichtung mit einer abhängig von einer Stromerfassungseinrichtung wirkenden Schaltvorrichtung zum Öffnen und Schließen von Wechselstromkreisen, mit einer der Stromerfassungseinrichtung nachgeschalteten Gleichrichter- Schaltung, an deren Ausgang ein gleichgerichteter Strom abnehmbar ist, mit einem Analogkomparator, einem Analog-Digital- Wandler und einem digitalen Speicher zur Speicherung von aus dem gleichgerichteten Strom abgeleiteten Stromabfragewerten und einer Recheneinheit, die abhängig vom Erreichen vorgegebener Grenzwerte die Schaltvorrichtung beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß der gleichgerichtete Strom einem ersten Eingang des Analogkomparators (18) zugeführt wird, an dessen zweitem Eingang ein Signal mit periodisch mit einer Taktfrequenz (fs) wiederkehrenden, exponentiell verlaufenden Spannungsrampen (20), ähnlich einer Sägezahnkurve, ansteht, wobei die Taktfrequenz (fs) dieses Signals zur Frequenz des Wechselstromes nicht harmonisch ist und daß das so gewonnene pulsbreitenmodulierte Ausgangssignal (22) des Analogkomparators (18) dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers (23) zugeführt wird.

2. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung eine über die Recheneinheit (40) gesteuerte Auslöseschaltung mit elektronisch gesteuerter Auslöse- (14a) und Rückstellspule (14b) enthält.

3. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal mit exponentiellen Spannungsrampen (20) von einem Funktionsgenerator (21) erzeugt wird, der seinerseits mit einem eine Pulskette (42) abgebenden Taktgenerator (CLK) in Verbindung steht, und daß die Pulskette (42) der Rückstellspule (14b) zugeführt wird.

4. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulskette (42) den Funktionsgenerator (21) periodisch zurücksetzt.

5. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Schaltzustand der Schaltvorrichtung anzeigende erste Lumineszenzdiode (LED2) vorgesehen ist.

6. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine derartige Ansteuerung einer zweiten Lumineszenzdiode (LED1), daß diese Lumineszenzdiode (LED1) bei beginnenden Überstromzuständen zunächst mit zunehmender Frequenz blinkt und danach Dauerlicht abgibt.

7. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu überwachende Wechselstromkreis (10) ein Dreiphasennetz ist und die Stromerfassung über Stromwandler (CT1, CT2, CT3) erfolgt, deren Sekundärwicklungen im Dreieck und deren Abschlußbürden (R17, R18, R19) in Stern geschaltet sind.

8. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von ersten Operationsverstärkern (A1, A2, A3) vorgesehen ist, die als Elektrometer-Verstärker geschaltet sind und an deren nicht invertierenden Eingängen die Verbindungspunkte der Sekundärwicklungen und an deren invertierenden Eingängen ein gemeinsames Gegenkopplungssignal liegen.

9. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Operationsverstärker (A1, A2, A3) gemeinsam an dem nicht invertierenden Eingang des als Analogkomparator wirkenden weiteren Operationsverstärkers (18) liegen, dessen anderer Eingang mit dem Funktionsgenerator (21) verbunden ist, wobei der weitere Operationsverstärker (18) ein positives Signal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Funktionsgenerators (21) den Ausgangswert der ersten drei Operationsverstärker (A1, A2, A3) unterschreitet.

10. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß an den einen Eingängen der ersten Operationsverstärker die Bürdenwiderstände (R17, R18, R19) der Stromwandler-Sekundärwicklungen angeschlossen sind, deren Sternverbindungspunkt am Referenzpotential (+5V) liegt.

11. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürdenwiderstände (R20, R21, R22) justierbar sind.

12. Überstromschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den invertierenden Eingängen und dem gemeinsamen Ausgang der ersten Operationsverstärker (A1, A2, A3) ein einstellbarer, die Verstärkung vorgebender Widerstand (R24) vorhanden ist.

13. Überstromschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (21) als Sägezahngenerator eine Reihenschaltung aus Kondensator (C6) und Widerstand (R23) enthält, wobei letzterer mit einem Ende am Referenzpotential (+5V) und mit dem anderen Ende am Ausgang des Taktgenerators (CLK) liegt, der seinerseits Bestandteil der Recheneinheit (40) ist.

14. Überstromschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichsschaltung vorgesehen ist, in der in der Recheneinheit (40) gespeicherte Werte, die den Stromabfragewerten entsprechen, mit einstellbaren Schwellwerten verglichen werden.

15. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das am Ausgang des Analog- Digital-Wandlers (23) anstehende, die Stromabfragewerte darstellende Ausgangssignal dem digitalen Speicher (25) zugeführt wird, in welchem die digitalen Stromabfragewerte in diskret gestufte Digitalstromsignale (I_i) umgeformt werden.

16. Übertromschutzvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Digitalstromsignale (I_i) abhängig von Steuerpulsen einem ersten Strompfad aufgeschaltet wird, wobei die Steuerpulse im Zeitraster der Taktfrequenz (fs), jedoch mit einer unterhalb der Taktfrequenz (fs) liegenden Frequenz auftreten und der im ersten Strompfad auftretende Teil der Digitalstromsignale (I_i) zur algebraischen Verknüpfung mit einem Stromschwellwert (I_t) einer arithmetischen Verarbeitungsstufe (28) zugeführt wird, deren Ausgangswerte in einem Akkumulator (29) aufaddiert werden, welcher bei Überschreiten einer vorgegebenen Auslöseschwelle (T_t) eine Trennung der Wechselstromkreise durch die Schaltvorrichtung veranlaßt, und daß die übrigen der Digitalstromsignale (I_i) einem zweiten Strompfad aufgeschaltet werden und eine Unsymmetrie-Erfassungseinheit hieraus die Höhe der Unsymmetrie des gleichgerichteten Stromes (I) ermittelt und davon abhängig den Stromschwellwert (I_t) und die Auslöseschwelle (T_t) beeinflußt.

17. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerpulse von einem Zähler (27) erzeugt werden und ihre Frequenz einer dem Zähler (27) vorgegebenen Auslöseklasse entspricht.

18. Überstromschutzvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Unsymmetrie-Erfassungseinheit eine arithmetische Einheit (35), einen ersten Zähler (M) und mindestens einen weiteren Zähler (J_l) enthält, daß die arithmetische Einheit (35) jeden der Digitalstromwerte (I_i) in diesem Strompfad mit dem vorherigen vergleicht und abhängig von der Abweichung aufeinanderfolgender Digitalstromwerte (I_i) den ersten Zähler (M) oder den weiteren Zähler (J_l) erhöht, wobei Abweichungen unterhalb vorzugebender Grenzen den ersten Zähler (M) und oberhalb dieser den weiteren Zähler (J_l) erhöhen und wobei nur ein Überlaufen des weiteren Zählers (J_l) eine Herabsetzung des Stromschwellwertes (I_t) bewirkt.

19. Überstromschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strompfade in der Recheneinheit (40) enthalten sind.

20. Überstromschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulskette (42) des Taktgenerators (CLK) über ein UND- Gatter (15) zur Auslöseschaltung geführt ist, und daß das UND-Gatter (15) diese Übertragung sperrt, sobald die Auslöseschwelle (T_t) überschritten wird.

21. Überstromschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reduzierung des Speicherstandes im Akkumulator (29) erfolgt, sobald die Auslöseschwelle (T_t) überschritten wird, in einer vom Speicherstand abhängigen Höhe und in einer vorbestimmten Zeitdauer.