DE4000152A1 - Elektronisches thermorelais und hierfuer geeignetes thermisches element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Thermorelais, das mit einer mehrphasigen Last verbindbar ist, um dessen Speisung zu unterbrechen, wenn auf mindestens einer Phase eine Strom­ überlast oder ein Ungleichgewicht zwischen Phasenströmen auf­ tritt, sowie ein für ein solches Relais geeignetes thermi­ sches Element.

Die mechanischen Thermorelais, die gewöhnlich zum Schutz von mehrphasigen Motoren benutzt werden, weisen ein Bimetall­ element pro Phase und eine Gruppe von voneinander trennbaren Kontakten auf. Die Bimetallelemente werden von den ganzen Phasenströmen oder einem Teil davon durchflossen, und wenn eine Überlast auftritt, biegt sich das Bimetallelement der überlasteten Phase bzw. Phasen und wirkt mechanisch auf einen Auslösemechanismus ein, der die Öffnung der Kontaktgruppe bewirkt.

Diese bekannten Relais sind sehr robust und ihre Herstellungs­ kosten sind niedrig. Sie besitzen jedoch unter anderem die Nachteile, daß ihre Auslöseschwelle im Dauerbetrieb nicht ausreichend präzise ist, daß sie vor der Auslösung kein Vor­ warnsignal abgeben können und daß sie bei Warmstarts der von ihnen überwachten Motoren nicht befriedigend arbeiten.

Zum Schutz von mehrphasigen Motoren werden auch elektronische Relais benutzt. Diese Relais besitzen pro Phase ein Fühl­ organ, beispielsweise einem Stromwandler, der ein Signal abgibt, das ein Abbild von der Stärke des Stroms in der Phase ist, sowie eine elektronische Verarbeitungsschaltung, die die von den Fühlorganen gelieferten Signale aufnimmt und verarbeitet und ein Auslösesignal erzeugt. Diese Relais er­ möglichen ein Vorwarnsignal und besitzen eine hohe Präzision des Dauerbetriebs, sie sind jedoch kompliziert, was erhöhte Kosten, größere Abmessungen und eine Erhöhung der Wahrschein­ lichkeit des Auftretens von Fehlern mit sich bringt. Außerdem behandeln sie die Warmstarts nur korrekt, wenn eine Speicherung des Wärmezustands des Motors vorgesehen wird, was die ge­ nannten Nachteile mit sich bringt. Ziel der Erfindung ist es, ein mit einer mehrphasigen Last, beispielsweise einem Motor, verbindbares elektronisches Thermorelais zu schaffen, bei dem der thermische Zustand der Last auf einfache Weise im Inneren der Fühlorgane gespeichert wird und die gleichzeitig eine schnelle Feststellung der starken Überlasten gewährleistet und ein befriedigendes Verhalten bei Warmstarts des Motors be­ sitzt.

Ziel der Erfindung ist es ferner, die elektronische Schaltung solcher Relais mit Fühlorganen zu versehen, die mit Heizele­ menten mit geringem Leistungsverbrauch ausgerüstet sind, deren Wärmeabgabe erheblich geringer als die der Bimetallelemente der mechanischen Thermorelais ist.

Ziel der Erfindung ist es außerdem, ein Fühlorgan mit geringer Dicke zu schaffen.

Erfindungsgemäß besitzt jedes Fühlorgan ein thermisches Ele­ ment, das mit einem resistiven Heizelement, das von dem ge­ samten Phasenstrom oder einem Teil davon durchflossen wird, einem resistiven Fühler, dessen spezifischer Widerstand sich kontinuierlich mit der Temperatur ändert und der elektrisch mit der Verarbeitungsschaltung verbunden ist, um dieser ein analoges Signal zu liefern, das ein Abbild der von dem resisti­ ven Element erzeugten Erwärmung ist, und mit einer thermischen Masse versehen ist, die einen thermischen Speicher der Er­ wärmung der Last bilden kann, wobei das Heizelement mit einem sich von der thermischen Speichermasse unterscheidenden Wärme­ kopplungskörper thermisch gekoppelt ist, mit der Speichermasse in thermischer Verbindung ist und einen niedrigeren Wärmeleit­ widerstand als die Speichermasse besitzt.

Ein derartiges Relais enthält also Fühlorgane, die der elek­ tronischen Verarbeitungsschaltung analoge Signale liefern, die sich mit einer ersten Zeitkonstante, die im wesentlichen eine Funktion des Wärmeleitwiderstands des Kopplungskörpers ist, im Falle einer starken oder mittleren Überlast (d.h. beispiels­ weise von etwa 2I _n bis 17I _n ) und mit einer zweiten, höheren Zeitkonstante, die im wesentlichen eine Funktion von dem Wärmeleitwiderstand der Speichermasse ist, im Fall einer ge­ ringen Überlast (beispielsweise unter etwa 2I _n ). Die thermi­ sche Speichermasse wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der für den Motor gewünschten Schutzklasse gewählt, was eine Vereinfachung der Herstellung der thermischen Elemente ge­ stattet.

Der Körper mit niedrigem Wärmeleitwiderstand ist vorzugsweise eine dünne Keramikplatte mit guter Wärmeleitfähigkeit, deren erste Fläche einen Leiter, beispielsweise ein dünnes leiten­ des Gitter trägt, dessen spezifischer Widerstand sich konti­ nuierlich mit der Temperatur ändert und dessen zweite, der ersten Fläche entgegengesetzte Fläche sich in unmittelbarer Nähe des Heizelements befindet, beispielsweise mit diesem in Kontakt ist. Zweckmäßigerweise ist das Heizelement eine dünne Platte aus einer Kupferlegierung oder einer anderen leitenden Legierung, die ausgestanzt ist und auf die Keramikplatte aufge­ legt ist. Die thermische Speichermasse besteht aus einem Werkstoff, der bei geringem Volumen einen hohen Wärmeleit­ widerstand hat, beispielsweise aus Asbestzement.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeich­ nung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Fühlorgans eines erfindungsgemäßen elektronischen Thermorelais,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des Fühlorgans,

Fig. 3 dieselbe Darstellung einer Abwandlung des Fühlorgans und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Thermorelais.

Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Fühlorgan 10 ist ein thermi­ sches Element 11, das ein resistives Heizelement 12, einen von einem isolierenden Kopplungskörper 14 getragenen Fühler 13 und eine thermische Speichermasse 15 besitzt. Jedes Fühlorgan ist einer Phase einer mehrphasigen Last, beispielsweise eines Motors, zugeordnet. Es kann durch Anschluß von Leitern an die Enden 16, 17 des Heizelements 12 mit dem Stift bzw. der Klemme des betreffenden Pols des elektronischen Thermorelais verbunden werden, was im nachstehenden anhand von Fig. 4 noch erläutert wird.

Das resistive Heizelement 12 besteht aus einer dünnen Platte aus Kupfer oder einer geeigneten leitenden Legierung, die vor­ zugsweise mäanderförmig ausgeschnitten ist, jedoch auch auf jede beliebige andere Weise ausgebildet sein kann. Der Fühler 13 ist ein leitendes Gitter mit geringer Dicke, beispielsweise aus Nickel, das auf eine dünne Platte 14 aus Aluminiumoxid aufgebracht ist, die den elektrisch isolierenden Wärmekopplungs­ körper bildet. Stifte 18 zur Verbindung mit der in dem Relais vorgesehenen elektronischen Verarbeitungsschaltung sind mit dem Gitter des Fühlers 13 verbunden. Das Heizelement 12 ver­ braucht nur wenig Strom und hat eine geringe Wärmeabgabe. Man stellt fest, daß das Fühlorgan eine geringe Dicke besitzt.

Die thermische Speichermasse 15 besteht aus einem elektrisch leitenden Werksstoff, dessen Wärmeleitwiderstand bezüglich dem der den Fühler tragenden Platte 14 hoch ist. Dieser Werksstoff ist beispielsweise Asbestzement. Die Speichermasse 15 kann den thermischen Zustand des Motors speichern und annähernd seine Erwärmung im Falle einer Überlast und seine Abkühlung im Fall einer Unterbrechung der Speisung der betreffenden Phase infolge einer durch das Relais verursachten Auslösung oder einer durch ein Element außerhalb des Relais verursach­ ten Unterbrechung. Die Speichermasse 15 und ihr Wärmeleit­ widerstand werden in Abhängigkeit von der Schutzklasse festge­ legt, die für den Motor gewünscht wird, dem das elektronische Thermorelais zugeordnet werden soll.

Bei der bevorzugten Ausführungsform von Fig. 2 trägt die Wärmekopplungsplatte 14 auf einer ersten Fläche 14 a die Schicht des Fühlers 13. Auf einer zweiten Fläche 14 b, die der ersten entgegengesetzt ist, ist die Platte 14 in direktem Kontakt mit dem Heizelement 12, das flach aufgelegt ist.

Die thermische Speichermasse 15 besteht aus zwei Schalenhälften 15 a und 15 b. Die Schalenhälfte 15 a ist auf der Seite der Fläche 14 a der Wärmekopplungsplatte 14 angeordnet und ist einer­ seits mit dieser Fläche und dem Gitter 13 und andererseits mit der Fläche 12 a des Heizelements 12 in Kontakt. Die Schalen­ hälfte 15 b ist auf der entgegengesetzten Seite der Kopplungs­ platte 14 angeordnet und ist mit der entgegengesetzten Fläche 12 b des Heizelements 12 und mit der Fläche 14 b der Platte in Kontakt. Die Speichermasse 15 kann auch einstückig ausgeführt sein.

Die Teile 12 bis 15 können in einem elektrisch isolierenden Gehäuse 19 verkapselt sein, das in Fig. 2 mit einer Strich-Punkt-Linie dargestellt ist. Gemäß einer Abwandlung kann dieses isolierende Gehäuse selbst die Speichermasse 15 bilden. Bei der Ausführungsform von Fig. 3 ist das Heizelement 12 ein Leiter, der um die Wärmekopplungsplatte 14 gewickelt ist. Der Fühler 13 ist auf einer Seite der Platte 14 auf einem Teil von ihr angeordnet, der entweder nicht mit dem gewickelten Leiter bewickelt ist oder mit diesem bewickelt ist, wobei jedoch eine isolierende Schicht oder ein geeignetes Isolierorgan dazwischengesetzt ist. Die thermische Speichermasse nimmt auch hier die Wärme auf, die im wesentlichen von dem Heizelement 12 und sekundär von der Platte 14 stammt.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines elektronischen Thermo­ relais mit Fühlorganen der beschriebenen Art. Dieses Relais besitzt ein Gehäuse 20, in dem drei gedruckte Schaltungskarten 21, 22 und 23 angeordnet sind.

Die Fühlerkarte 21 trägt beispielsweise drei thermische Elemente 11, die jeweils einer Phase zugeordnet sind, sowie ein thermi­ sches Ausgleichselement 24, das ein analoges Signal liefert, das ein Abbild der Umgebungstemperatur ist, und zwar mit Hilfe eines Fühlers, dessen spezifischer Widerstand sich kontinuier­ lich mit der im Inneren des Gehäuses herrschenden Temperatur ändert. Das Element 24 kann mit dem Element 11 in Reihe ge­ schaltet sein.

Wenn das elektronische Thermorelais in Nähe des zu schützenden Motors angeordnet werden soll, kann auf das thermische Aus­ gleichselement 24 verzichtet werden.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist ein Wählorgan 24 a vorgesehen, das einen dem thermischen Ausgleichselement zuge­ ordneten Unterbrecher steuert, um dieses in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen in Betrieb oder außer Betrieb zu setzen.

Die Verarbeitungskarte 22 trägt die elektronische Verarbeitungs­ schaltung. Diese Schaltung braucht nicht mit Elementen, die einen thermischen Speicher bilden, bestückt zu sein, da die­ ser bereits von den Speichermassen 15 gebildet wird.

Die Einstell- und Ausgangskarte 23 trägt einerseits die Ein­ stellelemente, die mit den auf der Vorderseite 25 des Gehäuses vorgesehenen Einstell- und Anzeigeorganen verbunden sind, und andererseits Ausgangsrelais, die über Anschlüsse 26 mit äußeren Anzeige- oder Steuerorganen verbunden sind.

Die gedruckten Schaltungskarten 21 bis 23 können auf zwei oder sogar auf eine einzige Karte reduziert werden.

In dem Gehäuse sind Anschlüsse 27 zur Speisung der Karden 21 bis 23 vorgesehen. Leistungsanschlüsse 28 und 29 verbinden die Enden 16 und 17 der Heizelemente mit dem Versorgungskreis der Wicklungen des Motors.

Das elektronische Thermorelais kann auch auf andere Weise ausgebildet sein. Es kann insbesondere einer Schutzvorrichtung eingegliedert sein, die verschiedene Funktionen, insbesondere Einschalt- und/oder Abschaltfunktionen, ausführt.

Claims (8)

1. Elektronisches Thermorelais, das mit einer mehrphasigen elektrischen Last zur Unterbrechung der Speisung der Last im Falle einer Stromüberlast auf mindestens einer Phase oder eines Ungleichgewichts zwischen Phasenströmen ver­ bindbar ist und in einem Gehäuse (20) ein Fühlorgan pro Phase, das ein von der Stärke des Phasenstroms abhängen­ des Signal abgibt, und eine elektronische Verarbeitungs­ schaltung besitzt, die die von den Fühlorganen geliefer­ ten Signale empfängt und verarbeitet und eine Logik besitzt, die ein Abschaltsignal liefern kann, wobei je­ des Fühlorgan (10) ein thermisches Element (11) ist, das mit einem resistiven Heizelement (12), das von dem Phasenstrom durchflossen ist, einem resistiven Fühler (13), dessen spezifischer Widerstand sich kontinuierlich mit der Temperatur ändert und der elektrisch mit der Verar­ beitungsschaltung verbunden ist, um ihr ein analoges Sig­ nal zu liefern, das ein Abbild der von dem resistiven Element erzeugten Erwärmung ist, und mit einer thermischen Masse (15) versehen ist, die einen thermischen Speicher für die Erwärmung der Last bilden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (12) mit einem sich von der thermischen Speichermasse (15) unterscheiden­ den Wärmekopplungskörper (14) thermisch gekoppelt ist, der einerseits den Fühler (13) trägt und andererseits mit der Speichermasse in thermischer Verbindung ist und einen geringeren Wärmeleitwiderstand als die Speichermasse be­ sitzt, und daß der spezifische Widerstand des Fühlers (13) sich kontinuierlich mit der Temperatur ändert.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungskörper (14) mit niedrigem Wärmeleitwiderstand eine dünne Keramikplatte mit guter Wärmeleitfähigkeit ist, deren erste Fläche (14 a) den Fühler (13) mit sich kon­ tinuierlich mit der Temperatur änderndem spezifischen Widerstand trägt und deren zweite, der ersten Fläche entgegengesetzte Fläche (14 b) sich in unmittelbarer Nähe des Heizelements (12) befindet.

3. Relais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (12) eine dünne Platte aus einer leitenden Legierung ist, die mäanderförmig geschnitten ist und flach auf die zweite Fläche (14 b) der dünnen Keramikplatte auf­ gelegt ist, wobei der Fühler (13) ein dünner Leiter ist, der auf die erste Fläche (14 a) der Keramikplatte aufge­ bracht ist.

4. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungskörper (14) mit niedrigem Wärmeleitwiderstand eine dünne Platte mit guter Wärmeleitfähigkeit ist, die den Fühler (13) trägt und um die ein das Heizelement (12) bildender elektrischer Leiter gewickelt ist, und daß die dünne Platte mit der Wärmespeichermasse (15) in Kontakt ist.

5. Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Speichermasse (15) einen hohen Wärmeleitwiderstand bei geringem Volumen be­ sitzt, elektrisch isolierend ist, mit dem Wärmekopplungs­ körper (14) in Kontakt ist und in Abhängigkeit von der Schutzklasse bestimmt ist, die für die mehrphasige Last, mit der das Relais verbunden ist, gewünscht wird.

6. Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (20) ein Ausgleichs­ fühlorgan (24) untergebracht ist, das einen Fühler be­ sitzt, dessen spezifischer Widerstand sich kontinuierlich mit der im Inneren des Gehäuses herrschenden Temperatur ändert, wobei die Phasenfühlorgane (11) und das Ausgleichs­ fühlorgan (24) auf einer gemeinsamen gedruckten Schaltung (21) angeordnet sind.

7. Relais nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Wählorgan (24 a), das einen dem Ausgleichsfühlorgan (24) zugeordne­ ten Unterbrecher steuert, der das Ausgleichsfühlorgan in Betrieb oder außer Betrieb setzt.

8. Fühlorgan für ein elektronisches Thermorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem thermischen Element (11) besteht, das mit einem von dem Phasenstrom durchflossenen resistiven Heizelement (12), einem resistiven Fühler, dessen spezifischer Wider­ stand sich kontinuierlich mit der Temperatur ändert und der elektrisch mit der Verarbeitungsschaltung verbunden ist, um dieser ein analoges Signal zu liefern, das ein Abbild der von dem resistiven Element erzeugten Erwärmung ist, und mit einer thermischen Masse (15) versehen ist, die einen thermischen Speicher für die Erwärmung der Last bilden kann, und daß das Heizelement (12) thermisch mit einem sich von der thermischen Speichermasse (15) unterscheidenden Wärmekopplungskörper (14) gekoppelt ist, der den Fühler (13) trägt, mit der Speichermasse in Kontakt ist und einen niedrigeren Wärmeleitwiderstand als die Speichermasse be­ sitzt.