DE570175C - Thermostatisches Zeitrelais - Google Patents

Description

Man hat bereits als wesentlichen Teil thermostatischer Zeitrelais einen Heizkörper, gewöhnlich einen bimetallischen Streifen benutzt, dessen Formveränderung die Schließung oder Öffnung eines elektrischen Kontaktes oder weitere gewisse Schaltvorgänge, z. B. Steuerung eines Hahnes usw., bewirkt, wobei die Form veränderung durch die Ausdehnung erfolgt, welche unter dem Einfluß von Temperaturschwankungen des Heizkörpers, die durch eine geeignete Heizquelle hervorgerufen werden, eintritt. Um die Darstellung der Erfindung zu vereinfachen, wird im folgenden besonders auf elektrische Relais Bezug genommen, die zur Schließung eines elektrischen Kontaktes bestimmt sind und deren Heizkörper, der durch Ausdehnung Formveränderungen erleidet, aus einem bimetallischen Streifen besteht; es ist selbstverständlich, daß alle Erläuterungen darüber auch für Relais gelten, die für andere Zwecke bestimmt sind und ein anderes formveränderliches Element als einen bimetallischen Streifen verwenden.

Die Zeitrelais der fraglichen Art weisen als Vorteile Einfachheit und mäßigen Preis auf, da sie für ihre Einstellung keine besonderen Anordnungen, vor allem keinen Elektromagneten benötigen; außerdem haben die Schwankungen der Steuerspannung wenig Einfluß auf die Verzögerungszeit. In gewissen Anwendungsfällen besitzen diese Relais jedoch einen schwerwiegenden Nachteil. Wenn der bimetallische Streifen nach entsprechender Erhitzung eine derartige Formveränderung erreicht hat, daß der gewünschte elektrische Kontakt geschlossen wird, so bleibt er wegen der langsamen natürliehen Abkühlung des Streifens noch während einer ziemlich langen Zeit geschlossen, selbst wenn die Heizung genau im Augenblick der Kontaktgebung unterbrochen wird. Wenn man daher während dieser Aufrechterhaltung des Kontaktes eine zweite Steuerwirkung auslöst, wird man nicht den erwünschten verzögernden, sondern einen augenblicklichen Schaltvorgang erhalten. Wenn eine derartige Einrichtung z.B. als Beschleunigungsrelais in einem selbsttätigen Schützenanlasser für Induktionselektromotoren angewandt wird, läuft man bei zwei aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen Gefahr, bei dem zweiten ein Kurzschlußanlassen zu bewirken. Dieser Nachteil ist schwerwiegend genug, um diese Relaisanordnung in der tatsächlich bekannten Form für den erwähnten Anwendungsfall abzulehnen.

Die Erfindung betrifft nun ein thermostatisches Zeitrelais, welches mit einfachen Mitteln die obenerwähnten Nachteile vermeidet. Dieses Relais besitzt einen durch Ausdehnung in der Form veränderlichen Heizkörper, der aus einem Hauptteil, auf welchen die Heizquelle im Sinne des Schaltvorganges

einwirkt, und aus einem Hilfsteil besteht welcher die Verlängerung des Hauptteiles bildet und von dem Hauptteil aus beheizt wird. Bei einem bekannten Relais, das ebenfalls einen solchen zweiteiligen Heizkörper besitzt, ist die Steuerung so getroffen, daß der erwärmte Hauptteil sich derart biegt, daß eine Kontaktgebung nicht eintreten kann, während erst nach Erwärmen des Hilfsteiles, der sich nach entgegengesetzter Richtung biegt, die Kontaktgebung vermittelt wird. Bei dem vorliegenden Relais ist demgegenüber die Anordnung so getroffen, daß durch die Erwärmung des Hauptteiles der Kontakt geschlossen wird, während durch das allmähliche Warmwerden des zweiten Teiles des Elementes der Kontakt nach einer bestimmten Zeit wieder aufgehoben wird.

Die Arbeitsweise eines solchen Relais sei an Hand der Abb. 1 erläutert, welche die grundsätzliche Anordnung veranschaulicht.

Das thermostatische Element besteht aus zwei bimetallischen Streifen AB und AC, welche bei A derart zusammengefügt sind, daß sich bei Erwärmung der untere Streifen AB nach links und der Streifen AC nach rechts biegt. Die Heizquelle wird von einem elektrischen Heizwiderstand gebildet, der sich in der Nähe des unteren Streifens AB befindet und dessen Anschlüsse mit D und E bezeichnet sind. Das obere Ende dieser Streifenanordnung kann in Kontakt mit einer Mikrometerschraube F kommen, wodurch der Stromkreis GH geschlossen wird, dessen Schließung als der herbeizuführende Schaltvorgang angenommen werden soll. Das thermostatische Element ist bei B befestigt.

Die Wirkungsweise kann zusammenfassend wie folgt erläutert werden. .

Wenn man das Relais einschaltet, indem man Strom durch den Heizwiderstand schickt, so wird der untere Streifen AB unmittelbar erwärmt und biegt sich nach links. Der obere Streifen AC, welcher nur infolge von Wärmeleitung vom Streifen AB aus erwärmt werden kann, erfährt zuerst keinerlei Formveränderung, da die Wärme nicht genügend Zeit hat, auf den Streifen überzugehen. Man erreicht daher die Schließung des Kontaktes PC durch das thermostatische Element in der durch einen Strich II dargestellten Lage, während die Ausgangslage durch einen Strich I angedeutet ist. In diesem Augenblick (oder ganz allgemein, wenn das Relais in die Ruhelage zurückkehren soll) wird der Kreis der Heizquelle durch einen von dem Relais gesteuerten Hilfskontakt der Einrichtung unterbrochen, und der untere Streifen AB beginnt sich abzukühlen.

Wenn die Abkühlung nur durch Wärmeableitung an die umgebende Luft erfolgen würde, würde sie sehr langsam vonstatten gehen, und das Ende C des thermostatischen Elementes würde lange auf der Schraube F ruhen, bevor es dieselbe verläßt, wie das bei den bekannten Relais der Fall ist. Infolge der Leitfähigkeit geht aber eine gewisse Wärmemenge von dem unteren Streifen AB zu dem oberen Streifen AC über; infolgedessen krümmt sich der letztere nach rechts in die strichpunktiert angedeutete Lage III und unterbricht dadurch den Kontakt FC.

Wenn man einen neuen Schaltvorgang einleitet, sobald die zur obenerwähnten Verstellung des Streifens erforderliche Zeit verstrichen ist (wenn sich also das thermostatische Element z. B. in der Lage III befindet), würde man keine so lange Verzögerung erhalten, als wenn man von dem kalten Element ausgeht, aber man würde immer noch eine solche erhalten, während ohne die vorliegende Anordnung bei derselben Schaltfrequenz die Verzögerung gleich Null sein würde.

Man kann in geschickter Weise die Heizung jeder der beiden Streifen derart vereinigen, daß die Lage II nur für eine sehr kurze, nach Belieben einstellbare Zeit besteht. Zu diesem Zweck soll die Beziehung untersucht werden, welche zwischen dem Weg des Punktes C und der Heizung des thermostatischen Elementes besteht. Der Weg des Punktes C, der mit der Schraube F in Kontakt kommen soll, ergibt sich aus dem Weg des Punktes A mit Bezug auf B und dem Weg des Punktes C mit Bezug auf A. Diese beiden Wege bzw. Versetzungen sind gleicher Art, d. h. sie sind auf die Formveränderung eines bimetallischen Streifens infolge von Wärmeeinnussen zurückzuführen. Das Gesetz der Bewegung des Punktes A mit Bezug auf B ist durch die Kurve 1 in Abb. 2 bestimmt, in welcher die Zeiten als Abszissen und die zu BC senkrechten Schaltwege von der Ruhelage des Relais aus als Ordinaten aufgetragen sind. Die Zeitspanne der Heizung erstreckt sich von 0 bis b. Während des Zeitraums oa dient die erzeugte Wärme lediglich zur Erhitzung der Heizspule selbst, und es wird keine Wärme auf den Streifen übergeführt, welcher in Ruhelage verbleibt. Bei b wird ein Gleichgewichtszustand für eine bestimmte Leistung der Heizspule erreicht, und eine Verlängerung der Heizung unter denselben Umständen würde die Formänderung nicht beeinflussen. Bei diesem Punkt wird nun die Heizung unterbrochen. Während der Zeit bc gibt die Heizspule, die immer noch heißer ist als der Streifen AB, dem letzteren immer noch genügend Wärme ab, um die durch die Wärmeleitung an die Luft entstehenden Verluste aus- ;ugleichen, so daß der die Verbindung beider Streifen bildende Punkt A in Ruhelage verbleibt. Dann beginnt bei c die Abkühlung, die viel langsamer erfolgt als die Heizung.

Wenn man annimmt, daß der Teil AC des thermostatischen Elementes nicht f ormveränderich sei und daß der Ausgangsabstand y_x

(Abb. ι) auf den Wert C₁ eingestellt worden sei, so ergibt die Arbeitsweise gemäß der Kurve ι (Abb. 2) eine Verzögerung T₁ und eine Mindesthaftzeit t_v während welcher der Kontakt FC geschlossen bleibt. Wenn man dann, ohne die Heizbedingungen zu ändern, y₁ auf den Wert e einstellt, der noch viel kleiner ist als der vorhergehende Gleichgewichtswert, und die Heizung beim Punkt g unterbricht, erhält man die Kurve 2, welche eine Verzögerung T₂ und eine Mindesthaftzeit t₂ liefert, von denen die erstere viel kleiner als T₁ und die letztere viel größer als I₁ ist.

Die Kurve 3 bezieht sich auf die Bewegung des Punktes C mit Bezug auf A unter dem Einfluß der von der Heizspule und dem Streifen AB gelieferten Wärme, welche durch Wärmeleitung zu dem Streifen AC übergeht. Diese Kurve entspricht der Kurve 1, hat jedoch eine geringere Amplitude (da die Heizung nicht unmittelbar erfolgt) und eine anfängliche Ruhezeit oa'', die größer ist als oa, da die Wärme erst am Ende einer gewissen Zeit nach der Erhitzung des Streifens AB auf den Streifende übergeht.

Als Summe der beiden Kurven 2 und 3 ergibt sich die Kurve 4, welche die tatsächliche Bewegung des Punktes C angibt. Es ist ersichtlich, daß man mit der Einstellung von y_x auf den Wert e dieselbe Verzögerung T₂, wie oben, erreicht, daß jedoch die Haftzeit auf t₃ vermindert ist, die viel kleiner ist als t₂. Daraus gehen die Vorteile des neuen Relais klar hervor. Um die -Zeit t₃ auf den Mindestwert zu verringern, ist es erforderlich, bei gegebener Kurve 2 die Amplitude und Phase der Zeitkurve 3 zu beeinflussen. Dies wird durch entsprechende Beeinflussung der Heizung des Streifens AC erreicht: Änderung des Abstandes zwischen der Heizspule und dem Streifen, Änderung der Leitfähigkeit an der Verbindungsstelle A (welche gelötet oder einfach durch Niete, Schrauben usw. hergestellt sein kann) u. dgl.

Die Abb. 3 und 4 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel eines Relais gemäß der Erfindung, bei welchem die Heizung durch eine Heizspule mittels Joulescher Wärme erfolgt; Abb. 3 ist eine Seitenansicht und Abb. 4 eine Vorderansicht in Richtung des Pfeils I der Abb. 3, wobei die Bezugszeichen in beiden Abbildungen dieselbe Bedeutung haben. Es ist selbstverständlich, daß irgendwelche anderen Anordnungen, welche denen nach Abb. 3 und 4 gleichwertig sind, angewandt werden können, ohne aus dem Rahmen der Erfindung herauszufallen. Wie erwähnt, ist dieselbe allgemein anwendbar, unabhängig davon, welcher Art der vom Relais zu bewirkende Schaltvorgang, die Heizung desselben usw. sei. Die Abb. 5 veranschaulicht ein Anwendungsbeispiel zur selbsttätigen Steuerung eines Stern-Dreieck-Umschalters für die Statorwicklung eines Induktionsmotors, welche Umschaltung erst eine bestimmte Zeitspanne, nachdem der Motor unter Spannung gesetzt worden ist, eintreten soll, um die Stromaufnahme beim Anlassen zu verringern.

Die bei diesem Beispiel beschriebenen besonderen Anordnungen sind als Teile der Erfindung zu betrachten, während natürlich ebensogut irgendwelche anderen gleichwertigen An-Ordnungen benutzt werden könnten, ohne von dem Wesen der Erfindung abzuweichen. Die Statorwicklung des Motors ist durch die drei Phasen E₁S₁, E₂S₂, E₃S₃ (der Rotor ist der Einfachheit halber nicht veranschaulicht) dargestellt, welche über den dreipoligen Schalter / gespeist werden können. Der Stern-Dreieck-Umschalter wird von einem Elektromagneten ET betätigt, welcher bei seiner Erregung von den Anschlüssen der beiden Phasen E₁ und E₃ aus infolge Schließung des Schalters R die Öffnung der Kontakte S₁, S₃ und S₂, S₃ sowie die Schließung der Kontakte S₁, E₂-S₂, E₃ und E₁, S₃, 2 bewirkt. Diese Einrichtung kann z. B. in Verbindung mit irgendeinem selbsttätigen Anlasser für Wechselstrommotoren benutzt werden. Der Kontakt R wird erfindungsgemäß durch die Anschlüsse G und H eines thermostatischen Relais (vgl. Abb. 1) dargestellt, dessen Heizspule K in Reihe mit einem Widerstand r zwischen Phasenwicklung und Nullpunkt hinter den Schalter / eingeschaltet ist. In der Ruhelage sind die Kontakte S₁, S₃ und S₂, S₃ normalerweise geschlossen, und die Kontakte S₁, E₂-S₂, E₃-E₁, S₃, 2 und R sind offen.

Wenn der Schalter / geschlossen wird, läuft der Motor an, wobei die Statorwicklung desselben in Sternschaltung gespeist wird. Die Heizspule K steht dann unter Spannung. Wenn die Zeitspanne, auf welche das Relais eingestellt ist, verflossen ist, wird es seinen Kontakt R schließen; über denselben wird der Elektromagnet ET erregt, und die drei Kontaktfinger des Umschalters werden umgelegt. Die Phasen des Motors sind dann in Dreieck geschaltet, und der Motor läuft weiter. Die Kontakte S₃, 2 bewirken die Selbsterregung des Elektromagneten ET, und der Kontakt E₁, S₃ schließt die Heizspule des Relais kurz, die nunmehr beginnt, sich abzukühlen, wie im vorhergehenden beschrieben worden ist. Der Kontakt R öffnet sich, so daß wieder ein neuer Anlaßvorgang stattfinden kann.

Bei den bekannten Relais mit bimetallischen Streifen läuft man, wenn man kurz nach dem xsten einen zweiten Anlaßvorgang vornimmt, Gefahr, daß der Kontakt R noch geschlossen ist, so daß man ein Anlassen unmittelbar in Dreieckschaltung erhält; diese Gefahr wird durch die Anwendung vorliegender Erfindung vermieden. Die mit dieser Relaisanordnung erreichte Verzögerung ändert sich nur wenig mit der Netz-

spannung. Im übrigen kann man diese Schwankungen in der Verzögerung zum großen Teil dadurch ausgleichen, daß man einen Widerstand r von genügend hohem Temperaturkoeffizienten wählt.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Thermostatisches Zeitrelais, dessen

   ίο durch Ausdehnung in der Form sich verändernder Heizkörper aus einem Hauptteil, auf welchen die Heizquelle im Sinne des Schaltvorganges einwirkt, und aus einem Hilfsteil besteht, welcher die Verlängerung des Hauptteiles bildet und von dem Hauptteil aus erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch· Erwärmung des Hauptteiles des Heizkörpers der Kontakt geschlossen wird, während durch den unmittel-

   ao baren allmählichen Wärmeübergang vom Hauptteil auf den Hilfsteil letzterer sich entgegengesetzt zum Hauptteil verbiegt und hierdurch den Kontakt beschleunigt wieder öffnet.
2. 2. Relais nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den beiden Teilen des durch Ausdehnung seine Form verändernden Körpers in bezug auf Wärmeleitfähigkeit einstellbar ist.
3. 3. Relais nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Hauptteil des formveränderlichen Heizkörpers einwirkende Heizquelle aus einer stromdurchflossenen Spule aus Metall oder einer Legierung mit hohem Temperaturkoeffizienten besteht, oder daß sie in Reihe mit einem Widerstand aus Metall oder einer Legierung mit hohem Temperaturkoeffizienten liegt.
4. 4. Relais nach Anspruch 1 bis 3 zur Steuerung selbsttätiger Stern-Dreieck-Anlassung von Induktionsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen einem der Anschlüsse des Motors und dem Nullpunkt der Sternschaltung eingeschaltete Heizspule des Relais von dem Umschalter kurzgeschlossen wird, wenn derselbe in Dreieckschaltung übergeht, wobei der von dem thermostatischen Relais gesteuerte Kontakt in den Steuerstromkreis des Stern-Dreieck-Umschalters eingeschaltet wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen