DE582733C - Vorrichtung zum Anzeigen oder UEberwachen der Temperatur eines Teiles einer elektrischen Anlage - Google Patents

Description

DEUTSCHES. REICH

AUSGEGEBEN AM
22. AUGUST 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21c GRUPPE 68 oi

2IC S143.

Vorrichtung zum Anzeigen oder Überwachen der Temperatur eines Teiles einer elektrischen Anlage

Patentiert im Deutschen Reiche vom 4. April 1930 ab

Es sind thermische Nachbildungen von Maschinen bekannt, welche in ihrer Temperatur der Temperatur der Maschine auch zeitlich einigermaßen richtig folgen. Solche Vorrichtungen sind dazu verwendet worden, um beim Erreichen einer Höchsttemperatur irgendwelche Schutzmaßnahmen für die Maschinen einzuleiten, beispielsweise die Maschinen abzuschalten. Thermische Nachbildüngen haben einen großen Leistungsbedarf und besitzen ferner den Nachteil, daß sie schwer zum Schutz anderer Maschinen verwendet werden können als zum Schutz derer, für die sie gebaut worden sind. Außerdem können die thermischen Nachbildungen nicht unmittelbar zum Anzeigen der Temperatur verwendet werden, sondern diese muß erst durch Hilfsmittel, beispielsweise Thermometer, sichtbar gemacht werden.

ao Gemäß der Erfindung wird ein anderer Weg beschritten, um die augenblickliche Temperatur eines Teiles einer elektrischen Anlage anzuzeigen und erforderlichenfalls bei Erreichung einer bestimmten Temperatur den Teil der elektrischen Anlage abzuschalten oder zu entlasten.

Gemäß der Erfindung wirken eine oder mehrere die Erwärmung des betreffenden Anlageteils hervorrufende elektrische Größen oder diesen proportionale elektrische Größen auf ein mit einer Direktionskraft ausgerüstetes Meßgerät ein, das derart gedämpft ist, daß die Änderung der Stellung seines Anzeige- oder Kontaktgliedes in nahezu der gleichen Zeit erfolgt wie die Änderung der Temperatur des betreffenden Anlageteils.

Eine solche Vorrichtung gibt die Sicherheit, daß die Maschine erst abgeschaltet oder entlastet wird, wenn tatsächlich eine gefährliche Übertemperatur erreicht ist.

Daß durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung die jeweilige Temperatur eines Teiles einer elektrischen Anlage angezeigt wird, geht aus folgender Überlegung hervor: die in einem Teil einer elektrischen Anlage erzeugte Wärme pro Zeiteinheit Q ist den Verlusten proportional, beispielsweise proportional dem Quadrat des Stromes. Die in der Zeiteinheit nach außen abgegebene Wärmemenge ist gleich a ·&, worin a die Wärmeabgabeziffer und $ die Übertemperatur des Anlageteils über die Umgebung ist. Die pro Zeiteinheit von der Wärmekapazität c in dem Anlageteil aufgespeicherte Wärme ist mit der Änderung der Übertemperatur proportional,

also gleich c -3—, die Wärmebilanz gibt dann folgende Gleichung:

c —r— = (j — α · ν. (ι)

at

Läßt man auf ein Meßsystem, dessen be-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Oskar Schmitz in Berlin-Haselhorst.

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weglicher Teil drehbar ist, ein Antriebsmoment M₁, ein Bremsmoment, das proportional der Winkelgeschwindigkeit C-Jj- ist, und ein Drehmoment einer Direktionskraft A einwirken, das proportional dem zurückgelegten Weg ist und dem Antriebsmoment entgegengesetzt wirkt, so erhält man für die Bewegung des Meßsystems folgende Gleichung:

(2)

dt

Die Übereinstimmung dieser beiden Gleichungen zeigt, daß man für den Winkel φ

dasselbe Gesetz erhält wie für die Ubertemperatur#. Man kann also durch geeignete Wahl der Konstanten des Meß systems erreichen, daß die Stellung des Anzeige- oder Kontaktgliedes sich mit der gleichen Ge-

ao sdhwindigkeit wie die Temperatur des AnlageteiLs ändert und infolgedessen, die augenblickliche Erwärmung des Anlageteiles angibt. ■ : ' Das Meßsystem gemäß der Erfindung kann an Stelle eines drehbeweglichen Teiles auch einen geradlinig bewegten Systemteil besitzen.

Zur Anzeige der Übertemperatur genügt es, wenn das Meßsystem nur von solchen Größen beeinflußt wird, welche betriebsmäßig nennenswert schwanken, da der Einfluß der konstanten Größen in anderer Weise berücksichtigt werden kann.

In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

■ Abb. ι zeigt ein Ferraris-System, auf dessen beweglicher Scheibe 1 von dem Magneten 2 ein dem Quadrat des Erregerstromes / proportionales Drehmoment M₁ ausgeübt wird. Auf die Scheibe wirkt ferner das der Geschwindigkeit der Bewegung proportionale Bremsmoment C ~ eines Dauermagneten 3 und das Drehmoment A φ einer Feder 4,

welches dem Drehmoment des Stromes entgegenwirkt. Mit der Achse der Scheibe ist ein Kontaktarm 5 verbunden, der bei einem bestimmten Ausschlag mit dem festen Kontakt 6 in Berührung kommt. Ein solches Ferraris-System kann überall da benutzt werden, wo ein Anlageteil von einem Wechselstrom erwärmt wird, beispielsweise um die Übertemperatur eines Kabels anzuzeigen. Durch geeignete Wahl der Relaiskonstanten kann man erreichen, daß der von dem Kontaktarm 5 zurückgelegte Winkelweg proportional der Übertemperatur des Kabels ist. Das Ferraris-System kann auch, wie aus den Abbildungen ersichtlich ist, dazu benutzt

6q werden, um beim Erreichen einer bestimmten Übertemperatur, bei der der Kontaktarm 5 mit dem feststehenden Kontakt 6 in Berührung kommt, einen Stromkreis zu schließen, durch welchen der Gefahrenzustand angezeigt oder das Kabel abgeschaltet oder entlastet werden kann.

Für das Anpassen des Ferraris-Systems an die Konstanten des Kabels oder eines anderen Teiles einer elektrischen Anlage kann man die Konstanten des Ferraris-Systems durch Änderung des Kontaktweges, des Übersetzungsverhältnisses des den Strommagneten speisenden Stromwandlers, des Bremsmomentes (Änderung der Stellung des Dauermagneten zur Scheibe), der Größe des Antriebsdrehmomentes (teilweises Herausdrehen des Magneten 2) oder der Federkonstanten ändern. Die Größe des vom Strom hervorgerufenen Drehmomentes kann auch, wie aus der Abbildung ersichtlich, durch Veränderung der Größe eines Widerstandes 7 eingestellt werden, der parallel zur Stromwicklung des Magneten 2 geschaltet ist. Die Größe des Bremsmomentes kann auch dadurch geändert werden, daß ein verstellbarer magnetischer Nebenschluß 8 vorgesehen ist. In entsprechender Weise kann auch die Stärke des Antriebsmomentes geändert werden.

Wo es für die Konstruktion zweckmäßig ist, kann man auch die Feder über ein Über- go Setzungsgetriebe auf die Scheibe einwirken . lassen und auch das Anzeige- oder Kontaktglied über ein Übersetzungsgetriebe mit der Scheibe verbinden, wie es in Abb. 2 dargestellt ist. Die Bezeichnungen stimmen mit Abb. ι überein, das Übersetzungsgetriebe ist mit 10 bezeichnet. Man kann auch beispielsweise den Weg des Kontaktarmes dadurch vergrößern, daß man die Achse des Ferraris-Systems als Spindel ausführt und das Anzeige- oder Kontaktglied als Wandermutter ausbildet.

Das in der Abbildung dargestellte Ferraris-System mit nur einem Stromtrieb kann auch dazu benutzt werden, um beispielsweise die Ubertemperatur des Öles eines Transformators anzuzeigen. In einem Transformator läßt sich die entwickelte Wärmemenge zerlegen in eine durch die Kupferverluste hervorgerufene, dem Quadrat des Stromes pro-P'orttonale und eine durch¹ die Eisenverluste hervorgerufene, dem Quadrat der Spannung proportionale Wärmemenge. Da die Spannung normalerweise konstant gehalten wird, so genügt es zur Feststellung der Übertemperatur, daß auf das Ferraris-System nur ein vom Strom abhängiges Drehmoment .einwirkt. Den Einfluß der Spannung auf die Übertemperatur kann man durch einen vergrößerten Kontaktweg oder durch ein konstantes Drehmoment berücksichtigen. Schwankt auch die Spannung, so kann man außer dem Strom-

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trieb noch einen Spannungstrieb auf das Meßsystem einwirken lassen.

Das beschriebene Meß system kann, wie bereits erwähnt, dazu benutzt werden, die jeweilige Übertemperatur eines Anlageteils anzuzeigen und beim Erreichen einer Höchsttemperatur den Gefahrenzustand zu signalisieren oder Sicherheitsvorrichtungen auszulösen. Wenn es nicht gewünscht wird, daß

to der gesamte Temperaturbereich abgelesen werden kann, kann man auch einen Teil des Weges des Kontaktarmes durch einen Anschlag unterdrücken. Das System bewegt sich dann erst von einer bestimmten Stromstärke an.

Werden in zwei verschiedenen Körpern Wärmemengen entwickelt und beeinflussen sich die beiden Körper in ihrer Temperatur, so kann man zum Anzeigen der Übertemperatüren der beiden Körper zwei Meß systeme miteinander durch eine elastische Kraft kuppeln, durch welche der Wärmeübergang von einem Körper auf den andern berücksichtigt wird.

In Abb. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dieser Art dargestellt, wie es beispielsweise zum Anzeigen der Ubertemperatur von Kupfer und Eisen bei einem Transformator oder einer anderen Maschine benutzt werden kann.

11 und 21 sind die beiden Ferraris-Systeme. Auf die Scheibe 16 des Ferraris-Systems 11 wirkt das Drehmoment eines Magneten 12, welcher vom einen dem Transformatorstrom proportionalen Strom 7 erregt wird, ein Bremsmoment eines Dauermagneten 13 und ein Gegendrehmoment einer Feder 14. Auf die Scheibe 26 des Ferraris-Systems 21 wirkt ein Drehmoment des Magneten 22, der von der Spannung B des Transformators erregt wird, ein Bremsmoment eines Dauermagneten 23 und ein Drehmoment einer Feder 24. Die Achsen der Ferraris-Systeme sind durch eine Feder 30 miteinander verbunden.

Die Konstanten des Systems 11 werden so gewählt, daß der Zeiger 15 die Ubertemperatur des Kupfers anzeigt, wenn das Kupfer vom Eisen vollständig isoliert wäre. Die Konstanten des Relais 21 werden so gewählt, daß der Zeiger 25 die Übertemperatur des Eisens anzeigt, wenn dieses vom Kupfer vollständig isoliert wäre. Um den Wärmeübergang vom Kupfer zum Eisen und umgekehrt zu berücksichtigen, werden, wie bereits erwähnt, die beiden Ferraris-Systeme durch eine Feder 30 miteinander gekuppelt, deren Stärke im Verhältnis zu den übrigen Relaiskonstanten so gewählt wird, daß der Wärmeübergang vom Kupfer zum Eisen berücksichtigt ist. Der Zeiger 15 zeigt dann die Übertemperatur des Kupfers, der Zeiger 25 die Übertemperatur des Eisens an.

Daß nun ein solches System die Ubertemperaturen zweier verschiedener Körper anzeigt, geht aus folgender Überlegung hervor: die durcih! die Kupferverluste entstehlende Wärmemenge ist proportional dem Quadrat des Stromes r P. Ein Teil dieser Wärmemenge wird dazu verwendet, um das Kupfer zu erwärmen. Die pro Zeiteinheit im Kupfer aufgespeicherte Wärmemenge ist mit der Änderung der Übertemperatur & des Kupfers pro Zeiteinheit proportional, also

gleich c ~jT> worin c die Wärmekapazität des

Kupfers ist. Ein Teil der Wärme Ct_x · b wird nach außen abgeleitet (% = Wärmeabgabeziffer zwischen Kupfer und Umgebung, beispielsweise zwischen Kupfer und Öl), ein anderer Teil a₃ (# — #') auf das Eisen. (o₃ ist die Wärmeübergangszahl zwischen Kupfer und Eisen, #' ist die Übertemperatur des Eisens.) Man erhält daher für die Wärmebilanz folgende Gleichung:

Die durch die Eisenverluste entstehende Wärmemenge ist proportional dem Quadrat der Spannung (g · E²). Man erhält daher in entsprechender Weise für die Wärmebilanz des Eisens folgende Gleichung:

c'-^- = g· E"^J—«2· 0' + «3(0 — 0')· (4)

worin c' die Wärmekapazität des Eisens und a₂ die Wärmeabgabeziffer zwischen Eisen und Umgebung ist.

Das vom Stromtrieb 12 hervorgerufene Drehmoment ist proportional R P, das vom Dauermagneten 13 hervorgerufene Brems-

moment ist proportional C —r- , das von der

Feder 14 herrührende Drehmoment ist proportional A_x - φ, und das von der Feder 30 herrührende ist proportional A₃ (φ — φ'), so daß man für die Bewegung des Zeigers 15 des Systems 11 folgende Gleichung erhält:

„ αφ .

dt

(5)

worin φ der Ausschlag, des Zeigers 15 und φ' der Ausschlag des Zeigers 25 ist.

In entsprechender Weise erhält man für die Bewegung des Zeigers 25 des Ferraris-Systems 21 die Gleichung

^c> "^T ⁼

~~^Ä2<p>

Die Ähnlichkeit der Gleichungen (5) und (6) mit den Gleichungen (3) und (4) zeigt, daß die Winkel φ und φ den Übertemperaturen des

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Kupfers ϋ· und des Eisen #' unter Berücksichtigung des Wärmeaustausches proportional sind.

Claims (11)

_ Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Anzeigen oder Überwachen der Temperatur eines Teiles einer elektrischen Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere die

ίο Erwärmung des betreffenden .Anlageteils hervorrufende elektrische Größen oder diesen proportionale elektrische Größen unmittelbar auf ein mit einer Direktionskraft ausgerüstetes Meßsystem (i, 16, 26) einwirken, das derart gedämpft ist, daß die Änderung der Stellung seines Anzeigeoder Kontaktgliedes (5, 15, 25) in nahezu der gleichen Zeit erfolgt wie die Änderung der Übertemperatur des betreffenden

ao Anlageteils.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem nur von den elektrischen Größen, welche betriebsmäßig nennenswert schwan-

s5 ken, beeinflußt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der Direktionskraft proportional dem von dem Anzeigeglied (5, 15, 25) zurückgeleg-_% ten Wege wächst und daß die Größe der Dämpfung proportional der Geschwindigkeit des Anzeige- oder Kontaktgliedes (5, 15, 25) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Weges des Anzeige- oder Kontaktgliedes (S> ¹Sj ²S) durch einen Anschlag unterdrückt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Ferraris-System, auf dessen Scheibe (1) folgende Momente einwirken: ein dem Quadrat des Stromes in dem betreffenden Anlageteil proportionales Drehmoment, ein von einem Dauermagneten (3) hervorgerufenes, der Winkelgeschwindigkeit proportionales Bremsmoment und ein dem zurückgelegten Weg des Anzeige- oder Kontaktarmes (5) proportionales Drehmoment einer Feder (4), das dem Drehmoment des Stromes entgegenwirkt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 5> dadurch gekennzeichnet, daß auf die Scheibe mehrere Triebmagnete dem Quadrat ihres Erregerstromes proportionale Drehmomente ausüben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Triebkraft, die Direktionskraft und die Dämpfungskraft oder einzelne von ihnen regelbar sind, um die Weg-Zeit-Charakteristik des Meßsystems für den jeweiligen Anwendungszweck einstellen zu können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (4) über ein übersetzungsgetriebe (10) auf die Systemachse einwirkt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktoder Anzeigearm (5) über ein Über-Setzungsgetriebe (10) mit der Systemachse verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Anzeigen der Temperaturen zweier verschiedener Körper, von denen in jedem eine Wärmemenge erzeugt wird und die sich gegenseitig in bezug auf ihre Temperaturen beeinflussen, gekennzeichnet durch zwei Meßsysteme (11, 21) nach Anspruch ι oder folgenden, die durch ein elastisches Glied (30) miteinander gekuppelt sind, durch welche der Wärmeübergang von dem einen auf den anderen Körper berücksichtigt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, vorzugsweise zur Überwachung der Temperaturen von Kupfer und Eisen eines Transformators oder anderer Maschinen, dadurch gekennzeichnet, daß das eine System entsprechend der im Kupfer, das andere entsprechend der im Eisen entwickelten Wärme beeinflußt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen