DE601545C - Elektromagnetisches Zeitrelais - Google Patents

Description

Elektrische Anlagen sind oft mit stromabhängigen elektromagnetischen Induktionsrelais versehen, die einzelne Teile der Anlage beim Auftreten von Überlasten abschalten. Sind jedoch im betreffenden Anlageteil mehrere Maschineneinheiten vorhanden, welche parallel arbeiten können, so lassen sich dauernde Überlastungen und damit Gefährdungen der Maschinen dadurch vermeiden, daß man Überlastrelais die Zuschaltung stillstehender Einheiten einleiten läßt, sobald die arbeitenden Einheiten überlastet werden. Ist die Überlast wieder verschwunden, so sollen die gleichen Relais die überzähligen Maschineneinheiten wieder abschalten. Hierbei sollen Relais verwendet werden, deren Charakteristik der thermischen Belastbarkeit der Maschinen angepaßt ist; sie sollen vor allem verhindern, daß verhältnismäßig

«o schwache Überlastungen zu lange bestehen bleiben, ohne daß jedoch das Zuschalten weiterer Einheiten eingeleitet wird, bevor die Erwärmung der arbeitenden Maschinen sich einem zulässigen Grenzwert genähert hat.

Die Wirkungsweise der Relais sollte ferner nicht nur eine Funktion der Überlastungen selbst, sondern auch eine Funktion der vorausgegangenen Belastungsverhältnisse sein.

Ist z. B. für eine iooö-kW-Maschine eine Überlast von 50 °/„ für eine halbe Stunde garantiert, so muß die Charakteristik des Schutzrelais für die Maschine derart sein, daß das Relais die Maschine bei einer Belastung von 1500 kW nach Ablauf einer halben Stunde abschaltet. Wenn jedoch diese Maschine statt mit der Normallast von 1000 kW nur mit einer Last von 500 kW belastet ist und wenn dann die Belastung . plötzlich auf 1500 kW steigt, so soll das Schutzrelais nicht schon nach Ablauf einer halben Stunde, sondern erst später abschalten, da in diesem Fall die Maschine die Überlast von 1500 kW langer als eine halbe Stunde ohne Schaden aushält. Um dieser Forderung zu genügen, wurden bereits thermische Überlastrelais verwendet (d. h. Relais, deren Auslöseorgan von einem wärtneempfindlichen Element gesteuert ist), die einen Schutz gegen lang andauernde Überlasten gewähren und die ferner den zu steuernden Schalter erst dann öffnen oder schließen und damit die betreffende Maschine abschalten oder einschalten, wenn das wärmeempfindliche Element des Relais eine bestimmte Temperatur erreicht hat. Solche thermischen Relais werden z. B. in selbsttätigen elektrischen Unter-

werken verwendet, um eine zusätzliche Maschine anzulassen, wenn die gesamte Last die höchst zulässige Belastung der Maschine übersteigt, und ferner um die zusätzliche Maschine wieder abzuschalten, wenn die gesamte· Last auf das höchst zulässige Maß gesunken ist.

Die thermischen Relais haben verschiedene. Nachteile. Die relativ hohe fabrikatorische' ίο Ungenauigkeit thermischer Ansprechorgane, wie Bimetallelemente, schließt praktisch eine serienmäßige Herstellung der Relais mit Einstellskalen aus, welche ein für allemal auf Grund von Modellversuchen aufgestellt werden. Vielmehr verlangen sie eine individuelle Eichung, welche nur auf Grund zeitraubender Erwärmungsversuche möglich ist. Erschwerend wirkt dabei die Beachtung, welche der Vermeidung gefährlicher Übertemperaturen im Relais selbst geschenkt werden muß. Dies hat zur Folge, daß jede Einstellung einer Größe, z. B. der Zeitkonstante, eine Anpassung anderer Größen, wie der Heizleistung oder der Ansprechtemperatur, bedingt. In gewissen Verwendungsiällen wirkt auch die Abhängigkeit der Ansprechdaten der thermischen Relais von der Umgebungstemperatur störend. Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Zeitrelais, dessen Laufwerk von einem einer überwachten Größe entsprechenden Triebmoment, einem Gegenmoment und einem Bremsmoment beeinflußt wird, und besteht darin, daß eine bestimmte gesetzmäßige Beziehung zwischen dem Betrag der überwachten Größe und dem vom Laufwerk aus der Ruhelage zurückgelegten Weg dadurch erzielt wird, daß das Gegenmoment selbsttätig in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg des Laufwerkes geändert wird. Auf diese Weise werden die genannten Nachteile vermieden.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht, und zwar zeigen: Fig. 1 eine- prinzipielle Darstellung und Schaltung einer Ausführungsform des neuen Relais, Fig. 2 und 3 den konstruktiven Aufbau des Relais im Aufriß bzw. Grundriß, teils in Ansicht und teils im Schnitt, Fig. 4 eine der Fig. 1 ähnliche Skizze, Fig. 5 konstruktive Einzelheiten des Relais im Aufriß, jedoch abweichend von der Bauart nach Fig. 2, Fig. 6 den zu Fig. 5 gehörigen Grundriß, Fig. 7 eine weitere Bauart des Relais im Aufriß und schließlich Fig". S einen Schnitt nach A-B der Fig. 7, jedoch unter Fortlassung einzelner Teile.

Mit 11 ist der Kern, eines Elektromagneten

. bezeichnet, dessen Magnetwicklung 12 mit dem Wechselstromnetz 13 von konstanter.

Spannung stromleitend verbunden ist. Dieser Kern 11 hat zwei Polstücke 14 und 16 (Fig. 1 bis 3), von denen jedes mit einem Kurzschlußring 17 bzw. 18 versehen ist. Das Polstück 14 sitzt beweglich auf einer Welle 19, die irgendwie gelagert ist und die sich über den Kern 11 hinaus erstreckt. Die Welle 19 trägt eine Schaltwalze 21 mit Metallbelägen 22, die mit Schleif bürsten 23 und 24 zun Steuerung eines Signal- oder Auslösestromkreises 25 zusammenwirken.

Das Polstück 14 (Fig. 2 und 3) wird durch ein: Zahnrad-27 gedreht, das auf der Welle 19 sitzt und mit dem Triebrad 28. kämmt, welches seinerseits mit dem Triebritzel 29 in Eingriff steht. Das Triebritzel 29 ist auf der Triebwelle 31 befestigt, die eine zwischen den Polstücken 14 und 16 sich drehende Scheibe 32 trägt. Die Scheibe 32 wird beeinflußt einerseits von den Polstücken 14 und 16 des Elektromagneten 11, 12, andererseits von den Polstücken 34 und 36 eines zweiten Elektromagneten, der imi wesentlichen besteht aus einem Kern 33 mit Polstücken 34, 36 und Kurzschlußringen 37, 38, und aus einer Magnetwicklung 39, die mittels eines Stromwandlers 50 vom Strom des Überwachungsstromkreises 41 gespeist wird. Die Scheibe 32 steht ferner, ähnlich den bekannten Induktionsrelais, unter dem Einfluß von zwei sich gegenüberliegenden Dauermagneten (Bremsmagneten) 42 und 43.

Am Magnetkern Ii ist außerdem eine Blattfeder 44 derart befestigt, daß sie den Kurzschlußring 17 beeinflussen kann, wenn das Polstück 14 genügend weit in einem Drehsinne sich bewegt hat und dabei den Eingriff des Zahnbogens 27 mit dem Zahnrad 28 hergestellt hat. Der Eingriff zwischen Zahnbogen 27 und dem Zahnrad 28 wird dann später wieder gelöst, wenn!'die Scheibe 32 im entgegengesetzten Sinn sich dreht, was später noch ausführlicher beschrieben wird. Das Polstück 34 kann von Hand gedreht werden und ist derart eingestellt, daß die Charakteristik des Relais für verschiedene Strombetrage in den Leitern 41 beibehalten wird, und zwar durch Aufrechterhaltung des Drehmomentes des Magneten 33, 39 für verschiedene Stromwerte.

Befinden sich die verschiedenen Teile des Relais in der in Fig. 3 dargestellten Lage und ist die Magnetwicklung 12 erregt, . so nehmen die Kurzschlußringe 17 und 18 eine solche Lage zueinander ein, daß kein Drehmoment in der Scheibe 32 erzeugt wird. Ist außerdem die Magnetwicklung 39 proportional dem Strom in der Leitung41 erregt, so wird die Scheibe 32 im Sinne des Pfeiles (Fig. 3), d. h. im Uhrzeigersinne gedreht. Das Polstück 14 dagegen wird entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, und zwar mittels der Getrieberäder 27, 28 und 29, wobei ein wach-

sendes Drehmoment auf die Scheibe 32 ausgeübt wird, so daß diese im Gegenuhrzeigersinne sich zu drehen sucht, und zwar hervorgerufen durch die gegenseitigen Lagenänderungen der Kurzschluß ringe 17 und 18. Dieses Gegenmoment verlangsamt die Drehung der Scheibe 32 so lange, bis das Polstück 14 eine Lage erreicht hat, in welcher das von der Magnetwicklung 39 erzeugte Drehmoment durch das von. der Magnetwicklung 12 erzeugte Gegenmoment ausgeglichen ist. Ein Anwachsen des Stromes in der Magnetwicklung 39 verursacht eine weitere Drehung der Scheibe 32 im Uhrzeigersinne so lange, bis eine neue Gleichgewichtslage erreicht ist. Ebenso bewirkt ein Sinken des Stromes in der Wicklung 39, daß die Drehrichtung der Scheibe 32 sich umkehrt und diese Scheibe sich so lange dreht, bis wiederum ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Das Polstück 14 hat somit für jeden Wert des Stromes in der Magnetwicklung 39 eine ganz bestimmte, jeweils verschiedene Gleichgewichtslage. Die Zeitdauer, die das Polstück 14 braucht, um entsprechend den Stromänderungen in den Stromleitungen 41 von der einen Lage in die andere gedreht zu werden, hängt nicht nur von der Magnetisierungskraft des Stromes ab, sondern auch von der Lage des Pol Stückes 14 vor der Stromänderung", d. h. von jener Lage, die der vorausgegangenen Strombelastung entspricht, mit der die Magnetwicklung 39 belastet war. Die Zeitdauer, die das Polstück 14 braucht, um eine bestimmte Lage einzunehmen, ist kürzer, wenn der vorausgegangene Strom sehr stark war, und ist länger, wenn der vorausgegangene Strom sehr schwach gewesen ist. Die endgültige Lage des Polstückes 14 für irgendeinen Wert des Stromes in den Leitern 41 wird beeinflußt durch eine entsprechende Wahl der' Polstücke 14, 16 und der Kurzschlußringe 17 und 18. Auf diese Weise kann der Winkelweg des Polstückes 14 proportional zu den Stromänderungen in den Stromleitern 41 oder zu dem Quadrat dieser Stromänderungen oder entsprechend irgendeiner Funktion gewählt werden. Am Polstück 14 kann ein Zeiger befestigt sein, der über eine gleichmäßig unterteilte Skala sich bewegt, deren Teilstriche proportional zu kurzzeitigen, gewünschten Stromänderungen in den Leitern 41 entsprechend gewählt sind. Ferner können weitere Vorrichtungen zum Registrieren der Zeigerausschläge, vor allem des größten Ausschlages, vorgesehen sein, um auf diese Weise die Höchstbelastung ablesen zu können. Ähnlich wie bei bekannten elektrischen Meßvorrichtungen dreht sich die Scheibe 32 nicht 6ö augenblicklich. Außerdem kann der Zeitraum, innerhalb dessen die Stromänderungen erfolgen, eingestellt werden, und zwar für gewöhnlich durch verschiedene Bremsmagnete 42 und 43. Wenn die Scheibe 32 sich der Gleichgewichtslage nähert, so vermindert sich ihre Geschwindigkeit nach einem Gesetz, das durch die Größe der Polstücke 14, 16 und der Kurzschlußringe 17, 18 bestimmt ist.

Die Drehung der Scheibe 32 hört deshalb erst dann auf, wenn der Strom in den Leitern 41 eine bestimmte Zeit lang gleichbleibt. Die zum Schließen des Signal- oder Auslösestromkreises 25 erforderliche Zeit kann umgekehrt proportional den Stromänderungen in den Leitungen 41 gewählt werden, wie dies bei bestimmten Zeitverzögerungsrelais üblich ist, oder sie kann einem willkürlichen Gesetz folgen, das von der Gestalt der Polstücke 14, 16 und der Kurzschlußringe 17, 18 abhängig ist. Soll z. B. die Arbeitsweise eines elekirischen Großgleichrichters überwacht werden, so· kann die Lage des Polstückes 14 derart gewählt sein, daß sie dem Betriebsdruck im Gleichrichterbehälter folgt, wobei dieser Druck einen vorausbestimmten Wert nicht übersteigt.

Wird ein erheblicher Überstrom für längere Zeit in den Leitern 41 aufrechterhalten oder verschwindet infolge einer Störung die Erregung der Spule 12, so wird die Scheibe 32 das Polstück 14 dauernd weiterdrehen, ohne Rücksicht auf seinen normalen Arbeitsbereich. Damit dieser Bereich nicht überschritten werden kann, sind einige Zähne des Zahnkranzes 27 weggenommen, so daß an dieser Stelle der Zahnkranz 27 von den Zahnrädern 28 nicht mehr getrieben werden kann. Kurz vor dieser Stelle ist ein Schlitz zwischen dem Zahnkranz und seinem Träger angebracht und das freie Ende des Zahnkranzes nach unten gebogen. Die Blattfeder 44 verursacht nun, daß das weiter umlaufende Zahnrad 28· und das abgebogene Ende des Zahnkranzes 27 sich noch, weiter berühren und auf einandergleiten. Die etwa erzeugte Abnützung des Zahnrades 28 ist unwesentlich und unschädlich, da sie an einer Stelle des Zahnrades auftritt, an der unter normalen Verhältnissen kein Zahneingriff stattfindet.

Sobald normale Verhältnisse wieder eingetreten sind, dreht sich die Scheibe 32 im Gegenuhrzeigersinn. Da bei dieser Drehrichtung die Getriebeteile 27 und 28 von der Blattfeder 44 sofort wieder in Eingriff gebracht werden, wird das Polstück 14 mitgenommen und in eine den neuen Verhältnissen entsprechende Gleichgewichtslage zurückgedreht.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 trägt der Magnetkern 11 außer der vom Strom des Netzes 13 durchflossenen Spannungswicklung 12 noch eine gegenläufig gewickelte und

daher bei Stromdurchfluß entgegengesetzt wirkende Magnetwicklung 39', die zusammen mit der_ auf dem Relaiskern 33 sitzenden Magnetwicklung 39 und dem vom Netz 41 gespeisten Stromwandler 50 in Reihe liegt. Steigt nun der Strom im Netz 41, so schwächt die Magnetwicklung 39' den Einfluß der Wicklung 12 auf die Scheibe 32 und ändert damit die Charakteristik des Relais. Der Magnetkern 11 (Fig. 5 und 6) kann, abweichend vom Kern 11 der Bauart nach Fig. 2 und 3, mit einem Kernstück 47 versehen sein, das einen Teil des Magnetflusses nebenschließt. Dieses Kernstück 47 trägt eine Kippvorrichtung 48 mit einer Quecksilberschaltröhre 49, deren Elektroden mit den Signal- oder Auslösestromleitern 25 stromleitend verbunden sind. Auf der Welle 19 sitzt (statt der Schaltwalze 21, Fig. 2 _: 20 und 3) ein Eisenkörper 46, der den Kippschalter 48, 49 beeinflussen kann. Wenn nämlich der Eisenkörper 46 sich so weit gedreht hat, daß er unter den ebenfalls aus Eisen hergestellten Kippkörper 48 zu liegen kommt, so wechselt der Magnetfluß seine Richtung derart, daß er über den Eisenkörper 48 fließen kann. Dies hat zur Folge, daß der Körper 48 im Uhrzeigersinn kippt und hierbei den Steuerstrom (Auslöse- oder Signalstrom) in den Leitungen 25 schaltet. Das bewegliche Polstück 14 muß nicht unbedingt einen Teil des Magnetkerns 11 bilden und drehbar an ihm befestigt sein (Fig. 2 und 3), sondern kann auch als rechtwinkliges Gehäuse 51 (Fig. 7 und 8) ausgebildet sein, das mit Magnetblechen 52 gefüllt ist. Dieses Polstück Si, 52 kann ferner wiederum auf einer Welle 19 sitzen, die am Kern 11 gelagert ist und die eine Schaltwalze 21 oder irgendeine andere Kontaktvorrichtung trägt. Es gibt auch viele andere Möglichkeiten zur Änderung der charakteristischen Arbeitsweise des Elektromagneten 11 und 12, die für sich bekannt sind und daher nicht be- *5 schrieben zu werden brauchen.

Zusammenfassend ergibt sich somit, daß: i. das neue Relais je nach der Größe des Elektromagneten und des Getriebes mit verschiedener Zeitverzögerung arbeitet, 2. die Ansprechzeit des Relais nicht nur von der Strombelastung, sondern auch von der jeweiligen Lage des beweglichen Polstückes abhängt, die ihrerseits vom vorausgegangenen Belastungsstrom des. Relais abhängig ist,

3. das Relais sehr genau arbeitet, und zwar, vor allem unabhängig von den Schwankungen der umgebenden Raumtemperatur,

4. die Arbeitsweise des Relais ähnlich derjenigen von Induktionsrelais ist,

5. die Charakteristik des Relais, schon be- J

vor es gebaut wird, genau entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen festgelegt werden kann, und schließlich

6. die Charakteristik und Einstellung des Relais, vor allem verglichen mit den thermischen Relais, sich während des Betriebs praktisch nicht ändert, d. h. daß die Lebensdauer des Relais verhältnismäßig groß ist.

Die Erfindung beschränkt sich naturgemäß nicht auf die gewählten Ausführungsbeispiele. Vor allem kann die zur Ausübung eines Gegenmomentes auf die Scheibe 32 dienende Magnetwicklung 12 durch eine Feder ersetzt werden, die proportional zur Winkelverdrehung der Scheibe 32 gespannt wird.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetisches Zeitrelais nach dem Induktionsprinzip, dessen Laufwerk von einem einer überwachten Größe, entsprechenden Triebmoment, einem Gegenmoment und einem Bremsmoment beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte gesetzmäßige Beziehung zwischen dem Betrag der überwachten Größe und dem vom Laufwerk (32, 31) aus der Ruhelage zurückgelegten Weg dadurch erzielt wird, daß das Gegenmoment selbsttätig in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg des Laufwerkes geändert wird.

2. Zeitrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der überwachten Größe, bei der die drei Momente sich das Gleichgewicht halten, und die Wegänderungen des Laufwerkes (3²> 3¹) in ^em lineares, quadratisches oder irgendein exponentialgesetzmäßiges Abhängigkeitsverhältnis zueinander gebracht sind.

3. Zeitrelais nach Anspruch 1, das zur Überwachung des Erwärmungszustandes von irgendwelchen Vorrichtungen, z. B. von elektrischen Maschinen oder Stromleitern, dient, dadurch gekennzeichnet, daß ein Triebsystem (33, 39) verwendet ist, dessen Moment quadratisch vom Strom des überwachten Stromkreises (41) abhängt, und daß zur Erzeugung des Gegenmomentes ein Triebsystem (11, 12,

• 14) gewählt ist, dessen Moment in der Ausgangsstellung des Laufwerkes Null ist und proportional zu dem vom Laufwerk (32, 31) zurückgelegten Weg anwächst.

4. Zeitrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit des Triebmomentes des Triebsystems (33, 39) vom Betrag der überwachten Größe einstellbar gemacht ist, z. B. mittels eines

drehbaren, auf dem Polkern (33) des Triebmagneten (33, 39) sitzenden Kurzschlußringes (37).

5. Zeitrelais nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Wirkung des Bremssystems (42, 43) einstellbar gemacht ist, z. B. durch verschiedene radiale Einstellung der Bremsmagnete (42, 43) gegenüber der drehbaren Scheibe

(32) des Laufwerkes (32, 31).

6. Zeitrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Laufwerk (32,31) eine Kontaktvorrichtung (21,22) gekuppelt ist und daß die Weglänge, nach deren Zurücklegung eine Kontaktgabe er-•folgt, einstellbar ist.

7. Zeitrelais nach Anspruch 1 mit einem zur Erzeugung des Gegenmomentes dienenden Elektromagneten, dessen Magnetwicklung mit konstanter Spannung erregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (11, 12) ein bewegliches, einen Kurzschlußring (17) tragendes Polstück (14) hat, das vom Triebsystem (33, 39) mittels Triebwerks (32, 31, 29, 28, 27) gedreht wird.

8. Zeitrelais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Polstück (14) "mit einem Zahnrad (27) drehfest verbunden ist, das eine zahnlose Stelle hat, um den Eingriff mit dem Gegenzahnrad (28) lösen zu können.

9. Zeitrelais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (n, 12) eine zweite Magnetwicklung (39') hat, die gegenläufig zur konstant erregten Wicklung (12) gewickelt ist und die zusammen mit der in Reihe liegenden Magnetwicklung (39) des Triebmagneten (33> 39) abhängig von den Stromände- 4<> rungen des Überwachungsstromkreises (41) erregt wird.

10. Zeitrelais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (ri) des zur Erzeugung des Gegenmomentes dienenden Elektromagneten (11, 12) einen Nebenschlußkörper (47) hat, der einen zum Schalten eines HilfsStromkreises (Signal- oder Auslösestromkreis 25) dienenden Kippschalter (49) trägt, und daß mit dem beweglichen Polstück (14) ein Eisenschlußstück (46) für den Nebenschlußkreis drehfest verbunden ist, das seinerseits den von einem Gegenschlußstück (48) getragenen Kippschalter beeinflußt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen