DE69013683T2

DE69013683T2 - Festkörperüberstromrelais.

Info

Publication number: DE69013683T2
Application number: DE69013683T
Authority: DE
Inventors: Daniel Zuzuly
Original assignee: Furnas Electric Co
Current assignee: Siemens Energy and Automation Inc
Priority date: 1990-08-02
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2010-09-22
Also published as: EP0469207B1; ES2066146T3; CA2026401C; CA2026401A1; DE69013683D1; US5179495A; KR920005421A; EP0469207A3; EP0469207A2; JPH04229012A

Description

Erfindungsgebiet

Diese Erfindung betrifft Überstromrelais für elektrische Anlagen und im besonderen ein Festkörper-Mehrphasenüberstromrelais.

Hintergrund der Erfindung

Überstromrelais verschiedener Arten werden seit langem in Verbindung mit dem Betrieb elektrischer Anlagen, besonders bei solchen mit relativ hohem Stromverbrauch, eingesetzt. Es sind verschiedene Einrichtungen angewandt worden, um einen Stromfluß zu erfassen und einen Schalter oder dergleichen auszulösen, wenn der Strompegel einen vorbestimmten Wert übersteigt. Häufig sind für diesen Zweck elektromagnetische Einrichtungen mit Heizelementen verwendet worden. Oft benötigen Überstromschaltungen dieser Art auch eine externe Stromversorgung, um einen Stromunterbrechungsschalter zu betätigen, wenn ein Überstrom ermittelt worden ist.
Während solche herkömmlichen Einrichtungen in vielen Fällen die ihnen zugedachten Funktionen gut ausführen, so besitzen sie doch ihre unerwünschten Eigenschaften. Wenn z.B. bei den Systemen, die eine externe Stromquelle benötigen, diese Stromquelle aus irgendeinem Grund ausfällt, ist es entweder nicht möglich, die Schaltung als Reaktion auf einen Überstrom auszulösen, oder es erfolgt eine Auslösung, wenn eigentlich kein Überstrom vorhanden ist. Diejenigen Systeme, die Heizelemente verwenden, neigen dazu, voluminös zu sein, um den Heizer und ein typischerweise dazu gehöriges Bimetall unterzubringen. Außerdem muß bei ihrer Konstruktion für eine Einrichtung gesorgt werden, die die Wärme relativ gleichmäßig ableitet, um sie in die Lage zu versetzen, genau zu arbeiten, wenn sie unmittelbar nach einer Auslösung zurückgesetzt werden.
Viele Beispiele herkömmlicher Überstromrelais der oben allgemein erörterten Art stellen auch keinen Schutz gegen den Phasenverlust zur Verfügung, wenn die Überstromrelais zur Überwachung einer mehrphasigen Last benutzt werden. Während der Verlust einer Phase typischerweise eine wesentliche Zunahme des Stromflusses in den verbleibenden Phasen zur Folge haben wird, die schließlich zu einer Auslösung des Relais führen wird, ist es erwünscht, das Überstromrelais viel schneller auszulösen, wenn eine Phase verlorengeht, um eine Überhitzung infolge des übermäßigen Stromflusses der betriebsfähigen Phasen in der Last zu verhindern.
WO-A-8902666 befaßt sich mit der Auslösesteuerung für einen Dreiphasenmotor, wenn ein Stromverlust in einer Leitung des Dreiphasensystems auftritt. Die vorliegende Erfindung löst die Steuerung für eine Dreiphasenlast aus, wenn entweder eine Leitung Strom verliert oder ein überlaststrom besteht. WO-A-8902666 erfaßt den Strom auf allen drei Phasen nicht direkt. Stattdessen werden zwei Stromwandler CT1, CT2 (s. Fig. 6) verwendet und es wird angeführt, daß "mathematisch gezeigt werden kann, daß von dem gemeinsamen Anschluß 18 ein gleich wertiger Strom I2 fließen wird". I2 ist der Sekundärstrom von der Phase, die nicht durch einen Wandler überwacht wird.
EP-A-0 289 042 befaßt sich mit einem Abschalter, der mit einer Überstrom-Auslösevorrichtung versehen ist. Er besitzt eine komplexe Stromversorgung 500 mit einer +V, -V, Vref und Masse. Ferner besitzt er keine Summierungseinrichtung und vergleicht nicht den mittleren Strom der drei Phasen mit einer Bezugsspannung, um einen Überlaststrom zu ermitteln.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die obigen Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist die Hauptaufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte Überlastschutzvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Überlastschutzvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die allgemein aus Festkörperbauelementen hergestellt wird, eine minimale Größe besitzt, keine Vorkehrung zur Wärmeableitung benötigt und sich selbst mit Strom versorgt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Festkörper-Überstromrelais zur Verfügung mit einer Mehrzahl von Stromwandlern, die miteinander parallel geschaltet sind und jeder adaptiert ist, einem jeweiligen Phasenleiter einer mehrphasigen Last einzeln zugeordnet zu werden und um Signale zu liefern, die den Strom darstellen, der in dem zugehörigen Phasenleiter fließt, einer Stromversorgung, die betriebsfähig ist, ein Bezugssignal zu liefern, einem Schalter, der den Stromfluß in die Last, der das Überstromrelais zugeordnet sein kann, unterbricht, und gekennzeichnet durch eine Summierungseinrichtung, die diese Signale empfängt und ein Signal liefert, das zu dem mittleren Strom der Phaseneingänge in Beziehung steht, einen ersten Vergleicher, der sowohl mit der Stromversorgung als auch mit der Summierungseinrichtung verbunden ist, um das Bezugssignal mit dem mittleren Strom zu vergleichen und, wenn das mittlere Stromsignal eine Überlast anzeigt, dem Schalter ein Überlastsignal zu liefern, der dann den Stromfluß unterbricht.
Die Stromversorgung wird vorzugsweise mit den Stromwandlern verbunden, um davon elektrischen Leistung zu empfangen. Bei einer höchst bevorzugten Ausführung werden die Stromwandler mit der Stromversorgung in Reihe geschaltet und speisen dieselbe.
Eine höchst bevorzugte Ausführung umfaßt eine Spannungsklemmeinrichtung, die zwischen den Stromwandler und die Stromversorgung geschaltet ist. Bei der bevorzugten Ausführung ist die Klemmeinrichtung eine Zenerdiode.
Die Erfindung erwägt auch eine Verriegelungsschaltung mit einem ersten Eingang, der mit der Stromversorgung verbunden ist, um davon die Versorgungsspannung zu empfangen, und einem zweiten Eingang, der das Bezugssignal empfängt, und betriebsfähig, ein Frelgabesignal zu erzeugen, wenn die Versorgungsspannung bei oder über einem vorbestimmten Pegel liegt und das Bezugssignal stetig ist. Eine logische UND- Einrichtung ist zwischen der Verriegelungsschaltung und dem Schalter angeordnet und empfängt das Freigabesignal und das Überlastsignal. Dieselbe ist betriebsbereit, den Schalter nur als Reaktion auf die Anwesenheit beider Signale zu betätigen.
Bei einer Ausführung der Erfindung wird ein Monoflop in Reihe zwischen den Schalter und die UND-Einrichtung geschaltet.
Die Erfindung erwägt ferner die Bereitstellung einer Einrichtung, die mit den Stromabtastvorrichtungen, d.h. mit den Stromwandlern, und mit der Summierungseinrichtung verbunden ist, um den Verlust einer Phase bei einem der Phaseneingänge zu erfassen und ein Signal für den Monoflop zu erzeugen, um den Schalter zu betätigen. Die Einrichtung, die mit den Stromwandlern verbunden ist, enthält bevorzugt eine Mehrzahl von Vergleichern, einen für jede Phase der Last, wo bei der Ausgang der Vergleicher mit einer UND-Einrichtung verbunden ist, die das Signal für den Monoflop liefert.
Bei einer bevorzugten Ausführung werden Impulsdehnungsschaltungen zwischen den Vergleichern und den UND-Einrichtungen angeordnet, die Impulszüge von den Vergleichern in Gleichstromsignale umsetzen, die anzeigen, ob in dem entsprechenden Zweig Strom vorhanden ist.
Vorzugsweise wird ein RC-Kreis zwischen die UND-Einrichtung und den Schalter geschaltet.
Bei einer höchst bevorzugten Ausführung werden Impulsdehnungsschaltungen zwischen jeden der Vergleicher und die UND-Einrichtung geschaltet.
Bevorzugte Ausführungen werden mit einer Speichereinrichtung versehen, die sich eine frühere Betätigung des Schalters merkt und den Schalter schneller betätigt, wenn der Schalter in einer gegebenen vorangehenden Zeitperiode vorher betätigt worden ist. Die Speichereinrichtung umfaßt vorzugsweise einen RC-Kreis.
Andere Aufgaben und Vorteile werden aus der folgendenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Überstromrelais, und
Fig. 2 ist elektrisches Schaltblld des Überstromrelais.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Eine exemplarische Ausführung eines erfindungsgemäßen Überstromrelais ist allgemein in Blockform in Fig. 1 und in Schaltblldform in Fig. 2 dargestellt. Das Überstromrelais ist allgemein gedacht, an eine Dreiphasenlast angeschlossen zu werden, obwohl seine Verwendung darauf nicht beschränkt ist. Die Phasenleiter sind bei 10, 12 und 14 dargestellt und sind mit der Last (nicht gezeigt) verbunden. Den Leitern 10, 12, 14 sind jeweils einzelne Stromwandler 16, 18, 20 zugeordnet, die durch einen Leiter 22 parallel geschaltet sind.
Jedem Stromwandler 16, 18, 20 ist ein Stromfühlerwiderstand 24 zugeordnet. Zwischen jedem Stromwandler 16, 18, 20 und seinem zugehörigen Stromfühlerwiderstand 24 befindet sich eine Verbindung 26, 28 oder 30, von der ein Signal abgenommen werden kann, das den Strom darstellt, der durch die zugehörige Phase fließt. Die Dioden 32 dienen als Gleichrichter für die Signale jeder Phase, so daß ein Gleichstromsignal auf der Leitung 22 vorhanden ist, die wiederum mit einer Stromversorgungsschaltung, allgemein mit 34 bezeichnet, verbunden ist. Eine elektrische Klemmung in der Form einer Zenerdiode befindet sich zwischen den Stromwandlern 16, 18, 20 und der Stromversorgung 34, d.h. zwischen dem durch die Dioden 32 gebildeten Gleichrlchter und der Stromversorgung 34.
Die Stromversorgung 34 umfaßt einen ersten Abschnitt 38, der den verschiedenen Komponenten der in Fig. 2 gezeigten Schaltung die mit V+ bezeichnete Spannung liefert, um diese zu speisen. Ein zweiter Ab schnitt 40 erzeugt eine Referenzspannung. Die Referenzspannung wird sowohl einem Komparator 42 für noch zu erkennende Zwecke als auch einer Verriegelungsschaltung 44 zugeführt.
Die Verriegelungsschaltung 44 erhält ebenfalls Strom von der Stromversorgung 38 und erzeugt, wie in Fig. 1 angedeutet, ein "Strom-in- Ordnung-Signal", wann immer der von der Stromversorgung 38 empfangene Eingangsspannungspegel bei oder über einem vorbestimmten Wert liegt und das von der Schaltung 40 empfangene Referenzspannungsignal stabil ist. Die Verriegelungsschaltung 44 wird benutzt, um eine Fehlauslösung des Überstromrelais zu verhindern, wenn das Referenzsignal nicht stabil ist.
Das Relais enthält eine Fehlererkennungsschaltung, allgemein mit 45 bezeichnet. In ihr werden Signale von den Verbindungen 26, 28 und 30, die negativ sind, einer Summierungsverbindung 46 zugeführt, die als ein Eingang für einen invertierenden Operationsverstärker 48 mit einer einstellbaren Rückkopplung 50 geschaltet ist. Der resultierende positive Ausgang des Operationsverstärkers 48 wird dem mittleren Strom, der in jedem der Leiter 10, 12 und 14 fließt, proportional sein. Es ist zu beachten, daß der positive Stromversorgungsanschluß für den Operationsverstärker 48 mit dem Stromversorgungsabschnitt 38 verbunden ist, während der negative Stromversorgungsanschluß anstelle einer negativen Versorgung mit Masse verbunden ist. Dieses Merkmal vereinfacht die gesamte Schaltung. Der Ausgang des Verstärkers 48 ist mit einer RC-Schaltung verbunden, die aus einem Widerstand 52 und einem Kondensator 54 besteht, die ihrerseits mit einem Eingang des Komparators 42 verbunden sind.
Die Anordnung ist derart, daß, wenn das den mittleren Strom anzeigende Signal das Referenzpegelsignal um einen vorbestimmten Betrag übersteigt, am Ausgang 56 des Komparators 42 ein Überlastsignal ausgegeben wird. Der Ausgang 56 dient wiederum zusammen mit einem Eingang aus der Verriegelungsschaltung 44, der anzeigt, ob der Strompegel gut ist, als Eingang für ein UND-Gatter 58. Wenn beide Bedingungen vorliegen, liefert das UND-Gatter 58 einem herkömmlichen Monoflop 60 ein Überlastsignal. Der Monoflop 60 leitet wiederum die Leitung eines Transistorschalters 62 ein, der in Reihe mit einer Auslösespule 64 und einer Auslösespulen-Stromversorgungsschaltung 66 geschaltet ist. Wie Fig. 2 zeigt, kann die Schaltung 66 eine Diode 68 und einen Kondensator 70 enthalten.
In jedem Fall triggert das Überlastsignal den Monoflop 60, der den Transistorschalter 62 veranlassen wird, zu leiten und die Auslösespule 64 zu erregen, die in herkömmlicher Weise die mechanische Auslösung des Relais bewirkt. Der Monoflop 60 wird benutzt, um für den Schalter 62 einen Impuls von ausreichender Länge zu erzeugen, um die Funktion der Auslösespule 64 zu ermöglichen, obwohl die Impulsbreite aus dem UND-Gatter 58 ausreichend sein kann, um die Auslösung des Relais zu sichern.
Es sollte beachtet werden, daß die aus dem Widerstand 52 und dem Kondensator 54 bestehende RC-Schaltung einen Speicher bereitstellt, der sich merkt, ob es innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer eine Auslösung gegeben hat, und die Schaltung veranlaßt, mit größerer Schnelligkeit auszulösen, wenn dies der Fall war. Die Zeitkonstante der RC- Schaltung mit dem Widerstand 52 und dem Kondensator 54 ist relativ groß, um für eine relativ langsame Entladung des Kondensators 54 zu sorgen. Wenn es eine vorangehende Auslösung kurz vor derjenigen, die durch einen anderen Anstieg in dem mittleren Strom ermittelt wird, gegeben hat, wird folglich der Kondensator 54 nicht vollständig entladen sein und wird sich schneller auf den Pegel aufladen, der schließlich den Monoflop 60 triggern wird. Klar ausgedrückt, je kürzer der Zeitraum zwischen der augenblicklichen Auslösung und der vorangegangenen Auslösung ist, desto schneller wird die augenblickllche Auslösung eintreten. Dieses Merkmal ist dazu bestimmt, um eine Überhitzung der Last zu verhindern, was der Fall sein würde, wenn die Auslösezeit unter allen Umständen konstant bliebe. In einem solchen Fall würden Auslösungen, die in einer kurzen Zeit hintereinander eintreten, keine ausreichende Kühlung der Last erlauben, so daß eine Beschädigung die Folge sein könnte.
Die Erfindung stellt auch eine Einrichtung zur Verfügung, die auslöst, wenn eine oder mehr Phasen fehlen. Das heißt, wenn der Strom in einem der Leiter 10, 12 oder 14 endet, wird dieser Zustand erfaßt und wird unabhängig von irgendeiner entsprechenden Zunahme in den zwei übrigen betriebsfähigen Phasen eine Auslösung bewirken.
Im besonderen sind eine Reihe von drei Komparatoren 80, 82 und 84 jeweils angeschlossen, um Signale zu empfangen, die die Summe des Stromes durch die zugehörige Phase und dem mittleren Strom durch alle Phasen anzeigen, wie in Fig. 1 gezeigt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, befindet sich der Eingang für den Komparator 84 an einer Leitung 86, die ihrerseits an eine Verbindung 88 von zwei Widerständen 90 und 92 angeschlossen ist. Der Widerstand 92 kann mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 48 verbunden werden, um davon ein Strommittelwertsignal zu empfangen, während der Widerstand 92 auch an die Verbindung 30 angeschlossen werden kann, um das den Strom in der zugehörigen Phase darstellende Signal zu erhalten. Gleichermaßen angeschlossene Leitungen und Widerstaände liefern die Eingänge für die Komparatoren 80 und 82.
Die Ausgänge der Komparatoren 80, 82 und 84 sind mit den jeweiligen Impulsdehnungsschaltungen 86, 88 und 90 verbunden. Die Impulsdehnungsschal tungen können einfache RC-Schaltungen mit einer Zeitkonstante sein, die nur ausreichend lang sein muß, um Schwankungen im Ausgang des entsprechenden Komparators für digitale Logikzwecke zu glätten.
Die Impulsdehnungsschaltungen 86, 88 und 90 sind mit den Eingängen eines UND-Gatters, allgemein mit 92 bezeichnet, verbunden, das seinerseits mit einem UND-Gatter 94 verbunden ist, das auch ein Signal von der Verriegelungsschaltung 44, das anzeigt, daß der Strom in Ordnung ist, empfängt.
Somit ist einzusehen, daß, wenn eine der Phasen verlorengeht und wenn das Referenzsignal stabil ist, das UND-94 einen Ausgang für eine RC- Schaltung 96 erzeugen wird. Die Schaltung 96 ist eine Phasenverlust- Zeitschaltung und enthält einen Kondensator 98, der als Phasenverlust-Zeitkondensator bezeichnet werden kann. Die Anordnung ist so, daß eine relativ kleine Zeitkonstante vorhanden ist, so daß nach der Entscheidung, daß die Phase verlorengegangen ist, die Schaltung 96 in einer relativ sehr kurzen Folge dem Monoflop 60 ein Signal liefern wird, der wiederum den Schalter 62 veranlassen wird, zu leiten und die Relalsspule 64 zu erregen, um das Relais auszulösen.
Aus dem Obigen wird man erkennen, daß ein erfindungsgemäßes Überstromrelais jede Notwendigkeit für Helzelemente, den dafür benötigten Platz und die Einrichtung, die die Wärme davon ableitet, beseitigt. Außerdem sorgt es im Fall eines Phasenverlustes unabhängig von irgendeiner Zunahme der Strompegel in den übrigen betriebsfähigen Phasen für eine Auslösung, um eine schnelle Unterbrechnung zu gestatten, bevor sich irgendein Teil der Last überhitzen kann.
Das durch die RC-Schaltung mit dem Widerstand 52 und dem Kondensator 54 bereitgestellte Speichermerkmal sorgt in dem Fall, wo es häufige Auslösungen gegeben hat, für schnelle Auslösungen und für langsamere Auslösungen, wenn vorangehend keine Auslösungen eingetreten sind. In der Tat kann gezeigt werden, daß die Auslöseeigenschaften des Systems wenn gewünscht sehr gut an die Zeit-gegen-Strom-Kurve angepaßt werden können.
Die Erfindung stellt auch eine sich selbst speisende Überlast-Schutzvorrichtung zur Verfügung, die nicht von einer separaten Stromquelle abhängig ist. Fogllch wird die Zuverlässigkeit verbessert, und Fehlauslösungen sind vermeidbar.
Während die Erfindung als ein Überlastschutz für eine Mehrphasenlast beschrieben worden ist, werden die Fachleute schließlich erkennen, daß sie auch beim Einphasenlastschutz Anwendung finden kann. In einem solchen Fall muß lediglich ein Einphasenleiter durch die drei Stromwandler 16, 18, 20 geführt werden, um die Vorteile der Erfindung, soweit es den Überlastschutz anbelangt, zu erlangen.

Claims

1. Festkörper-Überstromrelais mit einer Mehrzahl von Stromwandlern (16, 18, 20), die miteinander parallel geschaltet sind und jeder einem jeweiligen Phasenleiter einer mehrphasigen Last einzeln zugeordnet ist, um Signale (Ia, Ib, Ic) zu liefern, die den Strom darstellen, der in dem zugehörigen Phasenleiter fließt, einer Stromversorgung (40), die ein Bezugssignal erzeugt, einem Schalter (62), der den Stromfluß in die Last, der das Überstromrelais zugeordnet sein kann, unterbricht, und gekennzeichnet durch eine Summierungseinrichtung (46), die diese Signale empfängt und ein Signal (Iave) erzeugt, das zu dem mittleren Strom der Phaseneingänge in Beziehung steht, einen ersten Vergleicher (42), der sowohl mit der Stromversorgung (40) als auch mit der Summierungseinrichtung verbunden ist, um das Bezugssignal mit dem mittleren Strom zu vergleichen und, wenn das mittlere Stromsignal eine überlast anzeigt, dem Schalter (62) ein Überlastsignal (O.L.) zu liefern, der dann den Stromfluß unterbricht.

2. Festkörper-Überstromrelais nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch die Stromversorgung (40), die mit dem Stromwandler (16, 18, 20) verbunden ist, um elektrische Leistung davon zu erhalten, und durch eine Spannungsklemmvorrichtung (36), die zwischen die Wandler und die Stromversorgung geschaltet ist.

3. Festkörper-Überstromrelais nach Anspruch 2, bei dem die Klemmvorrlchtung (36) eine Zenerdiode ist.

4. Festkörper-Überstromrelais nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Verriegelungsschaltung (44) mit einem ersten Eingang, der mit der Stromversorgung verbunden ist, um davon die Versorgungsspannung zu empfangen, und einem zweiten Eingang, der das Bezugssignal empfängt, um ein Freigabesignal zu erzeugen, wenn die Versorgungsspannung bei oder über einem vorbestimmten Pegel liegt und das Bezugssignal stetig ist, sowie logische UND-Einrichtung (58) zwischen der Verriegelungsschaltung (44) und dem Vergleicher, um das Freigabesignal und das Überlastsignal zu empfangen und den Schalter nur als Reaktion auf die Anwesenheit beider Signale zu betätigen.

5. Festkörper-Überstromrelais nach Anspruch 4, weiter umfassend einen Monoflop (60), der in Reihe zwischen den Schalter und die UND- Einrichtung geschaltet ist.

6. Festkörper-Überstromrelais nach Anspruch 5, weiter umfassend eine Einrichtung (45), die mit dem Stromwandlern und der Summierungselnrichtung verbunden ist, um den Verlust einer Phase bei irgendeinem der Phaseneingänge zu erfassen und ein Signal für den Monoflop zu erzeugen, um den Schalter zu betätigen.

7. Festkörper-Überstromrelais nach Anspruch 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Stromwandlern verbundene Einrichtung eine Mehrzahl von Vergleichern (80, 82, 84), einen für jede Phase, enthält, wobei der Ausgang der Vergleicher mit einer UND-Einrichtung (92) verbunden ist, die das Signal für den Monoflop erzeugt.

8. Festkörper-Überstromrelais nach Anspruch 7, weiter gekennzeichnet durch eine RC-Schaltung (96), die zwischen die UND-Einrichtung und den Schalter geschaltet ist.

9. Festkörper-Überstromrelais nach Anspruch 7, umfassend Impulsdehnungsschaltungen (86, 88, 90), die zwischen jeden der Vergleicher und die UND-Einrichtung geschaltet sind.

10. Festkörper-Überstromrelais nach Anspruch 7, weiter gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung, die sich frühere Betätigungen des Schalters merkt und den Schalter mit größerer Schnelligkeit betätigt, wenn der Schalter vorangehend in einer gegebenen vorangehenden Zeitperiode betätigt worden ist.

11. Festkörper-Überstromrelais nach Anspruch 7, weiter gekennzeichnet durch die Speichereinrichtung, die eine RC-Schaltung umfaßt.