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Wechselstromrelais für den Empfang von Fernsteuerkommandos Es ist
ein Fernsteuerverfahren zur Betätigung einer Vielzahl von gleichartigen Apparaten
bekanntgeworden, bei dem über das vorhandene Energieverteilungsnefitz Kommandos
dadurch gegeben werden, daß die Spannung in dem zu beeinflussenden Versorgungsgebiet
kurzzeitig für etwa zwei bis drei Perioden des Netzwechselstroms abgesenkt wird.
Solche Spannungsabsenkungen werden zur Kennzeichnung eines Schaltbefehls etwa dreimal
vorgenommen, wobei der Zeitabstand zwischen den einzelnen Impulsen für das betreffende
Kommando maßgeblich ist. Die Empfangsrelais bestehen dabei aus einem auf die mehrfachen
Spannungsab,senhungen ansprechenden Spannungsmagneten und einem Zeitlaufwerk, das
bei Eintreffen des ersten Impulses mit konstanter Geschwindigkeit in Umlauf versetzt
wird. Dieses Zeitlaufwerk prüft etwa mittels einer Nockenscheibe den Zeitabstand
der eintreffenden Impulse und bringt das Kommando erst zur Ausführung, wenn die
Impulse den vorgeschriebenen Zeitabstand gehabt haben. Die Empfangsrelais dieser
Art benötigen nun zur Aufnahme der Spannungsabsenkungen besondere -Wechselstrommagnete,
an welche außerordentlich hohe Ansprüche gestellt werden.
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Im einzelnen sind. diese Anforderungen im stationären Zustand folgende:
Genauigkeit Das Relais ist bei der Normalspannung U" angezogen und soll bei einem
Absinken der Spannung auf den Wert U" abfallen. Der Betrag U" muß dabei bei wiederholten
Versuchen bis auf etwa + : °/o konstant sein. Er muß unabhängig sein
von der Temperatur
sowie in weiten Grenzen von der Frequenz und
der Kurvenform bzw. dem Oberwellengehalt der Netzwechselspannung. Die Konstanz ,der
Abfallspannung U" im Dauerbetrielo, erfordert eine Konstanz der Materialeigei schaften
(Alterung :des Eisens und der All;; reißfeder) sowie die Konstanz der inechanisehen
Teile (Konstanz der Klebstifthöhe, keine Korrosion, keine Abnutzung der Lager, kein
mechanisches Kleben des Ankers).
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Arbeitsgeschwindigkeit Der Anker des Relais soll abfallen, wenn die
Normalspannung nur für die Dauer einer Halbwelle des Netzwechselstroms auf den Betrag
U, abgesenkt wird. Hierzu ist die Beachtung einer bestimmten mechanischen, elektrischen
und magnetischen Dimensionierung notwendig. Zur Erfüllung dieser Forderung ist ein
geringes mechanisches Trägheitsuioment des Ankers erforderlich, eine große mechanische
Abreißfederkraft, ein großes Halteverhältnis, :die Anwendung einer Rückführung in
die Normallage bei Rückführung der Normalspannung und eine besondere Dimensionierung
der elektrischen Schalteleinente mit Rücksicht auf einen günstigen Verlauf der Ausgleichsvorgänge.
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3. Erschütterungsempfindlichkeit Diese kann durch ein geringes Gewicht
des Ankers sowie durch eine erschütterungsfreie Lagerung des Relais erzielt werden.
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Wenn man also von den aufgezählten mechanischen Erfordernissen absieht,
so sind vor allem zwei elektrische bzw. magnetische Bedingungen zu stellen: a) Das
Haltedrehmoment muß zeitlich konstant sein; b) Das Halteverhältnis muß groß sein.
Die Bedingung a erfordert eine sehr weitriehende Unterdrückung des periodischen
Anteils des magnetischen Drehmoments auf den Anker in angezogenem Zustand. Dies
läßt sich bei Wechselstrommagneten, bei welchen der Anker von nur einem F1uß durchsetzt
wird, nicht erreichen. Die auf den Anker ausgeübte Kraft schwankt bekanntlich gemäß
Abb. z nach einer sid-Kurve periodisch um einen Mittelwert Pn. Die Amplitude der
Schwankung ist ebenfalls P,n, so @daß die magnetische Anzugskraft kurzzeitig den
Wert 17u11 erreicht. Die mechanische Abreißkraft der Feder ist Pf und zeitlich konstant.
Vorübergehend wird also die magnetische Anzugskraft kleiner als die mechanische
Abreißkraft. Während dieser Zeit löst sich der Anker von dem Magnetkern. Wenn nun
der Anker so träge ist, daß er sich während der kurzen genannten Zeitspanne nicht
wesentlich von dein Magnetgestell entfernen kann, so wird er während der nachfolgenden
Zeitdauer, während welcher die magnetische Anzugskraft überwiegt, wieder zum Magnet-`,gczstell
hingezogen. Der Anker fällt also nicht sondern führt eine vibrierende Bewegung #
A-,
Dieser Zustand verhindert ein genaues -t
ü'1r-beiten des Magneten,
wenn -die den Magneten speisende Spannung kleiner wird und somit auch die Amplitude
der Kurve für die magnetische Anzugskraft abnimmt. Dann rückt nämlich der Mittelwert
F. näher an Ft heran, und,der Magnet arbeitet unzuverlässig.
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Der periodische Anteil des magnetischen Drehmoments muß also unterdrückt
werden. D:e Maßnahmen hierzu sind bekannt. Sie bestehen darin, daß der Anker von
zwei um 9o' phasenverschobenen Flüssen von einem bestimmten Amplitudenverhältnis
durchsetzt wird. Das Amplitudenverhältnis ist r, trenn beide Wicklungen, die zur
Erzeugung der beidWn. Flüsse benötigt werden, auf demselben Schenkel angeordnet
sind. Sind dagegen die Wicklungen auf verschiedenen Schenkeln angeordnet, dann ist
das Amplitudenverhältnis umgekehrt proportional dem Verhältnis der Abstände der
Schenkel vom Ankerdrehpunkt. Es gelingt auf diese Weise, das magnetische Anzugsdrehmoment
zeitlich konstant zu machen, so daß die Bedingung a erfüllt ist. In diesem Fall
verhält sich das Wechselstromrelais im stationären Zustand genau so wie ein Gleichstromrelais.
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Die Bedingung b kann nun etwa dadurch erfüllt werden, daß man der
Relaiswicklung einen ausreichend großen Widerstand vorschaltet. Dieser verhindert
dann allerdings, daß das Relais, nachdem es bei einer Spannungsabsenkung einmal
abgefallen ist, von selbst bei Wiederkehr der vollen Spannung anzieht. Man muß daher
dafür sorgen, daß der Widerstand durch einen besonderen Kontakt überbrückt wird,
wenn das Relais wieder anziehen soll. Dieser Kontakt kann z. B. durch die erwähnte
Nockenscheibe vorübergehend geschlossen werden.
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Bei Beachtung ,dieser Anweisungen ergibt sich also beispielsweise
ein Relais, dessen Schaltung bzw. Ausführung in Abb. 2 scheinatisch dargestellt
ist.
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Das Relais besteht aus einem Magnetkern mit den Schenkeln 4:2, 3 und
einem in einer Schneide gelagerten Anker, der unter der Wirkung einer Abreißfeder
steht. Die beiden äußeren Schenkel tragen die Wicklungen El und Eg. Beide Wicklungen
sind an die Netzspannung angeschlossen, und zwar die Wicklung El direkt über einen
Ohmschen Widerstand R, In Reihe mit der anderen Wicklung F_3 ist ein Widerstand
R3 und ein Kondensator Cs geschaltet, so daß diese Wicklung. demzufolge von einer
um
go° phasenverschobenen Spannung gespeist wird, Demzufolge erzeugen die beiden Wicklungen
Flüsse, die gegeneinander um go° phasenverschoben sind. Auf diese Weise wird ein
zeitlich konstantes Haltedrehmoment (Bedingung a) erreicht.
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Das Relais besitzt außerdem den Kontakt k, der geöffnet ist, solange
das Relais an der vollen Spannung liegt und angezogen ist. Beim Abfall des Relaisankers
infolge einer Spannungsabsenkung kann auch bei Wie-derkehr der vollen Spannung das
Relais von selbst nicht wieder anziehen, Ida die durch den Widerstand R1 verminderte
Spannung an der Wicklung Ei nicht ausreicht, um .in -dem vergrößerten Luftspalt
ein ausreichend starkes Feld zu erzeugen. Erst wenn durch die Bewegung der erwähnten
Nockenscheibe der Kontakt k vorübergehend geschlossen wird, wird dadurch der Fluß
soweit verstärkt, daß das Relais sicher anzieht. Durch die Vorschaltung des zeitweise
kurzschließbaren Widerstandes R1 ist also das gewünschte Halteverhältnis (Bedingung
b) erreichbar, denn das Relais nimmt lediglich zum Anziehen einen großen Strom auf,
während der Haltestrom gering ist.
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Ein Relais der beschriebenen Art unterliegt nun, wenn es für die Zwecke
der eingangs erwähnten Fernsteuerung verwendet wird, gewissen elektrischen bzw.
magnetischen Ausgleichsvorgängen, die einmal durch -die Spannungsänderungen im Netz,
dann aber auch durch die Betätigung des Kontaktes k hervorgerufen werden.
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Normalerweise ist das Relais so eingestellt, daß bei Normalspannung
das magnetische Drehmoment nur wenig größer ist als das mechanische Abreißmoment.
Dies ist notwendig, damit das Relais bereits bei einer kleinen Spannungsabsenkung
abfällt. Wenn man bei Normalspannung den Kontakt k schließt, so wird dadurch der
Fluß im Schenkel a wegen der Kurzschließung des Widerstandes R1 erheblich vergrößert.
Dieser Vorgang ist aber unschädlich, da er doch nur die gewollte Wirkung hat, daß
der Relaisanker mit Sicherheit angezogen wird. Anders ist es dagegen beim Öffnen
des Kontaktes k. Beim Öffnen dieses Kontaktes geht der bisher vorhandene und durch
die Wicklung El erzeugte Fluß auf einen neuen Wert über, der im stationären Zustand
durch !die Vorschaltung des Widerstandes R1 gegeben ist. Dabei kann es vorkommen,
daß im Verlauf des Ausgleichsvorganges, -der etwa nach einer gedämpften Schwingung
verlaufen kann, das magnetische Drehmoment kurzzeitig seinen neuen stationären Wert
unterschreitet und unter Umständen unter das mechanische Ab= reißmoment fällt. In
diesem Fall kann es vorkommen, daß der Anker abfällt, obwohl der neue stationäre
Wert des magnetischen Drehmomentes größer ist als das mechanische Abreißmoment.
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Die Erfindung betrifft ein Wechselstromrelais für mit kurzzeitigen
Absenkungen der Netzspannung arbeitende Fernsteueranlagen mit zwei oder mehr mit
Hilfe von Widerständen und Kondensatoren gegeneinander phasenverschobenen Flüssen
zur Erzielung eines zeitlich konstanten Haltedrehmomentes, bei welchem nach dem
Wiederanzug des Relais nach einem Abfall der Kurzschluß eines der Widerstände vermittels
eines Schalters aufgehoben wird. Zur Vermeidung der oben angegebenen Schwierigkeit
sind erfindungsgemäß die Widerstände und Kondensatoren so bemessen, daß die nach
dem Aufheben des Kurzschlusses des einen Widerstandes vorhandenen stationären Wechselflüsse
den vor der Aufhebung des Kurzschlusses stationär vorhandenen Wechselflüssen in
der Phase nacheilen, so daß das resultierende magnetische Drehmoment ohne Überschwingen
seinem neuen stationären Wert zustrebt.
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Es ist klar, daßdabei der Verlauf der Flüsse vor und nach dem Schaltvorgang
eine Rolle spielt. Im folgenden werden diese Verhältnisse näher untersucht. In A:bb.
3 ist der zeitliche Verlauf der beiden auf den Anker einwirkenden Teilflüsse vor
und nach Öffnung des Kontaktes k dargestellt. F"1 und F"s sind die Flüsse in den
beiden Schenkeln i und 3 bei geschlossenem Kontakt k. Fnl und F" sind ,demgemäß
die beiden stationären Flüsse bei offenem Kontakt k. Es ist bei Abb. 3 angenommen,
daß die Flüsse F" den Flüssen Frz nacheilen. In Abb. 4 sind dieselben Flüsse dargestellt
für den Fall, daß die Dimensionierung derart getroffen ist, daß die Flüsse F" und
F" vor und nach dem Schaltvorgang jeweils in Phase sind. Schließlich ist in Abb.5
der Fall dargestellt, daß die Flüsse F" vor der Kontaktöffnung den Flüssen Frz nach
der Kontaktöffnung in der Phase vorauseilen. In alle Abbildungen sind die Ausgleichsvorgänge
für verschiedene Schaltmomente eingetragen. Der Verlauf eines Ausgleichsvorganges,
d. h. also der Übergang z. B. von der Kurve F"3 auf die Kurve Fn3, ist durch eine
stark ausgezogene Linie dargestellt. Man kann durch Betrachtung des Verlaufes des
Ausgleichsvorganges der Flüsse sofort gewisse Rückschlüsse auf den Verlauf des Ausgleichsvorganges
des magnetischen Drehmoments ziehen. Es ist nämlich sicher, daß im Verlauf des Ausgleichsvorganges
das magnetische Drehmoment über seinen neuen stationären Wert dann nicht hinausschwingt,
wenn während des Ausgleichsvorganges jeder der beiden Flüsse zu jedem Zeitpunkt
dem
Betrag nach größer bleibt als die beiden stationären Flüsse
F"1 und F"3. Man erkennt daraus sofort, daß dies bei einem Verlauf der Flüsse wie
in Abb. 3 nicht möglich ist. Hier verläuft nämlich der Ausgleichsvorgang so, daß
der Fluß,:der den Übergang von der Kurve F"3 zu der Kurve F"3 darstellt, zu einem
bestimmten Zeitpunkt durch Null geht und seine Ordinaten von -da an kleiner sind
als die Ordinaten der Kurve F,3. Demgemäß muß auch das Quadrat des Ausgleichsflusses
vorübergehend kleiner sein als das Quadrat des stationären Flusses F"3. Das gleiche
gilt für einen Flußverlauf gemäß Abb.4, weil auch hier die Ordinaten der Ausgleichsflüsse,
während des Überganges vorübergehend kleiner sind als die Ordinaten der entsprechenden
Kurven F"1, F"3, die nachher stationär vorhanden sein müssen.
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Befriedigende Verhältnisse erhält nian aber, wenn, wie in Abb. 5,
die Flüsse F" vor der Kontaktöffnung den Flüssen F" nach der Kontaktöffnung vorauseilen.
Dann ist nämlich, solange sich der Ausgleichsvorgang abwickelt, die Ordinate des
Ausgleichsflusses in jedem Zeitpunkt größer als die entsprechende Ordinate der Kurve
des Flusses, der nach Beendigung des Ausgleichsvorganges stationär vorhanden sein
muß. Es ist also, um das Überschwingen des Flusses bei einem .@usgleichsvorgang
zu verhindern, anzustreben, daß der Flußverlauf der Darstellung nach Abb. 5 entspricht.
Die Mittel dazu bestehen in einer geeigneten Abstufung der Widerstände R1, R3 und
des Kondensators C3. Zweckmäßig wird der Anker des Wechselstroinrelais derart gelagert,
daß bei jeder Ankerlage die in seinem Drehpunkt auf den Kern übertragenen magnetischen
und mechanischen Kräfte zu jedem Zeitpunkt angenähert dieselbe Richtung haben. Weiterhin
ist es zweckmäßig, daß der Anker unter steter Beibehaltung des Eisenschlusses im
Drehpunkt im Magnetgestell gekippt wird, wobei die magnetische Kraft den Anker zu
jeder Zeit und in jeder Lage zum Magnetgestell hinzieht, sowie daß die mechanische
@breiLlkraft des Ankers von einer Feder geliefert wird, welche so angeordnet ist,
daß nur eine geringe Komponente zur mechanischen Abliebung des Ankers dient, während
die Hauptkomponente zur mechanischen Zusammendrückung der Lagerstellen benutzt wird.
Das Trägheitsmoment des Ankers, bezogen auf seinen Drehpunkt, inuß mindestens so
klein sein, da?) die Zeit zum Durchlaufen des Ankerhubs unter dem Einfluß der Abreißfeder
klein ist gegenüber der Dauer einer Halbwelle des -Netzwechselstromes.