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Anordnung zum Schutz elektrischer Maschinen oder Apparate mit Hilfe
eines $imetallrelais Werden .elektrische Maschinen oder Apparate überlastet, so
ist es nicht notwendig, sie sofort a2bzu schalten, @da sie die zulässige Grenztemperatur
wegen ihrer Wärmekapazität erst nach einer längeren oder kürzeren Zeit, je nachdem,
ob der Überlaststrom klein oder groß ist, erreichen. Die zum Schutz derartiger Maschinen
und Apparate verwendeten Überlastrelais schalten daher bei großen Überlastströmen
in kürzerer Zeit ab als bei kleinen Überlastströmen. Als Überlastrelais hat man
vielfach Bimetallrelais verwendet. Die üblichen Bimetallrelais haben aber den Nachteil,
@daß sie in zu kurzer Zeit auslösen. Man hat diesen Nachteil dadurch zu beseitigen
versucht, daß man sie unempfindlicher eingestellt hat. Das bedeutet aber, daß sie
bei geringen Überlastströmen nicht ansprechen; obwohl auch bei längerem Vorhandensein
dieser Ströme die Maschine gefährdet ist. Das zu schnelle Auslösen des Bimet:allrelais
rührt davon her, daß sie vom normalen Laststrom v orerwärmt werden, so daß bereits
eine geringe Überlast genügt, um sie in kurzer Zeit zum Auslösen zu bringen. Im
allgemeinen besitzen die üblichen Bimetallrelais mit Streuwandler nur im kalten
Zustand eine Auslösekennlinie, wie sie notwendig ist, um die Überlastbarkeit einer
elektrischen Maschine bzw. eines elektrischen Apparates im betriebswarmen Zustand
auszunutzen. Die Vorerwärmung des Bimetallstreifens durch den Nennstrom bewirkt
aber, daß die Auslösung in kürzerer Zeit erfolgt, z. B. bei r,5fachem Nennstrom
schon bei o,4 Minuten, während Maschinen im Anschluß an den durch den Nennlastbetrieb
herbeigeführten betriebswarmen Zustand eine Überlastung mit dem r,5fachen Nennstrom
2 Minuten lang aushalten können. Für kleinere bzw. größere Überlastungen sind die
zulässigen Überlastungszeiten entsprechend größer bzw. kleiner. Wie bereits erwähnt,
liegt aber die Auslösekennlinie eines vom Laststrom vorerwärmten Bimetallrelais
weit unterhalb -dieser Werte. Ferzner bereitet es Schwierigkeiten,
die
üblichen Bimetallrelais schwierigen Anlaufbedingungen anzupassen. Auch der Überlastschutz
von elektrischen Maschinen im Aussetzbetrieb bereitet Schwierigkeiten.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Bimetallrelais, welches den besonderen
Bedingungen der obenerwähnten Aufgabengebiete, nämlich dem Überlastschutz unter
Ausnutzung der tatsächlichen Überlastbarkeit der elektrischen Maschine bzw. des
Apparates, dem wirksamen Schutz bei schwierigen Anlaufbedingungen und dem Schutz
der elektrischen Maschinen im Aussetzbetrieb angepaßt werden kann. Gemäß der Erfindung
wird außer dem Bimetallstreifen (Überlaststreifen), der vom Laststrom beheizt wird
und die Lage des beweglichen Kontaktes beeinflußt, zur Anpassung der Stromzeitcharakteristik
des Relais an die jeweiligen Betriebsbedingungen des Schützlings noch ein zweiter
Streifen (Kompensationsstreifen) vorgesehen, dessen Heizung ebenfalls vom Laststrom
abhängig ist und welcher die Lage des Gegenkontaktes bestimmt. In welcher Weise
man die Abhängigkeit der Heizung des Kompensationsstreifens vom Laststrom vornehmen
muß, wird im folgenden eingehend erläutert: Wie bereits erwähnt, müßte man, um eine
Maschine unter Ausnutzung ihrer tatsächlichen ÜberIxstbarkeit mit Hilfe eines Biinetallrelais
zu schützen, dem Bimetallrelais eine verhältnismäßig große Zeitkonstante geben.
Man könnte nun daran denken, das Gewicht und damit die Wärmekapazität des Streifens
zu vergrößern. Dies führt aber zu unhandlichen Konstruktionen. Man könnte auch den
Koeffizienten der Wärmeabgabe vermindern. Das hat aber eine oft unerwünschte Vergrößerung
der Abkühlzeit zur Folge, wozu noch kommt, daß bei indirekt beheizten Streifen der
Wärmewiderstand zwischen Heizwicklung und Bimetallstreifen nicht zu groß «-erden
darf, weil sonst die Zeitkonstante des Bimetallrelais mit wachsendem Überstrom zu
stark ansteigt und die des Motors, die mit wachsendem Überstrom fällt, übertreffen
kann. Auch der Sättigungsgrad des den Bimetallstreifen speisenden Streuwandlers
läßt sich nicht so wirksam verstärken, daß eine wesentliche Verbesserung erzielt
wird.
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Verwendet man aber erfindungsgemäß zwei Bimetallstreifen, so kann
man die Zeitkonstante des Bimetallrelais praktisch erheblich, zumindest für das
hauptsächlich in Frage kommende Überlastgebiet, erhöhen. Den Kompensationsstreifen
kann man beispielsweise von der Differenz zweier primär vom Laststrom erregter Stromwandler
beheizen, wobei die Wandler so gewählt sind, daß beim Grenzstrom der Heizstrom des
Kompensationsstreifens gleich .Null ist. Es bleibt dann der Grenzstrom derselbe
wie bei einem Bimetallrelais mit nur einem Streifen, und er entspricht nach wie
vor dem etwa i, i fachen Nennstrom -der Maschine.
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Wird der Grenzstrom überschritten, so bewegt sich der Kompensationsstreifen
abhängig von der Größe der Überlastung um ein bestimmtes Maß in derselben Richtung
-,vie der Überlaststreifen. Der Gegenkontakt entfernt sich also von dem Kontakt,
der vorn Cberlaststreifen beeinflußt wird. Dadurch wird bis zu einem gewissen Grade
die durch -die Laststromvorerwärrnung bewirkte Verringerung des Kontaktabstandes
aufgehoben, und damit werden die Auslösezeiten entsprechend verlängert. Man kann
die Zeitkonstante der beiden Streifen gleich groß wählen. -Man kann sie aber auch
verschieden groß machen, z. B. kann man die Zeitkonstante des Kompensationsstreifens
größer wählen, dann erhält man nicht so lange Zeiten: wählt man sie kleiner, dann
«-erden die Auslösezeiten größer. _111erdings darf man mit Rücksicht auf die Abkühlungsvorgänge
bei der einer vorhergehenden Überlastung folgenden Entlastung die Zeitkonstante
des Kompensationsstreifens auch nicht zu klein wählen. Die Wahl der Zeitkonstante
wird daher entsprechend der Erwärinungszeitkurve der Maschine gewählt. wobei ferner
noch eine weitere Variationsmögl-ichkeit darin besteht, daß die Größe des Differenzstromes
mit steigendem Überlaststrom durch entsprechende Wahl der Charakteristiken der Wandler
eingestellt werden kann.
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Bei einem derartigen Birnetallrelais wird also nach Überschreiten
des Grenzstromes der Kompensationsstreifen beheizt, so daß sich der von ihm bewegte
Gegenkontakt von dein vom Cberlaststreifen bewegten Kontakt entfernt. Je nach der
Wahl der Zeitkonstante und abhängig von der Größe des Überlaststromes wird dann
der bewegliche Gegenkontakt von dem vom Überlaststreifen beeinflußten Kontakt eingeholt
bzw. erst in seiner Endlage erreicht.
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Aus obenstehendem ergibt sich, daß finit dem neuen Relais also das
gewünschte Ziel eines Schutzes der elektrischen Maschine unter Ausnutzung ihrer
Vberlastbarkeit (große Zeitkonstante des Relais) geschalten wird, ohne daß die Abkühlungszeit
zu lang wird.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Die Fig. i bis 3 erläutern die Erfindung näher. In Fig. i ist mit
i der Motor bezeichnet, der an das speisende Netz :2 angeschlossen ist. 3 und .I
sind die Hauptstroniwandler. Der Wandler 3 speist die in Reihe
geschalteten
Primärwicklungen der Streuwandler 5 und 6, die in ihrer magnetischen Kennlinie verschieden
sind. Mit 7 ist der Ü.berlaststreifen bezeichnet, der vom Sekundärstrom i25 des
Wandlers 5, mit 8 ist der Kompensationsstreifen bezeichnet, der von der Differenz
.der Sekundärströme der Wandler 5 und 6 (i25 und i26) durchflossen wird, 9 und io
ist das Kontaktpaar mit den Zuleitungen i i und 1z, wobei der Kontakt 9 vom Überlaststreifen
7, der Kontakt io vom Kompensationsstreifen 8 betätigt wird.
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Wie die magnetischen Kennlinien der beiden Streuwandler m und 6 aussehen
können, zeigen beispielsweise die Fig. z und 3, und zwar sind in Abhängigkeit vom
Primärstrom des Wandlers 5 bzw. 6 (i15 bzw. i16) die Sekundärströme i25 bzw. i26
aufgetragen. Beim Grenzstrom Ig sind die Sekundärströme gleich groß, so daß bei
Überschreiten des Grenzstromes, wie gefordert, erst auf den Kompensationsstreifen
eine Heizung einwirkt. Da vor Überschreiten des Nennstromes keine Kontaktgabe erfolgt,
ist es nicht erforderlich, daß, wie in Fig. ?"dargestellt, bis zum Grenzstrom die
magnetischen Kennlinien der beiden Wandler fast genau übereinstimmen, sondern sie
können auch, wie in Fig. 3 dargestellt, auch unterhalb des Grenzstromes voneinander
abweichen. Hierdurch ist eine größere Variationsmöglichkeit für den Unterschied
der Kennlinien und damit für die Größe des Differenzstromes und damit auch der Auslösezeiten
gegeben.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung läßt sich noch im einzelnen aus
Fig. q. erkennen, in welcher schematisch die Konstruktion des Relais dargestellt
ist, und zwar ist angenommen, daß es sich um fremdbeheizte ,Streifen handelt. Soweit
die Teile mit denen der Fig. i übereinstimmen, sind ,die gleichen Bezugszeichen
gewählt. Der Überlaststreifen 7 bewegt den Kontaktarm 9' mit dem einen beweglichen
Kontakt 9, der Kompensationsstreifen 8 den Kontaktarm iö mit dem Gegenkontakt io.
Dabei drehen sich die Kontaktarme 9' bzw. 1o' um die Drehpunkte 13 bzw. 1:4. Unter
dem Einfluß nicht dargestellter Torsionsfedern legen sich die Kontaktarme 9' und
iö jeweils an die entsprechenden Anschläge 15 bzw. 16 der Streifen 7 bzw. 8 an.
Der Überlaststreifen 7 sucht nun bei entsprechender Strombelastung den Kontakt 9
dem Gegenkontakt io zu nähern. Unter der Annahme, daß die Wandler 5 und 6 Kennlinien
gemäß Fig. a besitzen, behält der Gegenkontakt io bis zum Erreichen der Grenzstromstärke
seine Lage bei. Wird der Grenzstrom erreioht, dann drückt der Streifen 7 den Kontakt
9 gegen den in Ruhe v erharrenden Gegenkohtaktso. Wird jedoch der Grenzstrom überschritten,
so wird der Gegenkontakt io ebenfalls in Pfeilrichtung bewegt, und zwar je nach
der Wahl der Zeitkonstante schneller, gleich oder langsamer, als es der Bewegung
des Kontaktes 9 entspricht. -Bevor daher ein Kontaktschluß auftreten kann, muß der
Kontakt 9 einen mehr oder weniger großen Weg durchlaufen, so daß bis zur Koncaktgabe
eine entsprechend längere Zeit verstreicht, als wenn der Gegenkontakt io die ursprüngliche
Lage beibehalten hätte.
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Die Einrichtung nach Fig. .4 gilt sinngemäß auch für mehrpolige Einrichtungen,
bei denen mehrere Streifensätze über eine gemeinsame Traverse auf einen Kontakt
arbeiten; man kann aber auch getrennte Relais je Phase anwenden.
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Der Einfluß der Raumtemperatur wird an und für sich durch die Streifen
7 und 8 bereits weitgehend ausgeglichen. Etwa noch unerwünschte Differenzen können
in bekannter Weise dadurch berücksichtigt werden, daß das untere Ende des Kontaktarmes
iö aus einem Stück Bimetall entsprechender Form hergestellt wird.
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Mit der Einstellschraube 17 kann der Kontaktabstand entsprechend dem
Maschinennennstrom bzw. dem Sekundärstrom im Überlaststreifen eingestellt werden.
Es ist allerdings erforderlich, der jeweiligen Einstellung die Auslegung der Streuwandler
5 und 6 von Fall zu Fall anzupassen.
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Eine andere Ausführungsmöglichkeit für ein Relais gemäß der Erfindung
bestände beispielsweise darin, daß der Ü'berlaststreifen und der Kompensationsstreifen
je von einem Streuwandler getrennt beheizt werden. Der Überlaststreifen wird an
den einen Streuwandler angeschlossen. Der Streuwandler für die Kompensationsstreifen
wird z. B. über einen Widerstand geschlossen und parallel dazu der Kompensationsstreifen
in Reihe mit einer Glimmlampe gelegt. Sobald der Grenzstrom erreicht wird, zündet
die Glimmlampe, so daß erst nach Erreichen des Grenzstromes der Kompensationsstreifen
erwärmt wird.
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Die beschriebenen 1laßnahmen, durch welche das Bimetallrelais der
weit größeren Zeitkonstante der elektrischen Maschine bzw. des elektrischen Apparates
angepaßt werden kann, sind auch grundsätzlich geeignet, seine Anpassung an schwierigere
Anlaufbedingungen herbeizuführen. Es kommt letzten Endes auf die Wahl des Unterschiedes
der magnetischen Kennlinien der beiden Streuwandler 5 und 6, auf den Unterschied
der Zeitkonstanten der Streifen 7 und 8 sowie auf das Verhältnis der die beiden
Streifen beaufschlagenden Ströme an, ob die Auslösezeiten im Bereich des Anlaufstromes
genügend
groß werden. Beispielsweise würde die Zeitkurve bei großen Überströmen um so mehr
gehoben «-erden, je kleiner die Zeitkonstante des Kompensationsstreifens im Verhältnis
zum Überlaststreifen gemacht wird und uni so größer der den Kompensationsstreifen
8 beaufschlagende Strom im Anlaufzustand des Motors ist. Man wird also mit einem
passend dimensionierten Relais in der Schaltung nach Fig. i schon recht schwere
Anlaufbedingungen erfüllen können. Wie man im einzelnen die Verhältnisse wählt,
hängt von den Anlaufbedingungen ab, und man muß von Fall zu Fall genau so wie für
den Cberlastschutz unter Ausnutzung der Belastbarkeit der Maschine für die einzelnen
Überlastströme bzw. Anlaufströme die entsprechenden Wegzeitkurven der beiden Streifen
zeichnen. Durch die entsprechende Dimensionierung erreicht man daher in vielen Fällen
ohne zusätzliche Maßnahmen einen Schutz gegen Ü bererwärrnung bei Nichtanlauf sowie
gegen unzulässige- Stromaufnahme des Motors beim Anlaufen. Ferner erfolgt selbsttätig
eine Überwachung der Anlaufzeit.
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Es gibt im übrigen eine ganze Reihe von Variationsmöglichkeiten hinsichtlich
der Diinensionierung und Schaltung des Relais, um besonders schwierige Bedingungen
erfüllen oder Sonderaufgaben lösen zu können, z. B. könnte man bei der früher erwähnten
Schaltung mit Glimmlampe noch in Reihe mit dem honipensationsstreifen des Relais
einen Widerstand legen und diesen durch eine zweite Glimmlampe überbrücken, welche
erst bei einem bestimmten Strom durch den Kompensationsstreifen anspricht. Dadurch
könnte man die Auslösezeiten beim Anlauf noch weiter heraufsetzen.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. s. Mit dieser Schaltung
kann das Relais i besonders schweren Anlaufbedingungen angepäßt werden. Es wird
bei der Anordnung nach Fig. 5 während der Anlaufzeit ein größerer Unterschied der
Kennlinien der Zwischenstromwandler 5 und 6 und damit ein größerer den Kompensationsstreifen
beeinflussender Differenzstrom mit Hilfe des Widerstandes 1ß herbeigeführt. Dieser
wird nach Beendigung des Anlaufes ,durch das von einem Hilfskontakt des Schalters
2o abhängige Zeitrelais i9 eingeschaltet. Die Wandler und der Widerstand werden
so gewählt, daß bei eingeschaltetem Zustand sich die Ströme wieder entsprechend
Fig. 2 bzw. 3 ergeben, während bei kurzgeschlossenem Widerstand der Strom i..,,
erhöht und damit auch der Differenzstrom vergrößert wird. Die Schaltung ist gleichbedeutend-
mit einer Anordnung, bei welcher der Widerstand i8 während des Anlaufes in den Sekundärkreis
des Wandlers 6 eingeschaltet und nach beendigtem Anlauf während der ganzen Betriebsdauer
kurzgeschlossen würde.
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Wie bekannt, ist der L'berlastscliutz von Motoren im Aussetzbetrieb
besonders schwer durchzuführen, denn der Motor darf trotz vielfältiger Veränderungen
von Strom, l?inschaltdauer und Schalthäufigkeit einerseits nicht zu frühzeitig und
damit unnötig abgeschaltet, anderseits aber auch nicht zu spät abgeschaltet werden.
Vor allem muß dabei auch die Bedingung erfüllt sein, daß die Zeitkonstante des Bimetallrelais
genügend groß ist. Durch die Verwendung zweier Streifen ist es nun leicht möglich,
die Zeitkonstante zu erhöhen.
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Wie bekannt. kann man bei Motoren den thermisch zulässigen Strom heraufsetzen,
wenn die Einschaltdauer ,verkleinert wird. Die einzelnen Motoren verhalten sich
nun verschieden hinsichtlich des Grades der zulässigen Stromerhöhung bei verschiedener
Einschaltdauer, vgl. dazu den Aufsatz in der Sietnens-Zeitschrift 1934 =#llotoi-schutz
1111 Aussetzbetrieb mittels thermischer Auslöser«, S. 317 ff. Wie sich aus diesem
Aufsatz ergibt, sind die Kurven Quadrat des Stromes (J=) x der relativen
Einschaltflatter ED abhängig von der Einschaltdauer entweder konstant oder mit der
Einschaltdauer steigend oder fallend.
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Zunächst soll der einfachste Fall betrachtet werden, daß ein :Motor
geschützt werden soll, bei welchem J= # ED konstant ist. Mit einem üblichen
Wärmerelais mit zu geringer Zeitkonstante, das unter Voraussetzung einer genügend
großen Schalthäufigkeit für einen Dauerstrom entsprechend J= # ED ausgelegt
ist, wobei J der Nennstrom des 2#1otors bei der entsprechenden Einschaltdauer und
ET) als Dezimalbruch zwischen o und i eitizus s etzen ist, läßt sich ein praktischer
Betriel) ü1 vielen Fällen nur schwer führen, da bei 111)-vermeidbaren Veränderungen
hinsichtlich der Vergr3ßerung des Stromes bei den Einschaltvorgängen sowie der Einschaltdauer
1>zw. der Verringerung der Schalthäufigkeit des Motors der Motor viel zu früh. d.
h. vor ,irreichen der Gefahrengrenze abgeschaltet wcrden kann. Es kann auch eine
Auslösung erfolgen, ohne daß der Motor gefährdet ist. Bei Wahl eines größeren Dauernennstromes
für den Auslöser ist der Motor aber in weiten und maßgebenden Bereichen, vor allem
bei großer Schalthäufigkeit oft nicht genügend geschützt.
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Macht man aber die Zeitkonstante groß. so kann man einen ausreichenden
Motorschutz erzielen, und das Zweistreifenrelais gemäß der Erfindung bietet hierzu
die :Möglichkeit.
Man kann °z. B. den Überlaststreifen 7 und den
Kompensationsstreifen 8 jeden für sich getrennt an den Streuwandler 5 bzw. 6 anschließen,
wie es in Fig. 6 dargestellt ist, wobei der Zusatztransformator 23 und die Zusatzwicklungen
2i und 22 zunächst wegzudenken sind. Um die Bewegung des Kompensationsstreifens
in bezug auf diejenige des Überlaststreifens 7 in gewünschter Weise durchzuführen,
aber auch wieder begrenzen zu können, kann z. B. der Strom i" in einem bestimmten
Verhältnis kleiner als der = Strom i25 gemacht werden. Die andere Möglichkeit wäre
die, daß man bei gleichen Strömen die Zeitkonstante des Streifens 8 größer wählt
als -die des Streifens 7. Ist der Strom i2r, kleiner als der Strom i25; so kann
man auch noch die Zeitkonstante der beiden Streifen verschieden machen, beispielsweise
die des Streifens 8 kleiner als die des Streifens 7, doch ist dies nicht Bedingung.
In dem Bereich bis zu dein für -eine bestimmte Einschaltdauer ED gültigen Nennstrom
des Motors arbeiten die Zwischenstromwandler 5 und 6 entsprechend ;dem ihnen eigenen
Windungszahlverhältnis -übersetzungsgetre-u. Es kann vorteilhaft sein, daP -der
Zwischenwandler 6 bereits bei geringfügigem Überschreiten ,des durch,die Nenneinschaltdauer
festgelegten Nennstromes des Motors in der Kennlinie abknickt und sich bei höheren
Strömen stärker sättigt als ider Zwischenwandler 5. Weitere Änderungen des Arbeitsverhaltens
können z. B. durch Einstellung des Abstandes des Streifens 7 und 8 im stromlosen
Zustand herbeigeführt werden.
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Ist die J2 # ED-Kurve des Motors nicht konstant, so kann man in bekannter
Weise einen Auslöser verwenden, bei dem in Abhängigkeit von der Einschaltdauer bzw.
Ausschaltdauer eine Zusatzbeheizung mit einem konstanten Hilfsstrom vorgenommen
wird. Diese Maßnahmen lassen sich bei dem erfindungsgemäßen Zweistreifen-Bimetallrelais
sehr einfach durchführen, wenn je nach der zu schützenden Motortype entweder der
Z,?berlaststreifen 7 oder der Kompensationsstreifen 8 mit einer Zusatzheizwicklung
2f bzw. 22 versehen wird. Der konstante Hilfsstrom kann zweckmäßig vermittels des
Zwischemstromwandlers 23 gewonnen werden, der zu diesem Zweck einen Nickeleisenkern
erhält und sich infolgedessen bereits bei kleinen Strömen sättigt.
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Handelt es sich z. B. um einen Motor mit fallender J2 # ED-Kurve bei
steigendem -ED, so wird der Wändler 23 mit der Hilfswicklung 21 verbunden. Bei steigendem
ED wird dann wunschgemäß die Auslösung erleichtert.
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Umgekehrt wird man bei Motoren, bei denen die J= #ED-Kurve bei steigendem
ED ebenfalls ansteigt, die Auslösung bei größer werdendem ED dadurch erschweren,
daß für diesen Fall die für den Kompensationsstreifen vorgesehene Hilfswicklung
22 an den Zwischenwandler zi angeschlossen wird.
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Für den praktischen Aussetzbetrieb ist es im übrigen besonders vorteilhaft,
daß auf die beschriebene Weise die Zeitkonstante des Wärmeauslösers vergrößert werden
kann, ohne gleichzeitig seine Abkühlzeit zu erhöhen.
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Wie aus rden Erläuterungen hervorgeht, kann,das Zweistreifen-Bimetallrelais
den verschiedenartigsten Betriebsbedingungen angepaßt werden. Durch entsprechende
Einstellung der einzelnen Größen, wie Beaufschlagung des Kompensationsstreifens,
Zeitkonsta,nte der beiden Streifen, künstliche Vergrößerung,des auf den Kompensationsstreifen
einwirkenden Stromes bei größeren Überlastströmen, Wahl des Kontaktabstandes im
stromlosen Zustand usw., lassen sich die mannigfachsten Bedingungen, die in der
Praxis gestellt werden, erfüllen.