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Kontaktloses Zeitrelais auf Magnetverstä.rkergrundlage Für Eisenbahnfahrzeuge,
Aufzüge, Schiffe, Flugzeuge, Raketen u. dgl. werden Relais benötigt, die unempfindlich
gegen Erschütterungen und Beschleunigungen sind. Eine bekannte Art deraxtiger Relais,
die ohne Kontakte arbeiten, stellen Magnetverstärker mit steiler Steuerkennlinie
dar. Um die Steilheit der Steuerkennlinie zu vergrößern, um sie also der von Kontaktrelais
anzugleichen, ist es bekannt, den Magnetverstärker mit einer Rückkopplung im Sinne
einer Selbstsättigung zu versehen. Hierfür gibt es zwei Mittel. Durch das eine wird
eine innere Selbstsättigung mit Hilfe von Ventilen erreicht, die mit den Arbeitswicklungen
des Magnetverstärkers in Reihe geschaltet sind. Besondere Rückkopplungswicklungen
werden dabei nicht benötigt. Bei dem anderen Mittel handelt es sich um eine äußere
Selbstsättigung bzw. Rückkopplung, bei der der Ausgangsstrom des Magnetverstärkers
durch zusätzliche Rückkopplungswicklungen geleitet wird. Durch die genannten Rückkopplungsmaßnahmen
ist es möglich, nicht nur sehr steil ansteigende Steuerkennlinien zu erreichen,
sondern auch senkrecht verlaufende Kennlinien und ferner sogar Kennlinien mit negativer
Steigung. In diesen Fällen spricht man von einer Kippcharakteristik.
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Entsprechend Zeitrelais mit mechanischen Kontakten, die nach vorgesehenen,
zumeist einstellbaren Zeiten ansprechen, nachdem der Schaltbefehl erteilt wurde,
ist es auch möglich, Zeitrelais auf Magnetverstärkergrundlage zu schaffen. So ist
es
bekannt, mit Hilfe eines Kondensators parallel zur Steuerwicklung
eines Magnetverstärkers. eine Ansprechverzögerung zu erreichen. Es ist bei diesem
Relais ferner bekannt, eine Abfallverzögerung zu erreichen durch einen Kondensator
oder einen ohmschen Widerstand parallel zu einer Rückkopplungswicklung des Relais.
Derartige Zeitrelais auf Magnetverstärkergrundlage weisen jedoch den Nachteil auf,
daß definierte Zeitverzögerungen nur dann erreichbar sind, wenn die Steuerspyannung
konstant bleibt: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe eines als Relais
wirkenden, Magnetverstärkers eine in einem gewünschten Bereich einstellbare und
definierte Ansprechzeit zu erreichen, mit anderen Worten, ein zuverlässiges Zeitrelais
zu schaffen. Das Relais soll praktisch unabhängig von Spannungsschwankungen der
Stromquellen des Steuer- und ferner des Arbeitsstromkreises sein. Im Gegensatz zu-
Kontaktrelais ergibt es sich nämlich noch, daß als Relais verwendete Magnetverstärker
nicht nur von der steuernden Eingangsspannung abhängige Ansprechzeiten aufweisen,
sondern daß die Ansprechzeit außerdem auch von Schwankungen der im Arbeitskreis
des Magnetverstärkers vorliegenden Speisewechselspannung abhängen kann..
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Die Erfindung betrifft ein Relais . der vorgenannten Art mit einer
eine Kipplinie erzeugenden Rückkopplung. Nach der Erfindung sind zum Zwecke der
Erzielung einer von Spannungsschwankungen der Steuer- und Arbeitsstromquelle unabhängigen
Ansprechverzögerung zwei einander entgegenwirkende, je mindestens eine Steuerwicklung
enthaltende Vormagnetisierungskreise vorgesehen, von denen. einer einen. induktiven
Widerstand mit zumindest im vorgesehenen Zeitverzögerungsbereich linearer Abhängigkeit
seines magnetischen Flusses vom Steuerstrom aufweist. Die beiden Steuerkreise können
gemeinsam von derselben Stromquelle gespeist werden. Der genannte induktive Widerstand
besonderer Charakteristik kann beispielsweise durch eine Drosselspule mit Luftspalt
gebildet sein oder durch eine Ringkerndrosselspule mit einem Kern aus Spezialeisen
mit praktisch rechteckiger Magnetisierungskenniinie. Zu der Unabhängigkeit von Schwankungen
der Spannung im Arbeitsstromkreis trägt einte eine Kippkennlinie erzeugende Rückkopplung
bei, vorzugsweise infolge innerer und äußerer Selbstsättigung. Es ist zwar an sich
bekannt, bei einem Relais auf Magnetverstärkergrundlage zwei einander entgegenwirkende
Vormagnetisierungskreise mit je einer Steuerwicklung vorzusehen, die an die gleiche
Steuerstromquelle angeschlossen sind. Bei dem bekannten Relais handelt es sich jedoch
nicht um ein Zeitrelais, sondern um ein Selbsthalte relais, bei dem außerdem der
induktive Widerstand besonderer Charakteristik in einem der Steuerkreise fehlt.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei im folgenden auf die Zeichnung
Bezug genommen.. Diese zeigt in Fig.i, q. und 5 je ein schemlatisches Ausführungsbeispiel
des neuen Zeitrelais und in Fig. 2 a sowie 3 a bis 3 c graphische .Darstellungen
zur Erläuterung der Wirkungsweise.
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In Fig. i ist eine bevorzugte Ausführungsform mit einem Magnetverstärker
mit innerer und äußerer Selbstsättigung dargestellt. Der Magnetverstärker hat zwei
Arbeitswicklungen. i und 2, von denen die eine die positiven und die andere die
negativen Halbwellen des zu schaltenden Wechselstromes führt. Dieser wird an dem.
Klemmen 3 und q. zugeführt und betreibt eine Last 5 an sich beliebiger Art. Zur
Aufteilung der verschiedenen Halbwellen auf die Arbeitswicklungen i und 2 dienen.
zwei Ventile 6 und 7, die je mit den. Lastwicklungen i bzw. 2 in Reihe geschaltet
sind. Durch diese Ventile wird eine innere Selbstsättigung des Magnetverstärkers
erreicht. Außerdem ist eine äußere Selbstsättigung vorgesehen, die durch zwei Rückkopplungswicklungen
8 und g erzeugt wird. Diese Wicklungen sind in an sich bekannter Weise mit den Arbeitswicklungen.
i bzw. 2 in Reihe geschaltet, jedoch auf dien, gegenüberliegenden Magnetkernen angeordnet.
Auf den Magnetkernen befinden, sich außerdem zwei Paare von Steuerwicklungen io,
ii bzw. 12, 13. Die Wicklungen der Wicklungspaare sind gegensinnig hintereinandergeschaltet,
um Rückwirkungen des Wechselstromkreises auf die Vorrnagnetisierungsstromkreise
zu verhindern.. Es sind insgesamt zwei mit V bzw. St bezeichnete Vormagnetisierungskreise
vorhanden, die von. der gleichen Stromquelle, beispielsweise einer Batterie 1q.,
gespeist werden. Der Vormagnetisierungskreis h enthält die Steuerwicklungen i o
und i i und einen einstellbaren Widerstand 15, der Vormagnetisierungskreis St die
Steuerwicklungen 12, 13, einen einstellbaren Widerstand 16, eine einstellbare Drosselspule
17 und einen Schalter 18.
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Besonders genaue Ansprechzeiten des neuen Relaris können durch die
Anwendung von Spezioleisen.sorten für die Magnetverstärkerkerne erreicht werden,
die keine Rundungen, sondern möglichst scharf ausgeprägte Übergangsstellen zwischen
Magnetisierungsbereich und Sättigung aufweisen. Bevorzugt wird daher ein Kernwerkstoff
mit zumindest annähernd rechtwinkliger. Magnetisierungskennlinie. Ein Beispiel für
einen derartigen, Werkstoff stellt eine bekannte, etwa 5oprozentige Nickellegierung
dar, die durch eine besondere Walz- und Glühbehandlung eine sogenannte Rekristallisationstextur
erhalten hat.
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In Fig.2 ist in Abhängigkeit vom Steuerstrom Is der Laststrom 1i des.
Relais nach Fig. i, unter der Annahme von Drosselspulenkernen aus der vorgenannten
Spezialeisensorte, aufgetragen. Die dargestellte Kennlinie I ist nur als Beispiel
für einen. bestimmten; Rückkopplungsgrad anzusehen. Durch die Vormenetisierung Jy
der Wicklungen io und i i liegt bei geöffnetem Schalter 18 zunächst ein Arbeitspunkt
P1 vor. Wird nun der Schalter 18 geschlossen, so findet durch den Strom Ist der
Steuerwicklungen 12 und 13 eine Gegenmagnetisierang statt. Der Arbeitspunkt wandert
infolgedessen vom Punkt P1 nach rechts, bis schließlich der Kipp-
Punkt
P2 der Kennlinie I erreicht wird. In diesem Moment steigt der Laststrom plötzlich
steil an., und zwar auf den durch den Lastwiderstand 5 bestimmten Wert. Damit hat
das Relais angesprochen. Es liege dann beispielsweise ein Arbeitspunkt P3 vor. Entsprechend
dem Endwert von Jst bewegt sich der Arbeitspunkt noch bis zum Punkte P4, ohne daß
dadurch eine Laststromänderung eintritt. Die vom Punkte P1 bis P2 erforderliche
Steuerstromänderung bestimmt die Ansprechverzögerung des Relais. Diese hängt ab
von der Zeitkonstanten des Steuerkreises St, also im wesentlichen von der Induktivität
der Drosselspule 17, der Größe des Widerstandes 16 und von der Höhe der Spannung
der Stromquelle 14. Diese Größen in Verbindung mit allen anderen Bestimmungsgrößen
des Magnet--verstärkers sind derart gewählt, daß der Ansprechstrom im Punkte P2
noch während des linearen Anstiegs des Steuerstromes in der Drossel 17 erreicht
wird bzw. bei konstanter Induktivität der Drosselspule 17 etwa innerhalb der halben;
Zeitkonstanten des Steuerstromkreises. Dadurch ist Gewähr dafür geboten, daß bei
einer anderen Einstellung der Drosselspule 17 oder der Widerstände 15 und 16 hiervon
etwa linear abhängige Ansprechzeiten einstellbar sind, die von Spannungsschwankungen
der Stromquelle 14 praktisch unabhängig sind. Die Unabhängigkeit ergibt sich ohne
weiteres aus der graphischen Darstellung nach Fig. 2: Sinkt beispielsweise die Spannung
der Stromquelle 14, s0 wird dadurch der Punkt P, in Richtung auf P2 verschoben.
Gleichzeitig wird aber auch die für die Verschiebung bis zum Punkte P2 erforderliche
Steuermagnetisierung kleiner, die beim Schließen des Schalters i8 eintritt. Die
Strecke bis zum Punkt P2 wird infolgedessen in etwa der gleichen Zeit durchlaufen.
wie vorher bei größerer Spannung. Wird dagegen eine andere Ansprechzeit gewünscht,
so werden die Drosselspule 17 und/oder die Widerstände 15 und 16 entsprechend verändert.
Die Drosselspule 17 kann hierzu wie dargestellt mit Anzapfungen versehen sein. Sie
kann jedoch auch mit einer einstellbaren, insbesondere permanentmagnetisch erzeugten
Vormagnetisierung versehen sein. In Fig. 2 ist noch eine Kennlinie II dargestellt,
die für -eine kleinere Spannung U - an den Klemmen 3, 4 gilt. Diese Kennlinie deckt
sich bis zum Punkt :2 fast mit der-Kennlinie I, d. h. däß sich, an der Ansprechzeit
dadurch nichts ändert.
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Eine weitere Verbesserung der Ansprechgenauigkeit des Relais nach
der Erfindung läßt sich erreichen, wenn der Arbeitspunkt P1 der Kennlinie I nach
Fig. 2. weit im linken Bereich gewählt wird, d. h. wenn der Kippsteuerstrom JsK
klein ist gegenüber dem Vormagnebisierungsstrom JV.
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Das an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebene Relais stellt ein Arbeitsstromrelais
mit einer spannungsunabhängigen Ansprechverzögerung dar. Die Rückstellzeit des Relais
ist praktisch durch dve Summe der Unterbrechungszeit des Schalters 18 und der Zeitkonstanten
des Vormagnetisierungskreises V gegeben. Eine Änderung der Abfallverzögerung- kann
durch Veränderung des Widerstandes 15 erreicht werden. Eine Vergrößerung der Abfallzeit
ist auch durch eine Überbrückung des die Steuerwicklungen. 12 und 13 enthaltenden
Vormagnetisierungskreises mit Hilfe eines 'in Fig.i getrichelt gezeichneten Widerstandes
i9 möglich.
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Das Zeitrelais nach der Erfindung kann ferner als Ruhestromrelais
geschaltet werden, so daB beim Einschalten des Steuerstromes der Lastkreis mit einer
bestimmten Zeitverzögerung unterbrochen wird und beim Ausschalten sofort oder mit
einer kürzeren Zeitverzögerung schließt. Durch Hintereinanderschadten, vom zwei
Magnetverstärkern. kann aber auch erreicht werden, daß beim Einschalten des Steuerstrorries
der Lastkreis sofort unterbrochen wird und, beim Ausschalten mit einer verlangten
Zeitverzögerung schließt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann das neue Zeitrelais auch
ohne einen. besonderen. induktiven Widerstand (Drosselspule 17, Fig. 2) im Vormagnetisierungskreis
St arbeiten. Statt dessen wird die für die Zeitverzögerung erforderliche
Induktivität in die Steuerwicklungen hineingelegt, und die Magnetverstärkerdrosselspulen
werden gleichzeitig für einen. größeren Sättigungsfluh bemessen, als der Spannung
des Arbeitsstromkreises entspricht. Der Magnetverstärker kann dabei nach dem Beispiel
dien Fig. i geschaltet sein. Er enthält also Arbeitswicklungen., Rückkopplungswicklungen
und zwei Gruppen von. einander entgegenwirkenden Steuerwicklungen. Die Drosselspule
17 entfällt jedoch. Dafür werden die beiden Drosselspulen des Magnetverstärkers
etwas vergrößert bzw. nur für eine geringere Ausgangsleistung benutzt und vorzugsweise
mit Kernen aus Spezialeisen von praktisch rechteckiger Magnetisierungskurve ausgerüstet.
In diesem Fall ist es bei Ruhestromrelas außerdem möglich, die beiden Vormagnetisierungskreise
zusammenzulegen und also insgesamt nur zwei Steuerwicklungen vorzusehen. Zur näheren
Erläuterung der Wirkungsweise dieser Relajisausführung, bei der ein besonderer äußerer
induktiver Widerstand fehlt, ist im folgenden auf die Fig. 3 a bis 3 c Bezug genommen.
-In der Fig. 3 a ist de Magne@tisierungsschleife eines Magnetverstärkers mit Kerncri
aus dem genannten Spezialeisen dargestellt, und zwar der Fluß 0 in Abhängigkeit
der gesamten Steuerdurchflutung 0. Wird der durch Speisewechsel-Spannung, Windungszahl
und Frequenz bestimmte Wechselfluß entsprechend einer Flußänderung 2 0 - kleiner
gewählt als der doppelte Sätbigungsfluß 2 0" dann ergibt sich die in der
Fig. 3 b gezeichnete Verstärkerkennlinie ohne Rückkopplung, die bereits bei einer
Steuerdurchdiutung von 01 ein Ansteigen der Lastspannung zeigt. Bei entsprechender
Rückkopplung kann die in Fig. 3 c gezeichnete Kennlinie erreicht werden. Hier springt
die Lastspannung bei der Sieuerdurchflutung 01 von, annähernd Null auf den Maximalwert.
Wird dieser Magnetverstärker mit einer Steuerdurchflutung (j 2 ausgesteuert, so,
ändert sich zwar an der Lastspannung nichts, der Magnetverstärker wird
aber
in jeder Periode bis auf dem Punkt a, heruntermagnetisiert, während er bei der Stetterdurchflutung
01 nur-bis zum Punkt b heruntermagnetisiert wird.
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Um den Magnetverstärker vom Punkt a auf den Punkt b zu bringen, mizß
ein Spannungszeitintegral f u, # d t - U,- t ", w, # 2.
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aufgebracht werden. Dabei bedeutet us dem Augenblickswert der Steuerspannung
US, w, die Windungszahl der Steuerwicklung, 0s den Sättigungsflug und 0 - den dein
Speisewechselspannung 'entsprechenden Arbeitsfluß des Magnetverstärkers. Gibt man
dem Magnetverstärker eine konstante negative Vormagnetisierung 02 oder größer und
läßt die Steuerspannung US in positiver Richtung wirken, so erhält man ein Öffnen
des Magnetverstärkers erst nasch, einer bestimmten Zeitverzögerung, also ein kontaktloses
Zeitrelais, das. durch Änderung der Steuerspannung US oder der Differenz (0s- 0
-) oder der Steuerwindungszahl ws eingestellt werden. kann. Wird leer Steuerstrom
1s unterbrochen, so sperrt der Magnetverstärker ohne Zeitverzögentng.
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Die Varmagnetisierung braucht bei scharf geknickter Magnetisi.erungskemnlinie
nicht konstant zu sein, wenn. sie nur größer als 02 ist, da eine Änderung der Durchflutung
von 03 auf 02 praktisch ohne Verbrauch eines Spannungszeitintegrals möglich ist.
Es muß dann lediglich der Steuerstrom ls so groß gewählt werden, daaß die Durchflutung
bis auf den Wert 01 verkleinert werden kann. Will man hierbei die Kosten, die mit
einem wesentlich größeren Sättigungsfluß 0S_ gegenüber $ - verbunden sind, vermeiden,
so kann man eine von Schwankungen der Netzwechselspannung praktisch unabhängige
Zeitverzögerung bei der Ausführung des-Relais als Arbeütsstromrelais auch dadurch
erzielen, daß man die Steuerspannung US als Differenzspannung aus einer konstanten
Spannung und einer der Netzspannung proportionalen Spannung bildet.
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Ein Schaltungsbeispiel für ein derartiges Relais ist in Fig.4 dargestellt.
Die Schaltung entspricht hinsichtlich des Magnetverstärkers der nach Fig. i. Die
Bezugszeichen, sind daher entsprechend gewählt. Der Vormagnetisierungskreis V mit
den Wicklungen io, ii benötigt kenne konstante Erregung. Er wird beispielsweise
von. einer Batterie 14 gespeist und hat die Aufgabe, einen Punkt links vom unteren
Knickpunkt a (Fig. 3 a) der Magnetisierungskurve festzulegen. Dieser Punkt dient
als Ausgangspunkt für die entgegenwirkende Magnetisierung durch den Relaissteuerkreis
St. Die Steuerwicklungen 12, 13 dieses Kreises sind über einen als Potentiometer
geschalteten Widerstand 16 und einen Schalter 18 an eine Ventilbrücke 22 angeschlossen,
die ihrerseits eingangsseitig an, die Reihenschaltung aus einer gesättigten Drosselpule
23 und einer ungesättigten Drosselspule 24 liegt. Die ungesättigte Drosselspule
24 hat zwei Wicklungen., von denen eine mit der Drosselspule 23 in Reihe an der
Netzspannung liegt. Die Spannung der zweiten Wicklung ist umgekehrt gerichtet und
zieht sich dadurch von der Spannung der Drosselspule 23 ab. Auf diese Weise erhält
man, eine etwa geradlinig mit dem Ansteigen der Netzspannung U- abnehmende Spannung
an der Ventilbrücke22.
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Das Zuständckommen der unabhängigem. Zeitverzögerung des Relais nach
Fig. 4 ergibt sich wie folgt: Für die Ansprechzeit gilt:
Wird für 0s ein konstanter Wert Uk angenommen und, beachtet, daß 0 - proportional
der Netzspannung U- ist, so ergibt sich, daß
Für t ergibt sich nun ein konstanter Wert, wenn Ust = Uk- U- wird. Diese
Forderung wird durch die Drosselspulen 23 und 24 (Fig. 4) erfÜllt, da die Spannung
an der Drosselspule 23 schwächer und die Spannung an der Drosselspule 24 stärker
als U- schwankt. Es ist außerdem möglich, eine andere beliebige konstante Spannungsquelle
zum Erzeugen von Uk zu verwenden. Die Steuerwicklungen io, ii können ferner ebenfalls
von der Ventilbrücke 22 gespeist werden, wodurch die Batterie 14 entfällt.
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In Fig. 5 ist unter Zugrundelegung der Magnetisierungskennlinie gemäß
Fig. 3 a und der an Hand dieser Figur beschriebenen Verhältnisse ein Ausführungsbeispiel
als Ruhestromrelais dargestellt. Das Relais benötigt ebenfalls keinen besonderen
induktiven Widerstand im Vormagnetisierungskreis. Außerdem ergibt sich bei diesem
Relais als zusätzlicher Vorteil, daß der besondere zweite Vormagnetisi.erungskrei,s
h nicht erforderlich ist. Die unabhängige Ansprechzeit dieses Relais wird dadurch
erzielt, d'aß dessen steuernder Vormagnetisierungskreis St beim Entregen des Relais
über einen Widerstand 25 geschlossen bleibt und dadurch, daß an diesem Widerstand
eine der Relaisspeisespannung U- proportionale Spannung liegt. Diese Spannung wird
durch die an die Klemmen 3, 4 aügeschlosseneVentilbrücke22 erzeugt. DerWiderstand
16 dient zur Einstellung der gewünschten Zeitverzögerung. Außerdem ist noch ein
Widerstand 26 parallel zu dem Schalter 18 vorgesehen.. Durch diesen Widerstand wird
nach Öffnen des Schalters 18, wenn also der Strom durch den Verbraucher 5 abgeschaltet
werden, soll, eine Verminderung der Vormagnetisierung des Magnetverstärkers hervorgerufen.
Gleichzeitig bleibt jedoch die Magretisierung durch die Steuerwicklungen io, ii
proportional der Netzspannung U-.