DE972790C - Kontaktloses Relais auf der Grundlage vormagnetisierter Drosselspulen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 24. SEPTEMBER 1959

S 35338 VIII c 12ig

Es ist bekannt, vormagnetisierbare Drosselspulen, die auch als Magnetverstärker bezeichnet werden, an Stelle von mechanischen Relais zu verwenden. Solche Magnetverstärkerrelais sind auch bereits nach Art von Gegentakt-, Kaskaden- und Brückenschaltungen ausgeführt worden. Ihre Vorteile liegen darin, daß sie ohne mechanische Kontakte arbeiten und im Gegensatz zu Glimmröhren oder anderen Röhrenrelais nicht altern und für robusten Betrieb geeignet sind. Dagegen liegt ihre Ansprechzeit um ein Vielfaches über der von Kontaktrelais, da sich die Zeitkonstante der Magnetverstärker voll auswirkt. Außerdem ist die Ausgangsspannung eines Magnetverstärkerrelais auch bei fehlendem bzw. unter der Ansprechgrenze liegendem Eingangssignal nicht gleich Null.

Die Erfindung vereinigt die Vorteile der Magnetverstärkerrelais mit denen der Kontaktrelais in einem neuen kontaktlosen Relais auf der Grundlage eines magnetischen Verstärkers mit zwei wechselstromseitig in Reihe geschalteten Drosselanordnungen, von denen mindestens eine ein Reihendrosselpaar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die natürliche oder durch Vormagnetisierung wahlweise einstellbare Sättigungsamperewindungszahl des Kernmaterials, bei welcher die Netzwechselspannung von der einen Drosselanordnung schlagartig auf die andere übergeht, den Ansprech- oder Abfallwert bildet, und daß der Verbraucher induktiv an eine Drosselanordnung angekoppelt ist. Die den Verbraucher speisende Drosselanordnung kann, wie im folgen-

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den noch näher ausgeführt, entweder ein Reihendrosselpaar oder eine einzelne Sättigungsdrossel ohne S teuer wicklung sein.

Durch den schlagartigen Übergang der Strombegrenzung und damit der Spannungsaufnahme von der einen Drosselanordnung auf die andere wird, praktisch unter Umgehung der Steuerzeitkonstante der Magnetverstärker, eine Ansprechzeit in der Größenordnung der bei Kontaktrelais auftretenden ίο erzielt. Die induktive Ankopplung des Verbrauchers — an sich bei vormagnetisierten Drosselspulen bekannt — führt dazu, daß er im Ausschaltzustand des Relais fast völlig stromlos ist. Zur näheren Erläuterung des Relais nach der Erfindung und seiner Wirkungsweise sind in der Zeichnung einige mögliche Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. ι eine Ausführung als Arbeitsstromrelais, Fig. 2 eine Kennlinie des Relais nach Fig. r, ao Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Relaiswirkungsweise,

Fig. 4 eine Ausführung als Vergleichsrelais, Fig. s eine Abwandlung zu Fig. 1. In Fig. I sind zwei Reihendrosselspulenpaare 1 und 2 in Reihe an die Klemmen 3 einer Wechselstromquelle angeschlossen. Die Kerne der Drosselspulen bestehen vorteilhaft aus magnetischem Material mit zumindest annähernd rechtwinklig geknickter Magnetisierungskennlinie. Magnetwerkstoffe mit derartigen Kennlinien sind an sich bekannt. Jedes der Drosselspulenpaare hat zwei in bezug auf die Wechselstromwicklung gegensinnig in Reihe geschaltete Vormagnetisierungswicklungen 4, 5 bzw. 6, 7. Von diesen bilden die Wicklungen 4 und 5 die Eingangswicklungen des Relais. An die Klemmen 8 wird eine steuernde Gleichstromquelle angeschlossen. Die Wicklungen 6, 7 werden mit einem konstanten Gleichstrom betrieben, der beispielsweise ebenfalls von den Klemmen 3 entnommen ist über einen Transformator 9, eine Gleichrichteranordnung 10, einen einstellbaren Widerstand 11 und eine Glättungsdrossel 12. Den Ausgang des Relais bilden zwei ebenfalls gegensinnig in bezug auf die zugehörigen Arbeitswicklungen in Reihe geschaltete Sekundärwicklungen 13 und 14. Die gegensinnige Reihenschaltung bewirkt, daß nur eine Spannung von doppelter Frequenz in den Ausgangsstromkreis gelangt. Beträgt die Frequenz der Wechselstromquelle beispielsweise 50 Hz, so wird also nur eine ioo-Hz-Spannung übertragen. Werden die Sekundärwicklungen 13 und 14 dagegen in gleichem Sinn wie die Arbeitsstromwicklungen geschaltet, so wird eine Spannung von Netzfrequenz übertragen. Die Frequenzverdopplung wird überall dort mit Vorteil verwendet, wo es auf eine kleine Zeitkonstante und geringe Siebmittel ankommt. Es ist angenommen, daß das Relais einen Gleichstromverbraucher ein- oder ausschalten soll. Deshalb sind eine Gleichrichteranordnung 15 und ein Glättungskondensator 16 vorgesehen. Der Verbraucher selbst ist nicht mit dargestellt. Er wird an den Klemmen 17 angeschlossen.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Relais nach Fig. 1 sei angenommen, daß die beiden Reihendrosselspulenpaare 1 und 2 (bis auf die Sekundärwicklungen 13 und 14 des einen Paares) identisch sind. In den Wicklungen 6 und 7 des Drosselspulenpaares 2 fließe ein Gleichstrom von der Größe /„. Solange nun der Eingangsstrom J_E des Relais in den Wicklungen 4, 5 kleiner als der Strom J₀ in den Wicklungen 6, 7 ist, liegt an den Ausgangsklemmen 17 keine Spannung. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, die den Eingangsstrom J_E in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung U_A zeigt. Erreicht der Strom J_E den Strom /₀, so ergibt sich plötzlich eine Spannung an den Klemmen 17, die durch das Übersetzungsverhältnis der nicht näher bezeichneten Wechselstromwicklungen des Drosselspulenpaares 2 zu den Sekundärwicklungen 13 und 14 desselben und die Höhe der speisenden Netzspannung bestimmt wird. Je rechtwinkliger die Magnetisierungskennlinie des verwendeten Kernwerkstoffes der Drosselspule ist, um so schärfer und steiler ist der ansteigend verlaufende Teil der Relaiskennlinie in Fig. 2. Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht kann durch die Verwendung von Drosselspulen mit Bandringkernen erreicht werden.

Die Wirkungsweise des Relais nach Fig. 1 wird deutlicher, wenn die graphische Darstellung nach Fig. 3 betrachtet wird, die die Magnetisierungskennlinien der einzelnen Drosselspulen des Relais darstellt. In waagerechter Richtung ist der durch die Drosseln fließende Wechselstrom / aufgetragen, in senkrechter Richtung die magnetische Induktion B. Bei der Darstellung sind die waagerechten Sättigungsäste der Kennlinien, jeweils der Übersichtlichkeit halber nur zum Teil dargestellt, und außerdem ist auf die Darstellung der H}'Steresisbreite verzichtet. Die beiden Magnetisierungskennlinien 21 und 22 sind die der beiden Drosseln des Drosselspulenpaares 2. Der Abstand des senkrechten Teils dieser Kennlinien von der mit B bezeichneten Nullinie wird durch den Strom J₀ bestimmt. Je nach dessen Größe liegen die beiden Kennlinien weiter auseinander oder enger zusammen. Die gestrichelten Kennlinien stellen die Magnetisierungskurven des Drosselspulenpaares 1 dar. Es sind zwei verschiedene Steuerströme Tg₁ und Zg₂ angenommen (vgl. hierzu Fig. 2). Bei einem Steuerstrom von der GrOBeJg₁ ergeben sich zwei Kennlinien 23 und 24. Für die beiden Drosselspulenpaare ι und 2 bedeutet dies, daß das erstere in diesem Fall die gesamte, von der Stromquelle gelieferte Wechselspannung übernimmt. Das Drosselspulenpaar 2 ist voll gesättigt, wirkt deshalb wie eine Luftdrossel, und an den Klemmen 17 liegt infolgedessen keine Spannung. Sobald nun bei größer werdendem Steuerstrom J_E der Wert J₀ überschritten wird, kehren sich die Verhältnisse um. Das Drosselspulenpaar 2 übernimmt jetzt die ganze Spannung, während das Drosselspulenpaar 1 voll gesättigt ist und wie eine Luftinduktivität wirkt. Der Umschlag erfolgt in dem Augenblick, in dem die Kennlinien 23 und 24 die Kennlinien 21 und 22 überschreiten. Bei einem Steuerstrom Je₂, der

größer als /₀ ist, ergeben sich zwei Kennlinien 25 und 26.

Das Relais nach Fig. 1 stellt ein Arbeitsstromrelais dar; es kann jedoch genauso gut als Ruhe-Stromkreis betrieben werden, wenn statt des Drosselspulenpaares 2 das Drosselspulenpaar 1 mit Sekundärwicklungen ausgerüstet wird. Die Wirkungsweise ergibt sich aus dem Vorgesagten von selbst. Das Relais gibt also so lange eine Spannung ab, wie der Steuerstrom J_E den Strom J₀ noch nicht erreicht hat. Beim Überschreiten verschwindet dann diese Spannung plötzlich.

Nach der weiteren Erfindung kann das Relais auch mit Arbeitswicklungen auf jedem der Drosselspulenpaare ausgerüstet werden. Das Relais kann dann nach Art eines Umschaltrelais betrieben werden, das abhängig von einer bestimmten Größe des Eingangsstromes J_E als Ruhe- und Arbeitsstromrelais wirkt.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Relais nach der Erfindung dargestellt, das als Vergleichsoder Quotientenrelais arbeitet. Es besteht die Aufgabe, die Differenz oder Summe zweier veränderlicher Größen im Verhältnis zu einer dieser beiden Größen zu messen und abhängig von der Größe des Quotienten bestimmte Schaltwirkungen auszulösen. Die beiden ins Verhältnis zu setzenden Größen werden dazu durch Ströme abgebildet, wenn sie nicht bereits selbst schon als solche zur Verfügung stehen. Es sei beispielsweise angenommen, daß der Quotient
τ τ

^Jl ^J2

zu messen sei. Die Schaltung entspricht im wesentlichen der nach Fig. 1. Funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen wie dort versehen. Im Unterschied zu Fig. 1 besitzt jedoch das Drosselspulenpaar ι einen weiteren Vormagnetisierungskreis mit den Wicklungen 4' und 5'. An den Klemmen 8 wird der Strom J₁ und an den Klemmen 8' der Strom J₂ zugeführt. Der Strom J₁ wird außerdem den Vormagnetisierungswicklungen 6, 7 des Drosselspulenpaares 2 zugeführt. Gleich welche Größe die Ströme J₁ und J₂ innerhalb der zugrunde gelegten Relaisbemessung haben, an den Ausgangsklemmen 17 des Relais ergibt sich erst dann eine Spannung, wenn die Differenz zwischen den Strömen J₁ und J₂ über die vorgesehene pro-

zentuale Grenze hinauswächst. Die Spannung des Stromnetzes 3 springt in diesem Fall von dem Drosselspulenpaar 1 auf das Drosselspulenpaar 2 über, an dessen Sekundärwicklungen 13 und 14 sie nach Gleichrichtung abgenommen und einem an sich beliebigen Schalt- oder Steuergerät zugeführt ist. Das Relais nach Fig. 4 kann ebenfalls mit einer Sekundärwicklung auf dem Drosselspulenpaar 1 betrieben werden, wobei ähnliche Wirkungsweisen erreicht werden können, wie im Falle des Beispiels nach Fig. 1.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Relais nach der Erfindung dargestellt, bei dem an Stelle des einen Drosselspulenpaares eine einzelne Sättigungsdrossel 2' ohne S teuer wicklung, jedoch mit einer Sekundärwicklung 20 als Ausgang des Relais vorgesehen ist. Der nicht mitdargestellte Verbraucher wird über eine Gleichrichteranordnung 15 an die Klemmen 17 angeschlossen. Das Relais nach Fig. 5 arbeitet in der gleichen Weise wie das Relais nach Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, daß ■—■ an Stelle zweier in ihrem Abstand von einer gemeinsamen Nullinie verschiebbarer Magnetisierungskennlinien 21 und 22 (vgl. Fig. 3), deren Lage durch einen Steuerstrom /₀ einstellbar ist — die linke und die rechte Anstiegsflanke der Magnetisierungsschleife der Sättigungsdrossel 2' ausgenutzt sind. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Erzielung verschiedener Ansprechwerte in gewissem Bereich möglich, wenn dafür gesorgt wird, daß die Windungszahl mindestens der Sättigungsdrossel 2' verändert werden kann. Anstatt dessen oder außerdem können die Windungszahlen der Arbeitswicklungen des Drosselspulenpaares 1 veränderlich einstellbar sein.

Das Relais nach der Erfindung kann in seinen verschiedenen Abwandlungen für die gleichen Aufgaben eingesetzt werden, die mit anderen bekannten Relais erfüllt werden können; jedoch wird man auf Grund der besonderen Eigenschaften bestimmte Anwendungsgebiete bevorzugen. Allgemein kann gesagt werden, daß eine Anwendung dort vorteilhaft ist, wo es auf hohe Schalthäufigkeit und hohe Schaltgeschwindigkeit ankommt. Durch einen Betrieb des Relais mit höherer Frequenz kann die Ansprechgeschwindigkeit noch vergrößert werden. Vorteilhafte Anwendungen ergeben sich auch im schlagwettergefährdeten Bergbau und in sonstigen explosionsgefährdeten Betrieben. Das neue Relais eignet sich vor allem zur Anwendung in Anlagen, wo es auf eine Stromüberwachung und Strombegrenzung ankommt und wo aus Sicherheitsgründen ungern Röhrenrelais oder Relais mit mechanisch bewegten Teilen verwendet werden. Besonders betriebssicher und zuverlässig arbeitet das neue Relais als Ruhestromrelais, weil ungewollte Unterbrechungen des Relaisarbeitsstromkreises dann ebenfalls ein Abfallen des Relais bewirken. Auch in der elektrischen Netz- und Maschinenschutztechnik läßt sich das neue Relais in vielen Fällen mit Vorteil gegenüber bekannten Relaiseinrichtungen anwenden. Hier spielt die Vergleichs- und Quotientenmessung eine große Rolle. In der Ausführung als Vergleichs- oder Quotientenrelais können damit viele Aufgaben gelöst werden, bei der zwei sich in weiten Grenzen ändernde Werte verglichen werden sollen und immer dann, wenn die beiden Werte um mehr als einen vorbestimmten Prozentsatz voneinander abweichen, eine Signal- oder Steuerspannung gegeben werden soll. In der Ausführung als Vergleichs- oder Quotientenrelais lassen sich ferner beliebige Sicherheits- und Überwachungsaufgaben, beispielsweise in der Fördertechnik sowie bei der Gleichlaufregelung von Maschinen, durchführen. Auch Drehzahlverhältnisregelungen von elektrischen Maschinen sind möglich, in dem beispielsweise beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 den

Vormagnetisierungsstromkreisen der Drosselspulenpaare die Drehzahlen der zu regelnden Maschinen nach Abbildungen in elektrische Ströme zugeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, den Arbeitspunkt des Relais derart zu wählen, daß er auf der Mitte der Anstiegsflanke der Relaiskennlinie liegt (vgl. hierzu den Punkt P in Fig. 2). Wird der vorgesehene Sollwert der Regelung, d. h. das bestimmte Drehzahlverhältnis, überschritten oder unterschritten, so ergibt sich plötzlich im entsprechenden Sinne eine sehr steile Spannungsänderung, die auf den Regelkreis einwirkt. Ein anderes bevorzugtes Anwendungsbeispiel besteht in der Regeltechnik, wenn eine Regeleinrichtung

außerhalb ihres normalen Arbeitsbereiches betrieben wird, beispielsweise beim Hochfahren eines geregelten Motorantriebes vom ausgeschalteten Zustand in den Betriebszustand. Wird nämlich eine Regelanlage außerhalb des Istwertbereiches betrieben, so steht als Gegenspannung für eine als Vergleichsgröße benutzte Sollspannung kein entsprechend großer Wert zur Verfügung, so daß sich unzulässig große Differenzspannungen ergeben können, die Beschädigungen oder Störungen der Regeleinrichtungen zur Folge haben können. Die Anwendung eines Relais nach der Erfindung bietet hier sicheren Schutz vor Störungen und Beschädigungen, indem es ermöglicht, einen Regel-Istwert im Regelkreis nicht eher wirksam werden zu lassen, bis die Regeleinrichtung einen Betriebszustand in der Nähe des Sollwertes erreicht hat. Das Relais kann ferner nach Art eines polarisierten Relais verwendet werden. In diesem Fall wird jedes der beiden Drosselspulenpaare mit Sekundärwicklungen versehen, die je über Ventilanordnungen gegensinnig einen gemeinsamen richtungsempfindlichen Verbraucher oder Verstärker, beispielsweise zwei gegeneinander wirkende Erregerwicklungen eines Motors oder eines Generators, speisen.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kontaktloses Relais auf der Grundlage eines magnetischen Verstärkers mit zwei wechselstromseitig in Reihe geschalteten Drosselanordnungen, von denen mindestens eine ein Reihendrosselpaar, ist, dadurch gekennzeichnet, daß die natürliche oder durch Vormagnetisierung wahlweise einstellbare Sättigungsamperewindungszahl des Kernmaterials, bei welcher die Netzwechselspannung von der einen Drosselanordnung schlagartig auf die andere übergeht, den Ansprech- oder Abfallwert bildet und daß der Verbraucher induktiv an eine Drosselanordnung angekoppelt ist.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspulenkerne zumindest annähernd rechtwinklig geknickte Magnetisierungskennlinien haben und vorzugsweise als Bandringkerne ausgebildet sind im Sinne der Erzielung scharfer Ansprechgrenzen.

3. Relais nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Arbeitsstromrelais verwendet ist.

4. Relais nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Ruhestromrelais verwendet ist.

5. Relais nach den Ansprüchen 1 und 2, dahin abgewandelt, daß es nach Art eines Umschaltrelais verwendet ist und auf jeder Drosselanordnung eine Sekundärwicklung zur Verbraucherankopplung besitzt.

6. Relais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen je über Ventilanordnungen gegensinnig einen gemeinsamen richtungsempfindlichen Verbraucher speisen.

7. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es als Vergleichsoder Quotientenrelais ausgebildet ist, indem ein Reihendrosselpaar mit zwei Vormagnetisierungsstromkreisen ausgerüstet wird, denen je eine der in Beziehung zu setzenden Größen zugeführt ist, und daß dem mit der Ausgangswicklung versehenen Drosselpaar über dessen Vormagnetisierungswicklung die eine der in Beziehung zu setzende Größe zugeführt ist.

8. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer ungesteuerten Sättigungsdrossel (2' in Fig. 5), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Windungszahl der Sättigungsdrossel veränderbar ist im Sinne der Erzielung verschiedener Ansprechwerte.

9. Verwendung des Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Ein- oder Ausschalten von Regelkreisen außerhalb von Regel-Istwerten, die Störungen des Regelkreises ergeben würden, insbesondere beim Anfahren von geregelten Antrieben.

10. Verwendung des Relais nach Anspruch 7 zur Drehzahlverhältnisregelung zweier elektrischer Maschinen, indem den Vormagnetisierungsstromkreisen der Drosselspulenpaare den Drehzahlen der Maschinen proportionale Ströme zugeführt sind und der Arbeitspunkt des Relais auf die Mitte der Anstiegsflanke der Relaiskennlinie gelegt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 709 546, 740 533,

472972, 885889, 678475;

schweizerische Patentschrift Nr. 280013;
Dissertation U. Lamm, »The Transductor«,

Stockholm, 1943.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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