Maximal- oder Minimalrelais für Wechselstrom Die Erfindung betrifft ein Maximal- oder Mini malrelais, also beispielsweise ein L7berstrom- oder Unterspannun:gsrelais, welches mit elektronischen Mitteln oder Halbleitern eine ausserordentlich kurze Ansprech- und( Abfallzeit ergibt.
Es sind überstrom-Schutzeinrichtungen bereits bekanntgeworden, welche mit elektronischen Mitteln arbeiten. Man hat die über Stromwandler gewonnene Wechselstromgrösse gleichgerichtet, beispielsweise in einer Brückenschaltung, und diesen Strom über einen Widerstand geleitet. Die über diesem Widerstand lie gende Spannung wird zur Steuerung einer Röhre ver wendet, indem sie entweder als Anodenspannung oder als Gitterspannung zugeführt wird.
Der so von einem bestimmten Wert an entstehende Anodenstrom führt, da besondere Siebmittel fehlen, zu einem nichtkonti- nuierlichen Strom am Ausgang der Röhre. Die An sprechzeit einer solchen Einrichtung ist dagegen sehr kurz.
Schaltet man bei einer solchen Anordnung aber ein Filter dazu, so wird zwar die Welligkeit beseitigt, es entsteht aber infolge seiner Zeitkonstante eine Zeitverzögerung, welche den Vorteil der trägheits- losen Steuerung der Röhre zunichte macht. Da der zugeführte Strom in jeder Periode zwei gleichgerich tete Halbwellen besitzt, muss das Filter für 100 Hz ausgelegt sein. Dadurch benötigt es grosse Induktivi- täten und bedingt hohe Zeitkonstanten. Der Aus gangsstrom ist hierbei ein.
Gleichstrom, welcher sich aber nicht sofort beim Ansprechen der Schutzeinrich tung auf seinen endgültigen Wert einstellt. Der Nach teil dieser Anordnung ist also, dass wegen der niedri gen, dem Gleichstrom überlagerten Frequenz ein Fil- ter mit .hoher Zeitkonstante verwendet werden muss oder dass bei Weglassen des Filters das entstehende Ausgangssignal selbst keinen kontinuierlichen Gleich strom darstellt. Diese Einrichtung hat ferner den Nachteil, dass die Ansprechzeit für das am Ausgang entstehende Signal von der Höhe der Messgrösse ab hängt.
Liegt die Messgrösse nur wenig über dem An sprechwert, so ist die Ansprechzeit höher als bei grö sseren Werten des Stromes. Die Verwendung von Fil tern mit der dadurch bedingten grösseren Ansprech und Abfallzeit macht sich besonders bei Unterspan nungsrelais unangenehm bemerkbar. Es müssen dann die zum Filter gehörenden Kondensatoren sich erst entladen, bevor die Röhre sperrt, so dass beim An sprechen der Spannungsrelais die Ansprechzeit grö sser ist als bei einem überstromrelais mit gleicher An ordnung.
Es wird nun zur Vermeidung dieser Nachteile vorgeschlagen, das Relais erfindungsgemäss aus der Kombination folgender Glieder bestehen zu lassen: einem Amplitudenbegrenzer, einem Phasenumwand ler zur Umwandlung der einphasigen Messgrösse in eine mehrphasige Form, einem Gleichnchterglied und einem Amplitudenkondensator, welcher beim Ansprechen des Relaiseine Gleichspannung erzeugt.
Die Einrichtung wird anhand des in der Fig. 1 dargestellten Beispiels näher erläutert. Aus dem Wandler 1 wird der Wechselstrom oder die Wechsel spannung einphasig gewonnen.
Sie wird über die Widerstände 2 den Strombegrenzern 3 zugeführt. Hierzu kann man entweder Elektronenröhren ver wenden, welche von einer bestimmten Höhe des Stromes an in den Sättigungsbereich gelangen, oder man kann veränderliche Widerstände, wie Glimmlam- pen oder Halblüfter (sogenannte Zenerdioden), par allel schalten,
welche von einer bestimmten Höhe der Messgrösse an einen Parallelweg öffnen. Der Strombegrenzer ist so ausgelegt, dass an seinem Aus gang eine bestimmte Höhe der Spannung bzw. des Stromes, nicht überschritten wird.
Solange der Strom begrenzer nicht in Tätigkeit tritt, liegt am Ausgang eine sinusförmige Wechselspannung, andernfalls hat diese Spannung eine Trapezform. Der Wert, bei dem der Amplitudenbegrenzer ansprechen soll, braucht nicht höher als 25 % über dem Ansprechwert der Schutzeinrichtung zu liegen.
Der Phasenwandler 4 erzeugt aus der zugeführten einphasigen Messgrösse eine dreiphasige. Hierdurch wird die Welligkeit bei der nachfolgenden Gleichrich tung ohne Verwendung eines Filters stark herab gesetzt. Der Phasenwandler ist so ausgelegt, d'ass die drei entstehenden Wellen gleiche Amplituden besit zen. Er besteht aus den Widerständen 5, 6, 7 und dem Kondensator B. Die Schaltung ist ähnlich wie bei einem Phasen:drehglied, an dessen Ausgang eine ge genüber dem Eingang phasenverschobene Spannung abgenommen werden kann.
Die Abnahme erfolgt bei dem Phasenumwandler an drei Stellen, derart, dass die gegenseitige Phasenverschiebung der drei ent stehenden Wellen 120 beträgt. Diese wird durch ge eignete Auslegung der Widerstände 5, 6, 7 und des Kondensators 8, in Zusammenhang mit dem Wider stand 9 der Gleichrichtergruppe 10 erreicht. In Ver bindung mit dem Strombegrenzer 3 kann der Kon densator sich unabhängig von der zugeführten Höhe des Stromes oder der Spannung mit gleicher Dauer entladen. Man kann hierbei die Kapazität klein hal ten, so dass eine rasche Entladung nach dem Anspre chen möglich ist.
Dies wirkt sich besonders bei Un- terspannungsrelais vorteilhaft aus, welche beim Ab sänken der Spannung ansprechen, wobei der Konden sator entladen wird. Man erhält also mit Hilfe dieses Phasenwandlers ein Dreiphasensystem, das nun durch die Gleichrichter 10 gleichgerichtet wird. Hierdurch entsteht am Ausgangswiderstand. 9 eine Gleichspan nung mit einer Welligkeit, deren Grundwelle die 6- fache Frequenz von der Netzfrequenz besitzt.
Diese Welligkeit wird nun nicht weggefiltert, um keine zu- sätzliche Zeitverzögerung zu erhalten, obwohl die hierfür notwendigen Filter eine wesentlich geringere Zeitkonstante besitzen würden als ein Filter für 100 Hz. Die Welligkeit wird nun dazu ausgenutzt, um den Amplitudenkomparator, welcher aus den bei den Elektronenröhren 11 und 12 besteht, zu betäti gen.
Dieser erzeugt am Ausgang eine Gleich spannung, wenn die zugeführte Gleichspannung einen bestimmten Ansprechwert überschreitet, und z-.var ist hierfür der Scheitelwert der welligen Gleich spannung massgebend. Erreicht dieser eine bestimmte Höhe, so zündet die Röhre 11 des Amplitudenkom- parators, und es entsteht am Ausgang eine Gleich spannung. Die Löschspannung des Amplitudenkom- parators ist nun so gewählt, dass sie dem Minimalwert der welligen Gleichspannung entspricht.
Dies ist in Fig. 2 ,dargestellt. Mit 18 ist die A:nsprechspannung des Amplitudenkomparatars, mit 19 sein Sperrwert als gerade Linien dargestellt. Zwischen diesen beiden Linien liebt die Welligkeit der zugeführten Gleich- Spannung 20, wenn der Ansprechwert gerade erreicht ist. Der Maximalwert berührt also hierbei die obere Linie 18, der Minimalwert die untere Linie 19.
Steigt die Gleichspannung an, so spricht der Ampli- tudenkomparator an, sinkt sie wieder auf den alten Wert zurück, so wird die Sperrspannung erreicht und der Amplitudenkomparator sperrt. Hierdurch wird er reicht, d@ass sofort beim Ansprechen immer eindeutig eine kontinuierliche Spannung am Ausgang entsteht, und dass das Verhältnis von Ansprech- und Sperr spannung, also das Halteverhältnis, praktisch 1 ist. Es wird also ein gutes Halteverhältnis verbunden mit einem unbedingt sicheren Arbeiten gewährleistet.
Der Amplitudenkomparator besteht aus den bei den Röhren 11 und 12, welche auch zusammen als Doppelröhre ausgebildet sein können. Fliesst in der Röhre 11 kein Anodenstrom, so führt auch der Wi derstand 14 keinen Strom. Am Punkte 15 ist daher eine hohe positive Spannung E_,- vorhanden. Daher liegt auch am Gitter der Röhre 12 eine positive Span nung, so d!ass in ihr Anodenstrom fliesst. Dann aber isst am Punkt 16 nur eine geringe Spannung vorhan den, da die zugeführte Gleichspannung am Wider stand 17 zusammenbricht. Fliesst aber Strom in der Röhre 11, so bricht die.
Spannung am Punkt 15 zu- sammen. Das Gitter der Röhre 12 erhält dann eine negative Vorspannung, so dass die Röhre sperrt. Da mit steigt die Spannung am Punkt 16 an, so dass eine hohe Ausgangsspannung entsteht. Die Röhre 11 spricht nun an, wenn der Scheitelwert der zugeführ ten welligen Gleichspannung einen vorgeschriebenen Wert überschreitet, und sperrt, wenn der Minimal wert den zugehörigen Wert überschreitet.
Die am Ausgang entstehende Spannung kann zur Betätigung eines Auslösers unmittelbar oder über Stromtore, zur Signalisierung und zur Einschaltung eines Impedanz- messgliedes beim Impedanzschu-tz verwendet werden.
Fig. 3 zeigt die an den: einzelnen Stellen der An ordnung entstehenden Spannungen. Es werden zwei Fälle betrachtet, einmal wenn eine Spannung zu geführt wird, welche gerade den Ansprech.wert über schritten hat und (gestrichelt) eine Spannung, welche diesen Wert erheblich überschreitet. In Fig. 3a er kennt man die zugeführten Spannungen.
Sie sind beide sinusförmig. In Fig. 3b bleibt die eine Span nung, nämlich die kleinere, sinusförmig, da sie noch nicht in den Wirkungsbereich des Amplitudenbegren- zers gelangt, während die höhere Spannung bereits trapezförmig wird. In der Fig. 3c ist die Wirkung dies Phasenumwandlers dargestellt, aus der einphasigen Eingangsspannung ist eine dreiphasige entstanden. In Fig. 3d sind diese Spannungen gleichgerichtet.
Man erkennt die entstandene Welligkeit bei der kleineren Spannung. Bei der grossen Eingangsamplitude ent steht eine kontinuierliche Gleichspannung. In Fig. 3e isst die Ausgangsspannung des Amplitudenkompara- tors dargestellt; sie ist unabhängig von der Amplitude der Eingangsspannung.
Fig. 4 zeigt ein anderes Beispiel mit Verwendung von Transistoren. Die Schaltung bis zum Amplltu- denkomparator ist dabei praktisch gleich, nur dass auch der Amplitudenbegrenzer in bekannter Weise mit Halbleitern (Zenerdioden) geschaltet werden kann. Gezeigt ist der Amplitudenkomparator. Die Transistoren 21 und 22 ersetzen die Röhren 11 und 12 der Fig. 1.
Die Wirkungsweise ist ähnlich, nur mass die Gleichrichtung entgegengesetzt erfolgen, damit eine negative Eingangsspannung zugeführt werden kann. Auch das Ausgangssignal ist dann negativ. Der Transistor 21 wird durch die negative wellige Gleich spannung ausgelöst und führt dann Strom. Dadurch fliesst auch durch den Widerstand 23 Strom zurück. Die Spannung am Punkt 24 wird positiver, so dass der Transistor 22 sperrt und am Ausgang 25 durch den Wegfall des Stromes im Widerstand 26 eine ne gative Ausgangsspannung entsteht.
Der Vorteil der Anordnung gegenüber dem Stand der Technik ist, dass beim Überschreiten des An sprechwertes und beim Unterschreiten ein praktisch unverzögertes Arbeiten der Anordnung möglich ist. Das Halteverhältnis ist ausserordentlich günstig. Die Welligkeit, welche sonst meist als nachteilig angese hen wird, wird hierbei dazu ausgenutzt, um das gute Halteverhältnis zu erreichen.
Eine überlastbarkeit ist wegen der Strombegrenzung nicht möglich, infolge- dessen ist auch das Ansprechen und Abfallen völlig unabhängig von der Höhe des zugeführten Messwer- tes, und besonders auch bei Unterspannungsrelais ein sehr rasches Arbeiten gewährleistet.
Maximum or minimum relay for alternating current The invention relates to a maximum or mini malrelais, for example an overcurrent or undervoltage relay, which, with electronic means or semiconductors, results in an extremely short response and release time.
Overcurrent protective devices have already become known which work with electronic means. The alternating current quantity obtained via a current transformer was rectified, for example in a bridge circuit, and this current was passed through a resistor. The voltage across this resistor is used to control a tube by supplying it either as an anode voltage or as a grid voltage.
The anode current generated from a certain value onwards leads to a non-continuous current at the outlet of the tube, since special screening means are missing. The response time of such a facility, however, is very short.
However, if a filter is switched on in such an arrangement, the ripple is eliminated, but a time delay arises due to its time constant, which negates the advantage of the inertia-free control of the tube. Since the supplied current has two rectified half-waves in each period, the filter must be designed for 100 Hz. As a result, it requires large inductances and requires high time constants. The output current is here a.
Direct current, which however does not immediately reach its final value when the protective device responds. The disadvantage of this arrangement is that because of the low frequency superimposed on the direct current, a filter with a high time constant must be used or that if the filter is omitted, the resulting output signal itself does not represent a continuous direct current. This device also has the disadvantage that the response time for the signal generated at the output depends on the level of the measured variable.
If the measured variable is only slightly above the response value, the response time is higher than with larger values of the current. The use of filters with the resulting longer response and release times is particularly noticeable with undervoltage relays. The capacitors belonging to the filter must first discharge before the tube blocks, so that when the voltage relay responds, the response time is longer than with an overcurrent relay with the same arrangement.
In order to avoid these disadvantages, it is now proposed to have the relay according to the invention consist of a combination of the following elements: an amplitude limiter, a phase converter for converting the single-phase measured variable into a multi-phase form, an equal element and an amplitude capacitor which generates a DC voltage when the relay responds .
The device is explained in more detail using the example shown in FIG. From the converter 1, the alternating current or the alternating voltage is obtained in a single phase.
It is fed to the current limiters 3 via the resistors 2. Either electron tubes can be used for this, which reach the saturation range from a certain level of the current, or variable resistors such as glow lamps or half-fans (so-called Zener diodes) can be connected in parallel,
which open from a certain height of the measured variable to a parallel path. The current limiter is designed in such a way that a certain level of voltage or current is not exceeded at its output.
As long as the current limiter does not work, there is a sinusoidal alternating voltage at the output, otherwise this voltage is trapezoidal. The value at which the amplitude limiter should respond does not need to be higher than 25% above the response value of the protective device.
The phase converter 4 generates a three-phase measured variable from the supplied single-phase measured variable. As a result, the ripple in the subsequent rectification is greatly reduced without using a filter. The phase converter is designed so that the three waves produced have the same amplitudes. It consists of the resistors 5, 6, 7 and the capacitor B. The circuit is similar to a phase: rotating member, at the output of which a phase-shifted voltage compared to the input can be taken.
In the case of the phase converter, the decrease takes place at three points, such that the mutual phase shift of the three waves produced is 120. This is achieved by ge appropriate design of the resistors 5, 6, 7 and the capacitor 8, in connection with the opposing position 9 of the rectifier group 10 is achieved. In connection with the current limiter 3, the capacitor can discharge independently of the amount of current or voltage supplied with the same duration. You can keep the capacity small, so that rapid discharge is possible after the response.
This is particularly beneficial in the case of undervoltage relays, which respond when the voltage drops, thereby discharging the capacitor. With the help of this phase converter, a three-phase system is obtained which is now rectified by the rectifier 10. This arises at the output resistance. 9 a DC voltage with a ripple whose fundamental wave has 6 times the frequency of the mains frequency.
This ripple is now not filtered out in order to avoid any additional time delay, although the filters required for this would have a much lower time constant than a filter for 100 Hz Electron tubes 11 and 12 consists of actuating conditions.
This generates a direct voltage at the output when the supplied direct voltage exceeds a certain response value, and the peak value of the undulating direct voltage is decisive for this. If this reaches a certain height, the tube 11 of the amplitude comparator ignites and a direct voltage is produced at the output. The extinction voltage of the amplitude comparator is now selected so that it corresponds to the minimum value of the undulating DC voltage.
This is shown in FIG. With 18 the response voltage of the amplitude comparator is shown with 19 its blocking value as straight lines. Between these two lines, the ripple of the supplied DC voltage 20 loves when the response value has just been reached. The maximum value touches the upper line 18, the minimum value the lower line 19.
If the DC voltage increases, the amplitude comparator responds; if it falls back to the old value, the blocking voltage is reached and the amplitude comparator blocks. This ensures that there is always a continuous voltage at the output immediately upon response, and that the ratio of response and blocking voltage, i.e. the hold ratio, is practically 1. A good holding ratio combined with absolutely safe work is guaranteed.
The amplitude comparator consists of the tubes 11 and 12, which can also be designed together as a double tube. If no anode current flows in the tube 11, the resistor 14 also does not carry any current. A high positive voltage E _, - is therefore present at point 15. Therefore, there is also a positive voltage on the grid of the tube 12, so that anode current flows into it. But then eats only a small amount of voltage at point 16, since the direct voltage supplied to the counter 17 collapses. But if current flows in the tube 11, it breaks.
Voltage at point 15 together. The grid of tube 12 is then given a negative bias so that the tube locks. Since the voltage at point 16 increases, so that a high output voltage is created. The tube 11 now responds when the peak value of the supplied wavy direct voltage exceeds a prescribed value, and blocks when the minimum value exceeds the associated value.
The voltage generated at the output can be used to actuate a trigger directly or via current gates, for signaling and to switch on an impedance measuring element in the impedance protection.
Fig. 3 shows the stresses arising at the individual points of the arrangement. Two cases are considered, once when a voltage is fed that has just exceeded the response value and (dashed) a voltage that significantly exceeds this value. In Fig. 3a he knows the supplied voltages.
They are both sinusoidal. In FIG. 3b, one voltage, namely the smaller one, remains sinusoidal, since it has not yet reached the effective range of the amplitude limiter, while the higher voltage is already trapezoidal. In Fig. 3c, the effect of this phase converter is shown, from the single-phase input voltage a three-phase has arisen. In Fig. 3d these voltages are rectified.
You can see the resulting ripple at the lower voltage. With the large input amplitude, there is a continuous DC voltage. In FIG. 3e the output voltage of the amplitude comparator is shown; it is independent of the amplitude of the input voltage.
Fig. 4 shows another example using transistors. The circuit up to the amplitude comparator is practically the same, except that the amplitude limiter can also be switched in a known manner with semiconductors (Zener diodes). The amplitude comparator is shown. The transistors 21 and 22 replace the tubes 11 and 12 of FIG.
The mode of operation is similar, except that the rectification is done in the opposite direction so that a negative input voltage can be supplied. The output signal is then also negative. The transistor 21 is triggered by the negative ripple DC voltage and then carries current. As a result, current also flows back through resistor 23. The voltage at point 24 becomes more positive, so that transistor 22 blocks and a negative output voltage is produced at output 25 due to the loss of current in resistor 26.
The advantage of the arrangement over the prior art is that when the response value is exceeded and when the value falls below it, the arrangement can work practically without delay. The holding ratio is extremely favorable. The ripple, which is usually viewed as disadvantageous, is used here to achieve the good holding ratio.
Overload capacity is not possible because of the current limitation. As a result, the response and dropping are completely independent of the level of the supplied measured value and, especially with undervoltage relays, very fast operation is guaranteed.