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überstrom-Schutzrelaissystem Für den überlastschutz von Elektromotoren
werden vielfach abhängige überstrom-Zeitrelais verwendet, die nach dem thermischen
Prinzip arbeiten. Dabei heizt der Motorstrom oder ein ihm proportionaler Strom einen
Bimetallstreifen auf, der bei bestimmter Ausbiegung eine Kontaktvorrichtung betätigt.
Die Zeitdauer bis zur Betätigung der Kontaktvorrichtung ist um so kürzer,
je größer der fließende Strom ist. Diese Schutzeinrichtungen haben den Nachteil
großen Leistungsbedarfs.
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In bekannter Weise kann ein überstrom-Zeitrelais auch so aus-eführt
sein, daß über einem bestimmten Schwellwert die durch Gleichrichtung des zu überwachenden
Stromes oder die durch Gleichrichtung einer daraus abgeleiteten Spannung gewonnene
Größe die Aufladung eines Kondensators veranlaßt. Der Schwellwert ist dabei durch
eine einstellbare Referenzspannung vorgegeben. Bei Erreichen eines bestimmten Grenzwertes
der Kondensatoraufladung wird das Auslöse-Schaltglied über einen Ausgangsverstärker
betätigt. Die Aufladezeit des Kondensators ist um so kürzer, je größer der
überwachte Strom ist.
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Zur Überwachung von überspannungen sind auch schon Relais bekanntgeworden,
die zwei Wicklungen um einen Magnetkern mit praktisch rechteckiger Kennlinie enthalten.
Die zu überwachende Spannung magnetisiert während jeder positiven Halbwelle den
Kein über die eine Wicklung um einen von der Höhe der Spannung abhängigen Betrag
auf, während über die Dauer der negativen Halbwelle der Kern über die andere Wicklung
um einen jeweils konstanten Betrag abmagnetisiert wird.
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überwiegt die aufmagnetisierende Wirkung, so gelangt der Kern in einer
um so kürzeren Zeit in die Sättigung, je größer die wirksame Spannung ist.
Die Zeitspanne bis zum Erreichen der Sättigung stellt die Verzögerungszeit bis zum
Ansprechen des nachgeordneten Schaltgliedes dar.
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Oftmals werden für bestimmte Aufgaben Schutzeinrichtungen nach dem
thermischen Prinzip mit solchen nach dem elektromagnetischen Prinzip in einem mehrstuflgen
überstrom-Zeitschutzsystem vereinigt. Die trägere thermische Einrichtung erfaßt
dabei z. B. Überlastströme, während Kurzschlußströme am elektromagnetischen System
eine schnellere Auslösung bewirken.
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In F i g. 1 ist die Kennlinie einer derartigen zweistufigen
Schutzeinrichtung dargestellt; der mit a bezeichnete Ast der Kennlinie gehört dem
thermischen System zu und der mit b bezeichnete Ast dem elektromagnetischen
System. Die Abszisse des Systems bedeutet die Stromachse, während die Ordinate die
Zeitachse darstellt. Es ist ersichtlich, daß in einem durch die Kennwerte des Systems
festliegenden Änderungsbereich des Stromes I lediglich das thermische System beeinflußt
wird, welches verhältnismäßig langsam auslöst gegenüber darüberliegenden. Strornwerten,
die am elektromagnetischen System zu einer verhältnismäßig schnellen Auslösung führen.
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Die Verschiedenheit des Aufbaues und der Wirkungsweise der in einer
derartigen zweistufigen Schutzeinrichtung vereinigten Bausteine bedeutet einen Nachteil.
Der unterschiedliche Aufbau und die abweichende Wirkungsweise bedingen auch unterschiedliche
Eigenschaften und somit eine Unterschiedlichkeit im Betriebsverhalten, der Funktionssicherheit
und der Lebensdauer. Noch mehr stören aber der hohe Leistungsbedarf der bekannten
Einrichtung und die mechanischen Kontakte des thermischen Auslösers.
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Nach der Erfindung werden die Nachteile der letztgenannten bekannten
Anordnung unter Verwendung eines für beide Funktionen gemeinsam zuständigen Überwachungssystems
dadurch vermieden, daß einem vom zu überwachenden Wechselstrom gespeisten Doppelweggleichrichter
ein Nebenzweig mit einem Richtleiter und mit einem Widerstand vorgeschaltet und
eine Schwellwertkippschaltung nachgeschaltet ist, die jeweils einen von der etwaigen
über- bis zur Unterschreitung des Schwellwertes durch den Augenblickswert dauernden
oder länger dauernden Impuls an ein integrierendes Glied abgibt, so daß bei endlicher
Bemessung des Widerstandes im Nebenzweig, d. h. bei unterschiedlichen Amplituden
der Halbwellen, im Verlaufe eines Anstiegs des zu überwachenden Wechselstromes aus
dem Normalbereich zunächst die eine Halbwelle der Perioden eiitsprechende Impulse
auslöst, bevor die andere Halbwelle ebenfalls Impulse auslöst.
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Ein Ausführungsbeispiel wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigt die F i g. 2 eine Prinzipschaltung der Anordnung, und die F i
g. 3 bis 5
veranschaulichen die Wirkungsweise für
verschiedene Betriebszustände.
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Ein Stromwandlerl, der zur geeigneten Umformung des zu überwachenden
Stromes dient, ist sekundärseitig mit zwei gegenüberliegenden Anschlußpunkten einer
Gleichrichterbrückenschaltung2 verbunden und außerdem mit einem Parallelzweig, der
eine Diode 3 und einen veränderbaren Widerstand 4 aufweist. Die anderen Anschlußpunkte
der Gleichrichterbrückenschaltung 2, die die Gleichstromklemmen darstellen, sind
mit den Eingangsklemmen einer Schwellwertkippschaltung 5 (Trig-,ger) bekannten
Aufbaues verbunden. Kippschaltun-,-en dieser Art wirken in der Regel so, daß bei
durch die Eingangsspannung überschrittenem Schwellwert ein Impuls abgegeben wird.
Der Schwellwertkippschaltung 5 ist ein Zeitglied 6 nachgeschaltet,
das nach dem Vorbild bekannter Zeitglieder aufgebaut sein kann. Eine an ihm ablaufende
Integration auftreffender Impulse bis zu einem bestimmten Integral bestimmt die
Verzögerungszeit der Anordnung. Bei Erreichen des bestimmten Integrals, welches
den Ansprechwert der Anordnung darstellt, löst ein vom Zeitglied 6 beeinflußter
Schalter 7 aus. Als Zeitglied wird ein statisches Relais bevorzugt, das bcispielsweise
nach dem Prinzip der Kondensatoraufladung arbeitet.
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Der Nebenzweig der Anordnung mit der Diode 3
und dem Widerstand
4 bedeutet nur für die negative oder positive Halbwelle der am Wandler
1 erhaltenen Wechselgröße einen Nebenschluß, so daß je nach Einstellung
des Widerstandes 4 die eine Halbwelle gegenüber der anderen in einem bestimmten
Verhältnis überwiegt. Nach Gleichrichtung dieser Wechselstromgröße mittels der Gleichrichterbrückenschaltung
2 ergibt sich in Abhängigkeit von der Höhe des zu überwachenden Wechselstromes I
demzufolge eine pulsierende Gleichstromgröße, wie sie beispielsweise im oberen Diagramm
der F i g. 3 und 4 dargestellt ist. In beiden Diagrammen deutet die punktierte
Linie den Schwellwert der Schwellwertkippschaltung 5
an. Nach F i
g. 3 wird in der ersten Halbwelle jeder Periode der Schwellwert überschritten,
und es wird dabei - wie im mittleren Diagramm der Figur dargestellt
- jeweils ein Impuls ausgelöst, der bis zur Unterschreitung des Schwellwertes
durch den Augenblickswert oder länger, entsprechend einer etwa vorhandenen Schaltverzögerung
andauert. Dieser Impuls beaufschlagt das beispielsweise nach dem Prinzip der Kondensatoraufladung
arbeitende Zeitglied 6,
wobei sich der Kondensator nach dem unteren Diagramm
der F i g. 3 auflädt. Es ist ersichtlich, daß sich die Aufladung verhältnismäßig
langsam dem als strichpunktierte Linie gezeichneten Ansprechwert des Schalters
7 nähert.
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Nach F i g. 4 treten die Kuppen beider Halbwellen jeder Periode
über den Schwellwert der Schwellwertkippschaltung 5 hinaus; dabei teilt aber
die erste Halbwelle jeder Periode einen größeren Zeitabstand ab als die zweite Halbwelle,
und beide Intervalle geben die Impulsdauer der gemäß dem mittleren Diagramm ausgegebenen
Impulsfolge vor. Infolge der gegenüber F i g. 3 verdoppelten Impulszahl steigt
die Aufladung des Kondensators des Zeitgliedes 6 verhältnismäßig schnell
an und erreicht den, strichpunktiert dargestellten Ansprechwert dementsprechend
früher. Die verhältnismäßig hohen Kurzschlußströme einer Anlage werden bei der erfindungsgemäßen
Anordnung beispielsweise nach dem an Hand der F i g. 4 erläuterten Prinzip
erfaßt und führen zu einer Schnellauslösung, während die in der Regel geringeren
überlastströme eine langsamere Auslösung nach Fig. 3 der Zeichnung bewirken.
Im Normalbetriebszustand wird der Schwellwert der Kippschaltung 5 weder in
der ersten noch in der zweiten Halbwelle jeder Periode erreicht.
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Der Widerstand 4 der Anordnung ermöglicht die Einstellung des Grenzwertes
zwischen Schnell- und Langsamauslösung. Das Verhältnis der Amplituden der ersten
und zweiten Halbwelle pro Periode läßt sich hiermit durch Veränderung der Einstellung
in einfacher Weise variieren. Stellt man als gedachten Grenzfall den Widerstand
4 auf »Unendlich« ein (Nebenzweig mit dem Widerstand 4 nicht vorhanden), so haben
die Amplituden der Halbwellen nach dem oberen Diagramm der F i g. 5
gleiche Höhe, und sie treffen demnach bei Zunahme des zu überwachenden Stromes gleichzeitig
auf den punktiert dargestellten Schwellwert der Kippschaltung 5. ' Die vom
Schwellwert nach dem Diagramm abgeschnittenen Kuppen der Halbwellen entsprechen
einander in ihrer Grundlinie, so daß auch die im mittleren Diagramm der F i
g. 5 dargestellten Impulse von gleicher Länge sind. Wie bei den oben geschilderten
Einstellarten des Widerstandes4 auf endliche Werte vollzieht sich die Aufladung
des Kondensators des Zeitgliedes 6 nach F i g. 5 bei Eintreffen
der Impulse; die Aufladung bleibt bei idealisierter verlustfreier Betrachtung des
Kondensators während der Impulspausen auf dem erreichten Potential stehen.
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In vielen Fällen werden die typenbedingten Eigenverluste des Kondensators
des Zeitgliedes 6 eine ausreichend schnelle Rückstellung des Zeitgliedes
zur Folge haben. Sollte dies aber nicht der Fall sein, so kann ein Hilfskontakt
des Schalters 7 in geeigneter Anordnung vorgesehen sein, der die Entladung
des Kondensators des Zeitgliedes 6 in geeigneter Weise steuert.