DE1164549B - UEberwachungseinrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Internat. Kl.: H02d

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 c - 68/50

Nummer: 1164 549

Aktenzeichen: G 29408 VIII b / 21 c

Anmeldetag: 7. April 1960

Auslegetag: 5. März 1964

Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung mit elektrischem Transformator nach Art eines Stromwandlers, dessen Kern eine mit einem Stromverbraucher in Reihe zu schaltende Primärwicklung und wenigstens eine Sekundärwicklung trägt, an die ein niederohmiger Stromkreis mit einer Heizwicklung und einem Unterbrecherkontakt angeschlossen ist, die zu einem thermischen Verzögerungsrelais gehören, das sowohl auf den Strom als auch auf die Umgebungstemperatur anspricht und den niederohmigen Kreis unterbricht, so daß die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung ansteigt, wobei eine Vorrichtung zur Ausnutzung der erhöhten Sekundärspannung vorgesehen ist.

Es ist bereits eine Kontrollvorrichtung für Erd-Schlußleitungen bekanntgeworden, die mit einem Transformator versehen ist und wobei die Sekundärwicklung des Transformators durch Kurzschließen über den zu kontrollierenden Kreis niedriger Impedanz wirkungslos gemacht wird; bei Öffnung dieses Kurzschlusses wird durch Spannungsanstieg an der Sekundärwicklung eine Auslösevorrichtung betätigt.

Außerdem ist auch eine Schaltungsanordnung für den Überlastungsschutz bekannt, bei der in den zu überwachenden Stromkreis ein stromwandlerähnlicher Transformator eingeschaltet ist, dessen Sekundärwicklung auf das Heizelement eines thermisch verzögerten Relais und eine mit dieser in Reihe geschaltete Wicklung eines Stromschützes arbeitet. Der Ruhekontakt des letzteren liegt in der zu überwachenden Leitung, und außerdem ist die Wicklung des Schützes durch den Ruhekontakt des thermisch verzögerten Relais kurzgeschlossen. Bei Auftreten einer Überlast wird die Heizwicklung aufgeheizt und nach entsprechender Zeit der Kurzschluß aufgehoben, der solange die Wicklung des Schützes unwirksam machte, so daß dieses nun anzieht und den überlasteten Kreis auftrennt.

Es ist aber in der Schutztechnik auch bereits bekannt, den Kern eines stromwandlerähnlichen Transformators so zu bemessen, daß er bis ins Sättigungsgebiet hinein gesteuert wird. Dabei handelt es sich um eine Erdschlußschutzeinrichtung, während sich die vorliegende Erfindung mit einer Überwachungseinrichtung befaßt, die auf die Primärstsromstärke in einer der Transformatorwicklungen und auf die Umgebungstemperatur anspricht.

Diesen bekannten Schaltungsanordnungen gegenüber kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß die Kombination zweier Maßnahmen angewendet wird:
a) Der Kern des stromwandlerähnlichen Transfor-Überwachungseinrichtung

Anmelder:

The Garrett Corporation, Los Angeles, Calif.
(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. K. Lengner, Patentanwalt,

Hamburg 26, Jordanstr. 7

Als Erfinder benannt

Elvin Dale Lytle, Los Angeles, CaUf. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 10. April 1959

(Nr. 805 516)

mators ist in an sich bekannter Weise so bemessen* daß er bis ins Sättigungsgebiet hinein gesteuert wird, und

b) ein Kondensator überbrückt — in an sich ebenfalls bekannter Weise — die Sekundärwicklung des stromwandlerähiilichen Transformators.
Eine Überwachungseinrichtung mit diesen Merkmalen weist den bekannten Varrichtungen gegenüber erhebliche Vorteile auf.

Das Anschließen des Kondensators an die Sekundärwicklung unterstützt die Wirkung ganz erheblich, die durch die Sättigung des Kernes herbeigeführt wird.

Die Vorrichtung zur Ausnutzung der erhöhten Sekundärspannung muß genügend empfindlich sein, um anzusprechen, wenn der niederohmige Kreis unterbrochen wird. Dies soll beispielsweise bei Auftreten eines Fehlers im Kühlsystem des mit der Einrichtung etwa überwachten Elektromotors erfolgen, und zwar auch dann, wenn der vom Motor aufgenommene Strom nur den Leerlaufwert aufweist. Gleichzeitig aber darf auch keine Beschädigung in der Überwachungseinrichtung eintreten, wenn der Strom im überwachten Kreis sehr groß wird, etwa bei einem Kurzschluß. Es dürfte klar sein, daß die Überwachungseinrichtung also in einem weiten Strombereich einwandfrei arbeiten muß, d. h. bei Stromstärken, die sich etwa wie 100:1 verhalten.

Verwendet man bei edner solchen Überwachungseinrichtung einen normalen stromwandlerartigen

409 537/506

3 4

Transformator, so gibt dieser auf Grund seines kon- Die in Stern geschalteten Dreiphasenwicklungen

stanten Stromübersetzungsverhältnisses eine maxi- 18, 20, 22 des Motors 16 werden aus einer in Stern

male Leistung an das Relais ab, die lOOOmal geschalteten Drehstromquelle 10 mit den entsprechen-

größer ist als die vom Relais benötigte Ansprech- den drei Phasen 34, 36, 38 über die Leitungen 24, energie. 5 26, 28 gespeist. In letzteren liegen die Kontakte 92

Wird aber ein stromwandlerähnlicher Transforma- eines Schützes, dessen Wicklung mit 30 bezeichnet ist.

tor benutzt, dessen Kern so bemessen ist, daß er bis Der Nullpunkt 42 der Stromquelle ist mit dem NuIl-

ins Sättigungsgebiet hinein gesteuert wird, so kann punkt des Motors über einen Nulleiter 40 verbunden,

man den von der Sekundärwicklung abgegebenen der bei 44 geerdet ist.

Maximalstrom in sehr wirksamer Weise begrenzen. io Die Schützwicklung 30 ist mit einer Gleichstrom-Beispielsweise kann man erreichen, daß er höchstens quelle 80 über den Kontakt eines Relais 32, einen etwa 2mal so groß wird wie der zur Betätigung des von Hand bedienbaren Schalter 90 und den Ruhe-Relais od. dgl. benötigte Strom. Hierbei verringert kontakt 88 eines Rückstellschalters 86 verbunden, sich die Maximalleistung vom 10 OOOfachen des zum Das Relais 32 weist eine Bauart auf, bei der sein Ansprechen benötigten Leistungsbetrages auf unge- 15 Kontakt in der Schließlage verriegelt ist; es besitzt fähr das Vierfache. ferner eine nachstehend noch näher erläuterte

Die Wirkung der die Sekundärwicklung über- Öffnungswicklung 11 und eine Rückstellwicklung 76,

brückenden Kapazität besteht vor allem darin, daß mit deren Hilfe der Kontakt in seine verriegelte

sie Ausgleichsspannungen unterdrückt, die beispiels- Schließstellung zurückgeführt werden kann. Die

weise auftreten, wenn die Stromstärke des zu über- 20 Rückstellwicklung 76 kann mit der Stromquelle 80

wachenden Wechelstroms sich plötzlich ändert. Dies über den Arbeitskontakt 82 des Rückstellschalters 86

ist z. B. der Fall, wenn der niederohmige Kreis verbunden werden.

unterbrochen wird. Diese Ausgleichsspannungen ent- Wird die Wicklung 11 des Relais unter Strom gehalten Harmonische von vergleichsweise hoher Fre- setzt, so wird die Schützwicklung 30 stromlos und die quenz, die sich sehr schädlich auswirken können. 25 Schaltkontakte 92 öffnen sich. Das Schütz 30 bleibt Auch bei Sättigung des Kerns ist die Ausgangsspan- dann so lange stromlos, bis der Rückstellschalter 86 nung direkt proportional der Frequenz, so daß bei- betätigt wird und die Kontakte 82 schließt, womit die spielsweise die 5. Harmonische eine 5mal höhere Wicklung 76 unter Strom kommt; dann kann der Spannung als die Grundwelle aufweist. Solche Über- Rückstellschalter 86 wieder freigegeben werden,
spannungen können in den angeschlossenen, ver- 30 Auf das Relais 32 können zwei Schutzvorrichtunhältnismäßig empfindlichen Relais und gegebenen- gen einwirken; ein verzögerter Überlastschutz, der falls Gleichrichtern durchaus eine Zerstörung bewir- auf eine Wärmeüberlastung anspricht, und andererken. Diese Kapazität stellt also eine Sicherheitsmaß- seits ein auf Erdschlüsse ansprechender Momentannahme dar, denn sie bildet für die Grundfrequenz schutz.

einen sehr hohen Widerstand, für die höherfrequen- 35 Der Erdschlußschutz besteht aus einem Transfor-

ten Harmonischen dagegen einen verhältnismäßig mator 12 mit einem Kern 46, der mit den drei

niederohmigen Kurzschluß, so daß die Wirkung der Phasenleitern 24, 26 und 28 sowie mit dem Nulleiter

Kernsättigung sehr wirksam unterstützt wird. 40 gekoppelt ist. Die Sekundärwicklung 50 ist in der

Zweckmäßig ist bei einer Überwachungseinrichtung Mitte angezapft und an dieser Stelle geerdet; die nach der Erfindung der niederohmige Stromkreis nur 40 Wicklungsenden sind über zwei Halbwellengleichrichan einen Teil der Sekundärwicklung angeschlossen, ter 52, 54 mit dem einen Ende der Wicklung 11 des deren Ausgangsspannung ausgenutzt wird. Dabei Relais 32 verbunden, die am anderen Ende geerdet ist. kann diese Sekundärwicklung eine Windungszahl auf- Die Ströme in den drei Phasenleitern kompensieren weisen, die ein Vielfaches der Primärwindungszahl sich selbst dann, wenn sie nicht gleich stark sind, da ist, so daß die Impedanz im Primärkreis ein sehr 45 bei einer Unsymmetrie ein entsprechender Ausgleichskleiner Bruchteil der Impedanz im niederohmigen strom im Nulleiter fließt. Tritt aber ein Erdschluß Stromkreis ist. auf, so stört der Erdschlußstrom dieses Gleichge-

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wicht, und in der bisher stromlosen Sekundärwick-

betrifft eine Überwachungseinrichtung, bei der zusatz- lung 50 entsteht eine Spannung, die nach Gleichrich-

lich zur Erdschlußüberwachung eine an sich bekannte 50 tung einen Strom durch die Wicklung 11 des Relais

Summenstromwandlerauslösung vorgesehen ist, bei fließen läßt und die Öffnung der Schutzkontakte 92

der ein zweiter stromwandlerartiger Transformator bewirkt.

mit mehreren, in den einzelnen Phasen und dem Null- Die Sekundärwicklung 50 wird durch einen Konleiter liegenden Primärwicklungen vorgesehen ist. densator 58 überbrückt, dessen Kapazität so gewählt Nach der Erfindung ist diese Überwachungseinrich- 55 ist, daß er Einschaltströme u. dgl. ihrer höheren Fretung so ausgebildet, daß die Ausgangsspannungen der quenzen wegen kurzschließt, ohne die Leitung bei beiden stromwandlerartigen Transformatoren gleich- Netzfrequenz nennenswert zu beeinflussen,
gerichtet werden und die Summe der gleichgerichteten Der Kern 46 ist so bemessen, daß er bis ins Ströme einem Relais zugeführt wird, so daß jeder Sättigungsgebiet hinein gesteuert wird, wenn primär-Strom unabhängig vom anderen das Relais betätigen 60 seitig stärkere Ströme fließen. Damit werden in der kann. Die Ausgangsspannung wird zweckmäßiger- eingangs geschilderten Weise die an die Gleichrichweise dazu verwendet, eine Unterbrechung des Pri- ter 52, 54 gelangenden Spannungen in sehr wirkmärstromkreises herbeizuführen. samer Weise begrenzt.

Ein Ausführungsbeispiel der Überwachungseinrich- Der Überlast- und Temperaturschutz besteht aus

tung nach der Erfindung wird nachstehend an Hand 65 einem Transformator 14 mit einem Kern 64, dessen

der Zeichnung näher erläutert, die das Schaltschema Primärwicklung 62 in einer beliebigen Phasenleitung

einer Überwachungseinrichtung für einen Drehstrom- (im dargestellten Beispiel 28) liegt. Der Kern 64 ist

motor zeigt. so bemessen, daß er bis ins Sättigungsgebiet hinein

5 6

gesteuert wird, und trägt eine Sekundärwicklung 66 Ist der Kontakt geöffnet und steigt der Motorstrom

mit geerdeter Mittenanzapfung. Die Enden der Wick- auf etwa 150°/» des Leerlaufstroms, so gelangt der

lung stehen über Halbwellengleichrichter 70, 72 mit Kern 64 in den gesättigten Zustand und bewirkt einen

dem nicht geerdeten Ende der Wicklung 11 des sehr großen Fehler im Stromverhältnis, und hier-

Relais 32 in Verbindung und sind durch einen Kon- 5 durch wird der Strom in der Relaiswicklung 11 auf

densator 74 überbrückt. weniger als das Doppelte des Relaisansprechwertes

Außerdem weist die Sekundärwicklung 66 zwei begrenzt. Auf diese Weise wird die maximale von der weitere Anschlüsse auf, die für gewöhnlich über einen Relaiswicklung aufzunehmende Leistung vom niederohmigen Stromkreis miteinander verbunden lOOOOfachen des Relaisansprechwertes auf ungefähr sind, der einen thermischen Überlastschutz enthält. io das Vierfache herabgesetzt, so daß das Relais erheb-Letzterer besteht aus einer Heizwicklung 61 auf lieh kleiner gebaut werden kann,
einem Bimetallstreifen und ist mit einem Ruhekon- Die Sekundärspannung an der Wicklung 66 des takt in Reihe geschaltet, der sich öffnet, wenn die Transformators 14 ist bed gesättigtem Kern 64 proTemperatur des Bimetallstreifens einen bestimmten portional der Frequenz des in der Primärwicklung 62 Wert überschreitet. Der thermische Überlastschutz 15 fließenden Stroms, öffnen sich die Kontakte 92 des ist im oder dicht beim Motor befestigt, so daß seine Schützes 30, so werden hochfrequente Ausgleichs-Temperatur teils von der des Motors und teils von ströme erzeugt, die durch die Primärwicklung 62 des dem durch die Heizwicklung fließenden Strom ab- Transformators 14 fließen. Ist nun die Impedanz hängt. an der Sekundärwicklung 66 so groß, daß der Kern

Im normalen Betrieb ist die Impedanz des ther- 20 64 bei Frequenzen gesättigt wird, die ein Mehrfaches mischen Überlastschutz 68 und ihrer Verbindungs- der Speisefrequenz befragen, so würde die Ausgangsdrähte so gering, daß die Ausgangsspannung der spannung so groß werden, daß die Gleichrichter 70 Wicklung 66 nicht ausreicht, um das Relais 32 zum und 72 Schaden nehmen. Durch Anschließen des Anzug zu bringen, nicht einmal beim Anlauf des Kondensators 74 unmittelbar an die Sekundärwick-Motors. Öffnet sich jedoch der Kontakt des ther- 25 lung 66 wird die Impedanz verringert, mit der diese mischen Überlastschutzes, so reicht die Sekundär- Wicklung belastet ist, und so wird eine Sättigung des spannung an den Enden der Wicklung 66 aus, um Kerns 64 bei Frequenzen verhütet, die mehr als das Relais zu betätigen. Diese Kontaktöffnung lOmal so hoch sind wie die Speisefrequenz. Die hierkann entweder von einer Temperaturerhöhung des bei auftretende Spannung schädigt die Gleichrichter Motors, von einer Vergrößerung des Stromes im 30 ⁷O und 72 nicht, und wegen der kurzen Dauer einer Motor bzw. im Phasenleiter 28 (und dement- Spitzenspannung wird auch die Relaiswicklung 11 sprechend in der Heizwicklung) oder aber von nicht beschädigt. Der Blindwiderstand des Kondensabeiden Ursachen gleichzeitig hervorgerufen werden. tors 74 bei der Speisefrequenz ist dagegen so groß,

Vorzugsweise besitzt der thermische Überlast- daß er sich auf die Empfindlichkeit des Relais 32

schutz ein Wärme-Massen-Verhältnis von annähernd 35 praktisch nicht auswirkt.

derselben Größe wie die Motorwicklungen, so daß Die beschriebene Überwachungsednrichtung stellt sich eine passende Zeitverzögerung ergibt, die ein eine sehr wirksame Schutzvorrichtung dar. Der Überunnützes Ansprechen der Schutzvorrichtung verhin- lastschutz ist dabei verzögert wirksam, und zwar abdert. Die Motor-Anlaßströme betätigen den ther- hängig von der Größe der Überlast und von der mischen Überlastschutz unter normalen Betriebsbe- 40 Motortemperatur, so daß eine unnötige Betriebsdingungen nicht, da die vereinigte Wirkung der unterbrechung bei nur kurzzeitiger Überlast ver-Motortempexatur und der Erwärmung durch die mieden wird, die nicht stark genug ist und nicht Heizwicklung auf den Bimetallstreifen nicht aus- lange genug dauert, um einen Schaden herbeizureicht, um den Kontakt während der normalen An- führen. Der Erdfehlerschutz dagegen wirkt augenlaßdauer ansprechen zu lassen. 45 blicklich, was besonders bei gewissen leichten elek-

Wichtig ist, daß das Relais 32 empfindlich genug ist, irischen Geräten oder Maschinen wertvoll ist, die um beim Leerlaufstrom des Motors anzusprechen, sich in gefährlicher Umgebung befinden. Beispielswenn dessen Kühlung ausfällt, und trotzdem auch die weise kann ein Fehler, gewöhnlich ein Erdschluß, bei Stromstärken verträgt, die bei Wicklungsschäden einem leichten Elektromotor mit dünnem Alumiauftreten können. Hierbei kann sich ein Verhältnis 50 niumgehäuse ein Schmelzen des Gehäuses bewirken des maximalen Fehlerstroms zum Leerlaufstrom von und das geschmolzene Aluminium über eine Ent-100 :1 ergeben. Würden keinerlei Maßnahmen zur fernung von mehr als 1 m umherspritzen.
Strombegrenzung getroffen, so könnte die maximale, Außerdem ermöglicht die Erfindung die Anwenvon der Relaiswicklung aufzunehmende Leistung dung eines verhältnismäßig raumsparenden ther-10 OOOmal größer als die Ansprechleistung des Re- 55 mischen Uberlastschutzes, Muß, wie in manchen belais sein. kannten Einrichtungen, der Vollaststrom des Motors,

Verwendet man jedoch in dem Kern 64 eine sorg- der bei 50 bis 100 Ampere liegen kann, durch den fältig bemessene Menge eines magnetischen Materials Überlastschutz hindurchfließen, so läßt sich kaum mit rechteckiger Hystereseschleife, so kann die maxi- eine umfangreiche Bauart vermeiden,
male Spannung an der Sekundärwicklung 66 auf 60 Eine Einrichtung nach der Erfindung benötigt nur weniger als den doppelten Wert der Spannung be- zwei schwache stromführende Leitungen zwischen der grenzt werden, die zur Betätigung des Relais erfor- Sekundärwicklung 66 und den räumlich entfernt anderlich ist, auch wenn eine hochohmige Relaiswick- geordneten Überlastschutz 68. Der Widerstand lung benutzt wird. Die geringe magnetische Feld- dieser Leitungen kann zwischen 0 und 0,5 mm stärke, die das Kernmaterial mit rechteckiger 65 liegen, ohne daß dies einen Einfluß auf die EinHystereseschleife erfordert, ergibt vernachlässigbare regulierung der Vorrichtung hat.
Fehler im Stromverhältnis, wenn der Kontakt des Ferner weist eine Einrichtung nach der Erfindung thermischen Überlastschutzes geschlossen ist. den Vorteil auf, daß sie in den Stromkreis der Haupt-

belastung nur einen vernachlässigbar kleinen Widerstand einführt. So kann z. B. der Transformator 14 eine Primärwicklung von drei Windungen und eine Sekundärwicklung von vier Abschnitten zu je 75 Windungen haben. Liegt der Gesamtwiderstand S des Überlastschutzes und seine Anschlußleitungen zwischen 1 und 2 Ohm, so beträgt der entsprechende Scheinwiderstand auf der Primärseite weniger als 0,001 Ohm; diese Zahl ergibt sich bekanntlich durch Division der Sekundärimpedanz durch das Quadrat des Windungsverhältnisses, nämlich 50².

Die Erfindung ist nicht auf die in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel gezeigten Einzelheiten beschränkt. So kann der niederohmige Kreis an dieselben Klemmen angeschlossen werden, an denen die Relaisspeisung liegt, oder umgekehrt können sie auch an getrennte Wicklungen des Transformators angeschlossen sein. An Stelle eines Schützes, das den Hauptlastkreis unterbricht, kann die Ausgangsspannung der Überwachungseinrichtung auch für andere ao Zwecke verwendet werden, beispielsweise um eine Warnvorrichtung zu betätigen oder einen Alarm auszulösen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Überwachungseinrichtung mit elektrischem Transformator nach Art eines Stromwandlers, dessen Kern eine mit einem Stromverbraucher in Reihe zu schaltende Primärwicklung und wenigstens eine Sekundärwicklung trägt, an die ein niederohmiger Stromkreis mit einer Heizwicklung und einem Unterbrecherkontakt angeschlossen ist, die zu einem thermischen Verzögerungsrelais gehören, das sowohl auf den Strom als auch auf die Umgebungstemperatur anspricht und den niederohmigen Kreis unterbricht, so daß die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung ansteigt, wobei eine Vorrichtung zur Ausnutzung der erhöhten Sekundärspannung vorgesehen ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender bekannter Merkmale:

a)

b)

Der Kern (60) des stromwandlerähnlichen Transformators (14) ist so bemessen, daß er bis ins Sättigungsgebiet hinein gesteuert wird, und

ein Kondensator (74) überbrückt die Sekundärwicklung (66) des stromwandlerähnlichen Transformators.

2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der niederohmige Stromkreis nur an einem Teil der Sekundärwicklung (66) angeschlossen ist, deren Ausgangsspannung ausgenutzt wird.

3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (66), an die der niederohmige Stromkreis angeschlossen ist, eine Windungszahl hat, die ein Vielfaches der Primärwindungszahl ist, so daß die Impedanz im Kreis der Primärwicklung (62) nur ein sehr kleiner Bruchteil der Impedanz im niederohmigen Stromkreis ist.

4. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der zusätzlich zur Erdschlußüberwachung eine an sich bekannte Summenstromwandlerauslösung vorgesehen ist, bei der ein zweiter stromwandlerartiger Transformator mit mehreren, in den einzelnen Phasen und dem Nulleiter liegenden Primärwicklungen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen der beiden stromwandlerartigen Transformatoren (12, 14) gleichgerichtet werden und die Summe der gleichgerichteten Ströme einem Relais (32) zugeführt wird, so daß jeder Strom unabhängig vom anderen das Relais betätigen kann.

5. Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung eine Unterbrechung des Primärstromkreises herbeiführt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 506 749, 967 389, 951021, 713 337, 971476.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 537/506 2.64 © Bundesdruckerei Berlin