DE2053795A1 - Protection circuit for a transformer - Google Patents
Protection circuit for a transformerInfo
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Description
Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann, onC5 7QPatent attorneys Dipl.-Ing. F. Weickmann, onC5 7Q
Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr.TCTFinckE Dipl.-Ing. F. A.WEICKMANN, Dipl.-Chem. B. HuberDipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr.TCTFinckE Dipl.-Ing. F. A. WEICKMANN, Dipl.-Chem. B. Huber
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New Mill, Houldsworth Street, Reddish, Stockport,Cheshire, EnglandNew Mill, Houldsworth Street, Reddish, Stockport, Cheshire, England
Schutzschaltung für einen TransformatorProtection circuit for a transformer
Die Erfindung betrifft Schutzschaltungen für Transformatoren, insbesondere für Transformatoren mit geringen Leistungen, wie sie beispielsweise bei Haushaltsgeräten Verwendung finden.The invention relates to protective circuits for transformers, especially for transformers with low power, such as those used in household appliances Find use.
Transformatoren geringer Leistung können gegen innere Beschädigungen, welche durch ein ungewolltes Kurzschließen der Ausgangsanschlüsse auftreten können, auf verschiedene Weise geschützt werden. So ist es beispielsweise möglich, entweder im Primärechaltungskreis oder im Sekundärschaltungskreie eine Sicherung oder einen Thermoschalter einzusetzen. Es ist auch möglich, einenLow-power transformers can protect against internal damage caused by unintentional short-circuiting the output connections can be protected in various ways. This is how it is, for example possible, either in the primary administrative district or a fuse or a Insert thermal switch. It is also possible to have one
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Thermostaten zu verwenden, welcher entweder automatisch oder manuell auf den Ausgangewert zurückzusetzen ist. Es ist ferner möglich, innerhalb des Transformatorgehäuses einen Schaltungsunterbrecher anzuordnen. Diese Methoden haben jedoch verschiedene Nachteile. Eine Sicherung oder eine Vorrichtung! welche manuell auf den Ausgangswert zurückzusetzen ist, erfordern Aufmerksamkeit, bevor die Leistung nach dem Entfernen der Oberlastbedingung wieder auf die normale Stärke reduziert werden kann. Thermoschalter haben dagegen die Tendenz, zu langsam zu reagieren. Sie sprechen für gewöhnlich auf die innere Erhitzung der Transformatorwioklungen an, diese können jedoch eine beträchtliche thermische Trägheit haben. Thermostaten, die automatisch zurückgesetzt werden, tendieren dazu, den Transformator zyklisch ein- und auszuschalten, bis die Überlastung beseitigt ist. Das zyklische Ein- und Ausschalten kann zur Beschädigung eines anderen Gerätes führen. Es ist auch möglich, den Transformator eo zu konstruieren, daß der Kurzschlußstrom in dem Sekundärkreis auf ein geringes Vielfaches des Laststromes begrenzt wird. Dadurch wird auch der in der Primärwicklung fließende Strom begrenzt. Die Folge ist, daß auch die in Wärme umgesetzte Verlustleistung in dem Transformator einen Maximalwert nicht übersteigt. Transformatoren dieser Type haben jedoch den Nachteil, daß die Auegangespannung im unbelasteten Zustand beträchtlich höher ist, als wenn eine Last vorhanden ist. Außerdem sind die Abmessungen und das Gewicht solcher Transformatoren beträchtlich höher als bei Transformatoren, welohe etwa die gleichen elektrischen Daten haben, jedoch nur mit einer Sicherung oder einer ähnlichen Einrichtung geschützt sind.To use a thermostat, which can be reset to the initial value either automatically or manually. It is also possible to arrange a circuit breaker inside the transformer housing. These methods however, have several disadvantages. A fuse or a device! which manually reset to the initial value require attention before resuming performance after removing the overload condition can be reduced to normal strength. Thermal switches, on the other hand, tend to react too slowly. They usually respond to internal heating of the transformer windings, but these can have considerable thermal inertia. Thermostats that reset automatically will tend to switch the transformer on and off cyclically, until the overload is removed. The cyclical switching on and off can damage another device to lead. It is also possible to construct the transformer eo, that the short-circuit current in the secondary circuit is limited to a low multiple of the load current. This also limits the current flowing in the primary winding. The consequence is that the converted into heat Power loss in the transformer does not exceed a maximum value. Transformers of this type however, the disadvantage that the output voltage in the unloaded state is considerably higher than when a load is present is. In addition, the dimensions and weight of such transformers are considerably larger than transformers, which have roughly the same electrical data, but only with a fuse or a similar one Facility are protected.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Transformator für geringere Leistungen besser zu schützen.The invention is therefore based on the object Better protect transformer for lower power.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Widerstandes mit einem positiven Temperaturkoeffizienten gelöst, der so beschaffen sein soll, daß sich sein Widerstandswert bis zu einer kritischen Temperatur nur sehr wenig ändert; wenn die Temperatur jedoch den "kritischen" Wert übersteigt, so soll der Widerstandswert des Widerstandes stark ansteigen. Ein solcher Widerstand sollte bis zur" kritischen Temperatur 100 Ohm oder weniger haben j wenn die Temperatur jedoch die kritische Temperatur um 10 ° über- ä steigt, so sollte der Widerstandswert schon auf 100 iCiloohm ansteigen. Gemäß der Erfindung soll dieser Schutzwiderstand in Serie mit einer der beiden wicklungen des Transformators, vorzugsweise in Serie mit der Primärwicklung geschaltet werden.The object is achieved according to the invention by the use of a resistor with a positive temperature coefficient, which should be such that its resistance value changes very little up to a critical temperature; However, if the temperature exceeds the "critical" value, the resistance value of the resistor should rise sharply. Such a resistance should be 100 ohms to the "critical temperature or less j when the temperature, however, the critical temperature by 10 ° exceed the like increases, so the resistance value should already increase to 100 iCiloohm. In accordance with the invention is that protection resistor in series with a of the two windings of the transformer, preferably in series with the primary winding.
Der Schutzwiderstand kann durch einen anderen Widerstand überbrückt werden.The protective resistor can be bridged by another resistor.
Wenn die Temperatur an dem Schutzwiderstand steigt (entweder durch die Erhöhung der Umgebungstemperatur oder durch Wurme, welche von durchfließendem elektrischen Strom erzeugt wird),so steigt der Widerstandswert des Schutzwider- * Standes an und der durch ihn hindurchfließende Strom wird reduziert. Wenn der Widerstand entsprechend den obigen Angaben gewählt wird (unterhalb einer kritischen Stromstärke bleibt der Widerstandswert relativ konstant, oberhalb dieser kritischen Stromstärke steigt der Widerstandswert rapid an), so ist die von dem Transformator abgegebene Leistung auf einen Maximalwert begrenzt. Der Transformator würde zwar im ungeschützten Zustand eine relativ konstante SpannungIf the temperature at the protective resistor rises (either by increasing the ambient temperature or by Worm, which is generated by flowing electric current), the resistance value of the protective resistor increases * Stand and the current flowing through it is reduced. If the resistance is according to the above is selected (below a critical current strength the resistance value remains relatively constant, above this critical current strength, the resistance value rises rapidly), so the power delivered by the transformer is up limited a maximum value. The transformer would have a relatively constant voltage in the unprotected state
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abgeben, jedoch würde er bei Überlastung thermisch geschädigt werden.release, but it would be thermally damaged if overloaded will.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.Embodiments of the invention are given below described with reference to the drawing.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein Schaltbild für einen Transformator, der in Haushaltsgeräten verwendet werden kann und gemäß einer Alternative der Erfindung geschützt istjFig. 1 is a circuit diagram for a transformer that can be used in household appliances and according to an alternative of the invention is protected j
Pig. 2 ein Schaltbild für einen Transformator, der gemäß einer anderen Alternative der Erfindung geschützt ist;Pig. Figure 2 is a circuit diagram for a transformer protected according to another alternative of the invention is;
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Widerstandswertes des Schutzwiderstandes in Abhängigkeit von der Temperatur.3 shows a graph of the resistance value of the protective resistor as a function of the Temperature.
In Fig. 1 ist ein für Haushaltsgeräte verwendbarer Transformator gezeigt, welcher in einem Gehäuse 2 untergebracht ist. Der Transformator 1 hat eine Primärwicklung 3 und eine Sekundärwicklung 4. In Serie mit der Primärwicklung 3 ist ein Widerstand 5 geschaltet, dessen Widerstandswert in Fig.3 logarithmisch über der Temperatur dargestellt ist. Der Widerstandswert ist bis zu einer Temperatur θ (oder etwa bis zu dieser Temperatur) konstant« θ wird die sogenannte "kritische" Temperatur genannt. Oberhalb der Temperatur 0Q steigt der Widerstandswert rapid von (beispeilsweise) 100 Ohm order weniger auf 100 Kilooiun bei einer Temperatur Q-j an. Die Temperatur Q-, liegt typiacherweise etwa 1O0C höher als die Temperatur θ . Ein Widerstand mit einer derartigen Charakteristik wird als Thermit tor mit einem positiven Temperatur!?oeffizienten bezeichnet.1 shows a transformer which can be used for household appliances and which is accommodated in a housing 2. The transformer 1 has a primary winding 3 and a secondary winding 4. A resistor 5 is connected in series with the primary winding 3, the resistance value of which is shown in FIG. 3 logarithmically against the temperature. The resistance value is constant up to a temperature θ (or approximately up to this temperature) «θ is called the so-called" critical "temperature. Above the temperature 0 Q , the resistance value rises rapidly from (for example) 100 ohms or less to 100 kilograms at a temperature Qj. The temperature is Q, typiacherweise about 1O 0 C higher than the temperature θ. A resistor with such a characteristic is called a thermostat with a positive temperature coefficient.
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An die Anschlüsse 6 der Primärwicklung des Transformators wird normalerweise eine Spannungsquelle angelegt.To the connections 6 of the primary winding of the transformer a voltage source is normally applied.
Pig. 2 zeigt eine Alternativ-Ausführungsform, bei der der Schutzwiderstand 5a in Serie mit der Sekundärwicklung 4 des Transformators geschaltet ist.Pig. 2 shows an alternative embodiment in which the Protective resistor 5a is connected in series with the secondary winding 4 of the transformer.
Nachfolgend wird die Schaltungsanordnung gemäß JB1Ig. 1 näher beschrieben. Me Verhältnisse sind bei der bchaltungsanordnung nach i'ig. 2 analog.The circuit arrangement according to JB 1 Ig. 1 described in more detail. Me conditions are in the circuit arrangement according to i'ig. 2 analog.
Der Schutzwiderstand 5 hat einen sehr geringen Einfluss auf die Transformatorregulierung, wenn der Widerstandswert des Sohutzwiderstandes klein ist, beispielsweise wenn der Widerstandswert unter normalen Bedingungen geringer als 100 Ohm ist. Man wählt die kritische Temperatur Q vorzugsweise so, daß sie etwas oberhalb einer Temperatur liegt, die sich durch die Summe der Umgebungstemperatur, einem durch die SeIbsterhitzung des Transformators unter Dauerlastbedingungen bedingten Temperaturanstieges und einer Temperaturerhöhung des Schutzwiderstandes infolge des durch ihn hindurchfließenden Stromes ergibt«The protective resistor 5 has very little influence on the transformer regulation if the resistance value of the protective resistor is small, for example if the resistance value is less than 100 ohms under normal conditions. The critical temperature Q is preferably chosen so that it is slightly above a temperature that results from the sum of the ambient temperature, a temperature rise caused by the self-heating of the transformer under continuous load conditions and a temperature increase in the protective resistor as a result of the current flowing through it «
Die Maximale Umgebungstemperatur kann beispielsweise auf 30° angesetzt werden. Die Temperaturerhöhung innerhalb des Transformatorgehäuses unter Dauerlastbedingungen hängt von Faktoren, wie beispielsweise der Gehäuseform, der jeweiligen Nennbelastung und der Ausführung des Transformators selbst ab. Eine typische Temperaturerhöhung dieser Art kann auf 10° angesetzt werden. Die Temperaturerhöhung des Schutzwideretandes hängt von dem Widerstandswert des Widerstandes unter JNormalbedingungen ab, das sind der Widerstandswert unterhalb der kritischen Temperatur, der Primärnennstrom,The maximum ambient temperature can be set to 30 °, for example. The temperature increase within the Transformer housing under continuous load conditions depends on Factors such as the shape of the housing, the respective nominal load and the design of the transformer itself away. A typical temperature increase of this kind can be assumed to be 10 °. The increase in temperature of the protective resistor depends on the resistance value of the resistor under normal conditions, that is the resistance value below the critical temperature, the primary rated current,
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die Oberfläche, die thermische Leitfähigkeit und die Farbe des Widerstandes. Typisch für einen solchen Widerstand ist beispeilsweise ein Wärmeverlustfaktor von 17 Milliwatt pro Grad Celsius und ein normal er Widerstandswert von 80 Ohm. Wenn durch einen solchen Widerstand 80 mA fließen, so steigt die Temperatur um etwa 300O an.the surface, the thermal conductivity and the color of the resistor. Typical of such a resistor is, for example, a heat loss factor of 17 milliwatts per degree Celsius and a normal resistance value of 80 ohms. If 80 mA flow through such a resistor, the temperature rises by about 30 ° .
Die Summentemperatur würde in diesem !'all (30 + 10 + 30) 7O0C betragen. Die kritische Temperatur des Widerstandes würde demnach zwischen 75 und 8O0C liegen; der Toleranzbereich liegt zwischen 5 und 10 C.The sum of temperature would be in this! 'All (30 + 10 + 30) 7O 0 C. The critical temperature of the resistor would accordingly be between 75 and 8O 0 C; the tolerance range is between 5 and 10 C.
Der Widerstandswert des Schutzwiderstandes steigt bei Überlastung stark an. Durch das Ansteigen des Widerstandswertes erhöht sich auch sofort der Spannungsabfall über dem Schutzwiderstand. Dadurch erhöht sich die Verlustleistung des Widerstandes, wodurch auch die Temperatur des Widerstandskörpers steigt. Das führt zu einer weiteren Erhöhung des Widerstandswertes. Der Widerstandswert läuft also praktisch thermisch davon, bis er Werte erreicht, bei denen sich der Primärstrom stärker vermindert als die Spannung über dem Schutzwiderstand ansteigt. Diese Bedingung tritt bei Transformatoren geringer Leistung für 240 Volt im Bereich von etwa 1000 0hm auf. Die Verlustleistung vermindert sich wieder und es wird ein Gleichgewichtszustand erreicht, bei dem der durch die Primärwicklung und den Schutzwiderstand fließende Strom gerade ausreicht, um die Temperatur des Widerstandskörper noch oberhalb der zuvor erwähnten kritischen Temperatur zu halten. Wenn die (Jberlastungsursache beseitigt ist, so fällt der durch die Primärwicklung fließende Strom auf einen geringen Bruchteil des unter Überlastbedingungen fließenden Stromes. DerThe resistance value of the protective resistor increases with Overload strong. As the resistance value increases, the voltage drop increases immediately the protective resistance. This increases the power dissipation of the resistor, which also increases the temperature of the resistance body increases. This leads to a further increase in the resistance value. The resistance value is running practically thermally from it until it reaches values at which the primary current decreases more than that Voltage increases across the protective resistor. This condition occurs with low power transformers for 240 volts in the range of about 1000 ohms. The power loss is reduced again and a state of equilibrium is reached reached, in which the current flowing through the primary winding and the protective resistor is just enough to the To keep the temperature of the resistance body above the aforementioned critical temperature. If the (overload cause is eliminated, the current flowing through the primary winding falls to a small fraction of the current flowing under overload conditions. Of the
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Schutzwiderstand kann sich wieder abkühlen und es stellt sich dadurch sein normaler Widerstandswert wieder ein.Protective resistor can cool down again and its normal resistance value is set again.
Schaltzeit zwischen dem Zustand, in dem der Schutzwiderstand einen niedrigen vYiderstandswert hat und zwischen dem Zustand, in dem der Schutzwiderstand einen hohen Widerstand swert hat, ist infolge der außerordentlich stark ansteigenden Vta-lUötleistung .sehr kurz; die thermische Trägheit des Schutzwi därstandes vei'hindert jedoch andererseits, daß der Widerstandskörper eine gefährlich hohe Temperatur erreicht. Infolge der kurzen Schaltzeit ist die Temperaturerhöhung der Transformatorwicklungeri sehr gering.Switching time between the state in which the protective resistor has a low resistance value and between the state in which the protective resistance has a high resistance swert, is due to the extraordinarily strong increase Vta soldering power .very short; the thermal inertia the protective resistance prevents on the other hand, that the resistance body reaches a dangerously high temperature. The temperature increase is due to the short switching time the transformer winding very low.
In Fig. 1 ist eiern Schutzwiderstand 5 noch ein .viderstand 7 parallelgeschaltet, und in iig. 2 ist dem Schutzwiderstand ^a noch ein widerstand 7a parallelgeochaltet. Der parallelgeschaltete ,iaerstand soll dazu dienen, den Spannungsabfall über dem Schutzwiderstand zu begrenzen, sodaß dadurch auch die Temperaturerhöhung des Widerstandskörpers begrenzt ist. Andererseits kann auch ein Zustand eintreten, bei d<m die Tempert tür des vViderstandskörpers nicht genügend sinkt (und der Scbutzwj d eitstand demnach seine)] niedrigen Wiuerstandswert nioht erreicht), wenn die Überlastung beseitigtIn Fig. 1 a protective resistor 5 is also a .viderstand 7 connected in parallel, and iig. 2 a resistor 7a is connected in parallel to the protective resistor ^ a. The parallel-connected relay is intended to limit the voltage drop across the protective resistor, so that the temperature increase in the resistor body is also limited as a result. On the other hand, a condition can also arise in which the temperature door of the resistor body does not drop sufficiently (and the protection resistance accordingly does not reach its low resistance value) when the overload is eliminated
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