DE2258174B2

DE2258174B2 - Schaltungsanordnung zur Überwachung der Erwärmung von stromdurchflossenen Schützlingen

Info

Publication number: DE2258174B2
Application number: DE19722258174
Authority: DE
Inventors: Hubert 5628 Heiligenhaus Roellecke
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1972-11-28
Filing date: 1972-11-28
Publication date: 1978-04-27
Also published as: DE2258174C3; DE2258174A1

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Erwärmung von stromdurchflossenen Schützlingen, insbesondere Motoren und Transformatoren nach Patent 45 605, die die zu überwachenden Ströme in eine Spannung umformt, die ein Spannungsfrequenzumformer in Impulse umwandelt, die eine dem Quadrat der Ströme proportionale Frequenz aufweisen und einem Speicherglied zugeführt werden, wobei nach Erreichen eines bestimmten Speicherinhaltes ein über eine Schaltstufe angesteuerter Schalter im Stromkreis des Schützlings auslösbar ist.

Die Lösung nach dem Patent 22 45 605 besteht darin, daß bei dem als mehrstufigen Vorwärts-Rückwärtszähler ausgeführten Speicherglied die Impulse dessen Vorwärts-Zähleingang zugeführt sind, daß dessen Rückwärts-Zähleingang die Impulse eines mit vorgegebener konstanter Frequenz laufenden Generators zugeführt sind, daß die vorgegebene Frequenz des Generators derart bemessen ist, daß sie im Bereich zulässiger Ströme größer als die Frequenz des Spannungsfrequenzumformers ist, daß der Vorwärts-Rückwärts-Zähler beim Erreichen seiner Nullstellung ein Stop-Signal an den Generator abgibt, und daß die Ausgangsimpulse an einem der Ausgänge des mehrstufigen Vorwärts-Rückwärts-5'ählers der Schaltstufe zugeführt sind.

Dabei entsprechen die in Vorwärtsrichtung eingezählten Impulse der im Schützling erzeugten Verlust-

!0 wärme, während die in Rückwärtsrichtung einlaufenden Impulse der Wärmeabgabe, also der abgeführten Verlustwärme, angepaßt sind. Mit steigender Leistung und damit wachsender Impulsfrequenz in Vorwärtsrichtung steigt die Temperatur im Schützling, bis bei einer Grenztemperatur, die einem bestimmten Zählerstand entspricht, eine Abschaltung erfolgt.

Als Vorwärts-Rückwärts-Zähler im Hauptpatent kann beispielsweise ein integrierter Baustein in TTL-Technik verwendet werden. Derartige Zähler haben jedoch eine relativ große Störempfindlichkeit, d. h. Störimpulse irgendwelcher Art — insbesondere jedoch hochfrequente — können den Zählvorgang derartig verfälschen, daß eine zu große oder zu kleine Erwärmung des stromdurchflossenen Schützlings vor-

getäuscht wird. Die geforderte zuverlässige Überwachung der Erwärmung wird dadurch sehr erschwert.

Inzwischen hat die Halbleiterindustric Vorwärts-Rückwärts-Zähler in CMOS-Technik (ebenfalls integrierte Schaltkreise) entwickelt, die von Haus aus störunempfindlicher sind. Diese Zähler erfordern jedoch eine andere Ansteuerung, weil sie einen einzigen Zähleingang mit einem besonderen Richtungseingang aufweisen.

Aus den AEG-Mitteiiungen 58 (1968), S. 372 - 375, ist

eine Überwachungsschaltung bekanntgeworden, bei welcher der Strom in einer Gleichrichterschaltung mit nachgeschaltetem Shunt in eine proportionale Spannung umgeformt wird. Diese Spannung wird in einer Quadrierschaliung quadriert und anschließend in Impulse umgesetzt. Die Impulse laden einen nachgeschalteten Kondensator eines /?C-Gliedes dabei derart, daß die Spannung am Kondensator ein Maß für die Temperatur der stromdurchflossenen Leitung ist. Dem Kondensator ist eine Schwellwertstufe mit einstellbarem Schwellwert nachgeschaltet. Erreicht die Spannung am Kondensator den eingestellten Schwellwert, d. h., erreicht die Temperatur der zu überwachenden stromdurchflossenen Leitung ihren höchstzulässigen Wert, so gibt die Schwellwertstufe ein Aus-Signal, wodurch der Leitungsstrom abgeschaltet wird. Die Impulsfrequenz ist dabei in quadratischer Abhängigkeit vom Stromwert vorgegeben.

Von Nachteil ist, daß die thermischen Zeitkonstanten der zu überwachenden Schützlinge, die in der Größenanordnung von 10³ Sekunden liegen, nur mit großem Aufwand elektrisch nachgebildet werden können. Außerdem bedingt die Nachbildung so großer thermischer Zeitkonstanten auf elektrischem Wege sehr hohe Isolationswiderstände, die nur durch besondere

ω Maßnahmen, wie beispielsweise durch Vergießen mit Kunstharzen, realisiert werden können.

Aufgabe der Zusatzerfindung ist es, alternativ zu der eingangs genannten Lösung nach Patent 22 45 605 eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die der nach dem

Ί5 Hauptpatent zwar gleichwertig ist, die aber darüber hinaus noch bei im wesentlichen gleichen Aufwand eine zusätzliche Sicherheit gegen Einflüsse auf Grund von Störimpulsen bietet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem als mehrstufigen Vorwärts-Rückwärtszähler ausgeführten Speicherglied diese Impulse und die Impulse eines Generators dessen gemeinsamen Zähleingang beaufschlagen, daß an dem Richtungseingang des Vorwärts-Rückwärtszählcrs eine von den Impulsen des Spannungsfrequenzumformers und/oder des Generators abgeleitete Spannung oder eine Hilfsgleichspannung liegt, daß die vorgegebene Frequenz des Generators derart bemessen ist, daß sie im Bereich zulässiger Ströme größer als die Frequenz des Spannungsfrequenzumformers ist, daß der Vorwärts-Rückwärtszähler beim Erreichen seiner Nullstellung ein Stop-Signal an den Generator abgibt, und daß die Ausgangsimpulse an einem der Ausgänge des mehrstufigen Vorwärts-Rückwärtszählers der Schaltstufe zugeführt sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei in den F i g. 1,2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels, bei dem die Spannung am Richtungseingang des Vorwärts-Rückwärts-Zählers von den Impulsen des Spannungsfrequenzumformers und des Generators abgeleitet ist.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Spannung am Richtungseingang des Vorwärts-Rückwärts-Zählers von einer Festspannung und von den Impulsen des Generators abgeleitet ist.

In Fig. 1 sind 1, Y, 1" Leitungen, deren Ströme von Hauptstromwandlern 2 erfaßt und Zwischenstromwandlern 3 zugeführt werden. An Widerständen 4 werden diese Ströme in Spannungen umgeformt, die in einer Gleichrichterschaltung 5 gleichgerichtet werden. Ein Spannungsfrequenzumformer 6 wandelt die gleichgerichtete Spannung in Impulse um. Diese Impulse steuern über einen ersten Entkopplungswiderstand 36 den Richtungseingang 9 eines aus zwei Zählstufen 24,25 bestehenden, störunempfindlichen Vorwärts-Rückwärts-Zählers 27 an und beaufschlagen außerdem über eine erste ODER-Schaltung 34 den Zähleingang 7 des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 27. Die Impulse eines Generators 10 steuern über eine Negationsstufe 35 und einen zweiten Entkopplungswiderstand 37 ebenfalls den Richtungseingang 9 an und beaufschlagen zusätzlich über die erste ODER-Schaltung 34 den Zähleingang 7 der Zählstufe 24. Jede Zählstufe 24, 25 des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 27 weist je vier Ausgänge 11 — 14 bzw. 15 — 18 auf, die mit einer zweiten ODER-Schaltung 26 verbunden sind, deren Ausgang den Generator 10 ansteuert. Einem Ausgang 28 der Zählstufe 25 ist eine Schaltstufe 19 nachgeschaltet, die ein Relais 20 und eine dritte ODER-Schaltung 21 beaufschlagt. Das Ausgangssignal der dritten ODER-Schaltung 21 liefert die Rückstellimpulse für die Zählstufen 24, 25 an deren Rückstelleingänge 8, 23. Von der Betriebsspannung UB wird mittels einer Triggerschaltung 22 das zweite Eingangssignal für die dritte ODER-Schaltung 21 abgeleitet.

Bei Beginn der Messung sind die Ausgänge 11 — 18 auf Null zurückgestellt, womit der Ausgang der ODER-Schaltung 26 ein den Generator 10 sperrendes Ausgangssignai liefert. Beim Einschalten des Motors M erscheint am Ausgang der Gleichrichterschaltung 5 eine Spannung, die im Spannungsfrequenzumformer 6 in Impulse umgeformt wird, deren Frequenz quadratisch mit den zu überwachenden Strömen zunimmt. Ein derartiger Spannungsfrequenzumformer ist bekannt und wird nicht näher beschrieben.

Die Impulse gelangen über die eiste ODER-Schaltung 34 zum einen auf den Zähleingang 7 der Zählstufe 24, zum anderen wird von ihnen eine Spannung abgeleitet, die als Richtungsentscheid auf den Richtungseingang 9 gegeben wird. Diese Spannung ist positiv, wodurch die Zählstufe 24 die Impulse des Spannungsfrequenzumformers 6, die an dem Zähleingang 7 anstehen, vorwärtszählt. Damit erscheint der

ίο erste Impuls als L-Signal am Ausgang 11 der Zählstufe 24, wodurch auch am Ausgang der ODER-Schaltung 26 ein L-Signal ansteht, das den Generator 10 startet. Dessen Impulse gelangen zum einen ebenfalls über die ODER-Schaltung 34 auf den gemeinsamen Zähleingang

7. Zum anderen wird mittels der Negationsstufe 35 und des. zweiten Entkopplungswiderstandes 37 eine Spannung abgeleitet, die auf den Richtungseingang 9 gegeben wird. Diese Spannung ist negativ, wodurch die Impulse des Generators 10 zurückgezählt werden. Der erste Impuls des Generators 10 bewirkt also, daß der zuvor aufgenommene erste Impuls des Spannungsfrequenzumformers 6 auf Null zurückgezählt wird. Dadurch führt der Ausgang 11 wie alle übrigen Ausgänge 12 bis 18 Nullsignal, wodurch der Generator 10 wieder gestoppt wird. Solange die Frequenz der Impulse des Spannungsfrequenzumformers 6 kleiner ist als die Frequenz der Impulse des Generators 10, findet am Ausgang 11 ein ständiger Wechsel zwischen NuIl- und L-Signal statt, während die übrigen Ausgänge

jo ständig Nullsignal führen. Die einstellbare Frequenz des Generators 10 entspricht dabei dem Wert der Ströme durch die Leitungen 1, Y, 1", von dem an die Überwachung des Motors auf Erwärmung gewünscht wird.

Überschreitet die Frequenz des Spannungsfrequenzumformers 6 die Frequenz des Generators 10, so gelangen Impulse durch die Zählstufen 24,25 nach einer bestimmten Zeit zum Ausgang 28. Mit dem Anwachsen der Ströme in den Leitungen 1, Γ, 1" nimmt die Frequenz der Impulse des Spannungsfrequenzumformers 6 rasch zu, während der Generator 10 mit der einmal eingestellten konstanten Frequenz zurückzählt. Mit dem Anwachsen der Ströme in den Leitungen 1, Γ, 1" gelangt demnach auch der erste Impuls entsprechend schneller an den Ausgang 28. Dieser erste Impuls am Ausgang 28 steuert die Schaltstufe 19 an, die das Relais 20 ansprechen läßt, wodurch die Leitungen 1, Y, i" abgeschaltet werden. Es ist auch möglich, die binären Signale der Ausgänge 12 — 18 der Zählstufen 24,25 zur

so Abschaltung der Ströme in den Leitungen 1, Y, 1" heranzuziehen. Dazu wird z. B. die Schaltstufe 19 mit dem nachgeschalteten Relais 20 an den Ausgang 16 der Zählstufe 25 angeschlossen. Ein L-Signal an diesem Ausgang läßt das Relais 20 ansprechen. Auf diese Art wird die Auslösezeit verkürzt, ohne daß an dem Schaltungsaufbau Änderungen vorgenommen werden müßten. Nach einer erfolgten Auslösung durch die Schaltstufe 19 müssen die Zählstufen 24, 25 wieder in ihre Ausgangsstellung zurückgestellt werden, d. h., alle Ausgänge 11 — 18 müssen wieder Nullsignal aufweisen. Dazu wird das Ausgangssignal der Schaltstufe 19 über die dritte ODER-Schaltung 21 auf die Rückstelleingänge 8,2* geführt. Die Zählstufen 24,25 werden ebenfalls mit dem Einschalten der Spannungsquelle, die die Betriebs-

hi spannung UB für die Schaltungsanordnung liefert, zurückgestellt. Von der Betriebsspannung t/Äwird dazu mittels der Triggerschaltung 22 ein Impuls abgeleitet, der über den anderen Eingang der dritten ODER-Schal-

tung 21 auf die Rückstelleingänge 8, 23 der Zählstufen 24,25 gelangt.

In Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich von dem in F i g. 1 geschilderten nur durch die Erzeugung der Spannung für den Richtungseingang 9 unterscheidet. Es wird daher nachfolgend auch nur dieser Unterschied näher erläutert, während im übrigen auf die F i g. 1 verwiesen wird.

Die Impulse des Spannungsfrequenzumformers 6 gelangen wiederum über die erste ODER-Schaltung 34 auf den Zähleingang 7 der Zählstufe 24. Der Richtungseingang 9 liegt nun über einen Vorschaltwiderstand 38 an der positiven Betriebsspannung UB. Dadurch wird der erste Impuls des Spannungsfrequenzumformers 6 vorwärtsgezählt, so daß am Ausgang 11 wieder ein L-Signal erscheint, das den Generator 10 startet. Dessen Impulse gelangen wiederum über die erste ODER-Schaltung 34 auf den Zähleingang 7. Außerdem wird von ihnen mittels der Negationsstufe 35 eine negative Spannung erzeugt, die — zu der ständig am Richtungseingang 9 anliegenden positiven Betriebsspannung UB hinzuaddiert — an diesem Richtungseingang 9 ein Nullpotential erzeugt. Dadurch erhält die Zählstufe 24 einen Richtungsentscheid, womit der erste Impuls des Generators 10 zurückgezählt wird. Am Ausgang 11 erscheint wieder ein Nullsignal, das über die ODER-Schaltung 26 den Generator 10 stoppt.

Damit ein gleichzeitiges Auftreten der Impulse des Generators 10 und des Spannungsfrequenzumformers € am Richtungseingang 9 weitgehend verhindert wird, ist das Verhältnis Impulsabstand zu Impulsdauer bei dem Generator 10 und dem Spannungsfrequenzumformer € sehr groß gewählt.

Abweichend von den genannten Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, den Richtungseingang 9 über einen zusätzlichen Widerstand ständig an Nullpotential zu legen, so daß eine Ansteuerung dieses Eingangs vom Generator 10 entfallen kann. Der Spannungsfrequenzumformer 6 zieht diesen Eingang bei Impulsabgabe nach Pluspotential, womit der Richtungsentscheic getroffen ist.

Als störunempfindliche Zähler kommen vorwiegend integrierte Schaltkreise in MOS-Technik in Frage.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung der Erwärmung von stromdurchflossenen Schützlingen, insbesondere Motoren und Transformatoren, die die zu überwachenden Ströme in eine Spannung umformt, die ein Spannungsfrequenzumformer in Impulse umwandelt, die eine dem Quadrat der Ströme proportionale Frequenz aufweisen und einem Speicherglied zugeführt werden, wobei nach Erreichen eines bestimmten Speicherinhaltes ein über eine Schaltstufe angesteuerter Schalter im Stromkreis des Schützlings auslösbar ist nach Patent P2245605, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem als mehrstufigen Vorwärts-Rückwärtszähler (24, 25, 27) ausgeführten Speicherglied diese Impulse und die Impulse eines Generators (10) dessen gemeinsamen Zähleingang (7) beaufschlagen, daß an dem Richtungseingang (9) des Vorwärts-Rückwärtszählers (24,25,27) eine von den Impulsen des Spannungsfrequenzumformers (6) und/oder des Generators (10) abgeleitete Spannung oder eine Hilfsgleichspannung liegt, daß die vorgegebene Frequenz des Generators (10) derart bemessen ist, daß sie im Bereich zulässiger Ströme größer als die Frequenz des Spannungsfrequenzumformers (6) ist, daß der Vorwärts-Rückwärtszähler (27) beim Erreichen seiner Nullstellung ein Stop-Signal an den Generator (10) abgibt, und daß die Ausgangsimpulse an einem der Ausgänge (11 bis 18, 28) des mehrstufigen Vorwärts-Rückwärtszählers (24, 25, 27) der Schaltstufe (19) zugeführt sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsfrequenzumformer (6) und der Generator (10) über eine ODER-Schaltung (34) mit dem Zähleingang (7) des Vorwärts-Rückwärtszählers (27) verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (10) über eine Negationsstufe (35) mit dem Richtungseingang (9) des Vorwärts-Rückwärts-Zählers (27) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsgleichspannung die Betriebsspannung (UB)\sl