DE2306791A1

DE2306791A1 - Elektronisches motorschutzrelais mit stromabhaengiger ausloesung

Info

Publication number: DE2306791A1
Application number: DE2306791A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Hentschel
Original assignee: Sprecher und Schuh AG
Current assignee: Rockwell Automation Switzerland GmbH
Priority date: 1972-05-23
Filing date: 1973-02-12
Publication date: 1973-12-06
Also published as: GB1423748A; CH534444A; US3808503A; JPS4926723A; AT320790B; ES411582A1

Description

Sprecher & Schuh AG, · ' Aarau (Schweiz)

Elektronisches Motorschutzrelais mit stromabhängiger Auslösung

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Motorschutzrelais mit stromabhängiger Auslösung, welches von einer dem Motorstrom proportionalen Messspannung angesteuert ist.

Zum Schutz von Elektromotoren gegen unzulässig hohe Erwärmung werden meist Bimetall-Relais, sogenannte T-Relais verwendet, bei denen das Bimetall das thermische Abbild des Motors bildet. Für einen befriedigenden Schutz des Motors ist es erforderlich, dass die Zeitkonstante des Bimetalls mindestens angenähert der Zeitkonstanten des Motors entspricht, mit der er sich auf die Grenztemperatur erwärmt. Uebliche Elek· tromotore weisen jedoch Zeitkonstanten auf, die häufig viel grosser sind, als die des Bimetalls von T-Relais, so dass mit

10.1.73 - 1 - 27 456 a

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einem T-Relais im allgemeinen und insbesondere bei intermittierendem Betrieb des Motors nur ein mangelhafter Schutz gewährleistet ist. Wegen dieser u.U. erheblichen Unterschiede in den Zeitkonstanten würde ein T-Relais bei schiver anlaufenden Motoren auch bereits auslösen, bevor der Motor die Grenztemperatur erreicht hat. Um dies zu verhindern, wird das T-Relais meist in der Anlaufphase des Motors überbrückt und damit der Motor während dieser Zeit völlig ungeschützt gelassen. Unbefriedigend ist ferner, dass ein T-Relais wegen der fehlenden Möglichkeit, seine Kennlinie einzustellen, nicht optimal an den jeweiligen Motor angepasst werden kann, und dass infolge unzureichender Rüttelfestigkeit Fehlauslösungen vorkommen können. Ein entscheidender Nachteil solcher Relais ist ihre verhältnismässig geringe Auslösegenauigkeit, die einen Betrieb des Motors bis genau zur Grenztemperatur nicht zulässt und eine wirtschaftlichere Ausnutzung des Motors verhindert.

Diese und noch weitere Nachteile und Mangel können an sich durch elektronische Motorschutzrelais behoben werden. Da sich der Motorstrom ungefähr im -Verhältnis von 1:20 ändern kann und für die Verwendung bei verschiedenen Motortypen ein Auslösebereich vorgesehen sein sollte, der sich von ca. 2 Sekunden bis z.B. 2 Stunden erstreckt, müsste das elektronische Motorschutzrelais entsprechende Zeitkonstanten aufweisen und die Auslösezeiten dürften auch bei sich ändernder Umgebungstemperatur keine die Genauigkeit beeinträchtigenden Schwankungen zeigen. Dies müsste ausserdem mit verhältnismässig einfachen Mitteln erreicht sein, damit das einen besseren Schutz als das preislich günstige T-Relais bietende elektronische Motor-schutsrelais wirtschaftlich auch bei Motoren kleinerer Leistung ver~ wendet werden kann. /

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Motorschutzrelais zu schaffen, bei dem mit relativ geringem Aufwand ein weiter Auslösebereich von z.B. 2 Sekunden bis 2 Stunden und eine grössere Genauigkeit der Auslösezeiten als bei den bekannten T-Relais verwirklicht ist.

Das erfindungsgemässe elektronische Motorschutzrelais zeichnet sich dadurch aus, dass eine das Erwärmungsνerhalten des Motors durch den Ladevorgang eines kapazitiven. Speichers wiedergebende elektrische Motor-Nachbildung von einer mit der Messspannung gesteuerten Ladestromquelle mit einem Ladestrom, der über die Messspannung eine Funktion des Motorstromes ist, gespeist und die Ladespannung über dem kapazitiven Speicher der Motor-Nachbildung an den Steuereingang eines Schwellwertauslösers gelegt ist, der die Abschaltung des Motorstromes auslöst, sobald die Ladespannung die Auslöseschwelle überschreitet. Da die Kupfer- und Eisenverluste des Motors durch den Ladestrom der gesteuerten Ladestromquelle erfasst sind, kann das Motorschutzrelais ohne Schwierigkeiten so eingestellt werden, dass die Ladespannung über dem kapazitiven Speicher der Motor-Nachbildung die Erwärmung des Motors wiedergibt. Für sehr lange Auslösezeiten weist die Motor-Nachbildung sweckmässig einen möglichst hohen Innenwiderstand auf/ Dies*macht bei dem Schwellwertauslöser einen Impedanzwandler mit hohem Eingangswiderstand erforderlich und führt bei der Ladestromquelle zu gesteuerten Ladeströmen, deren geringe Stromstärke in einem nur schwer beherrschbaren Bereich, z.B.im Bereich von nAmp liegt. Zur Vermeidung der sich hieraus ergebenden Nachteile für die Ausbildung der gesteuerten Ladestromquelle und des Schwellwertauslösers kann der Ladestrom getaktet der Motor-Nachbildung zugeleitet bzw. die Ladespannung des kapazitiven Speichers getaktet an den Schwellviertauslöser gelegt sein, wobei vorzugsweise ein

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Taktverhältnis von Arbeitstaktdauer zu Ruhe takt dauer gewählt wird, das wesentlich kleiner als Eins, z.B. l/lOOO oder weniger und konstant ist. Der effektive Ladestrom, mit dem der kapazitive Speicher der Motor-Nachbildung gespeist wird, ist .dann gleich dem Produkt von Ladestrom und Taktverhältnis, und die Ladestromquelle kann einen entsprechend höheren Ladestrom liefern-. Die von der Messspannung gesteuerte Ladestromquelle kann eine Verstärkerschaltung mit im Arbeitsbereich gerader Strom-Spannungskennlinie sein, der ein Funktionsverstärker zur Umformung der Messspanmung in ein der funktioneilen Abhängigkeit des Ladestromes vom Motorstrom entsprechendes Steuersignal vorgeschaltet ist. Da für. einen weiten Aenderungsbereich des Motorstromes_} z.B. 1:20, der Funktionsverstärker der Ladestromquelle einen grossen Aussteuerbereich haben und dementsprechend kompliziert aufgebaut sein würde, ist es vorteilhaft, den kapazitiven Speicher der Motor-Nachbildung über die Messspannung motorstromabhängig getaktet zu Spesen und die für den effektiven Ladestrom vorgegebene Funktion höherer Ordnung des Motorstromes durch das Produkt einer ersten Funktion niederer Ordnung für den Ladestrom der gesteuerten Ladestromquelle und einer zweiten Funktion niederer Ordnung für das Taktverhältnis der Taktung zu bilden, so dass der grosse Aussteuerbereich für den effektiven Ladestrom auf die Ladestromquelle und die Taktung aufgeteilt ist und beide einen entsprechend kleineren Aussteuerbereich besitzen brauchen, wodurch nicht nur Bauelemente eingespart werden, sondern vor allem auch eine grössere Genauigkeit bei der Speisung des kapazitiven Speichers erreicht wird. Im einfachsten Falle kann der kapazitive Speicher der Motor-Nachbildung mit einem Ladestrom gespeist werden, der dem ■ Quadrat des Motorstromes proportional ist. Für einen sich nur wenig ändernden Motorstrom kann die gesteuerte Ladestromquelle aus einer Verstärkerschaltung mit vorgeschaltetem Quadrierblock

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bestehen und es kann eine Taktung des Ladestromes mit konstantem Taktverhältnis vorgesehen sein. Für einen sich stark ändernden Motorstrom hingegen ist es vorteilhaft als gesteuerte Ladestromquelle eine Verstärkerschaltung zu verwenden^ die von der Messspannung angesteuert einen dem Motorstrom proportionalen Ladestrom liefert, und diesen Ladestrom mit einem über die Messspannung ebenfalls dem Motorstrom proportionalen Taktverhältnis zu takten, so dass der effektive Ladestrom für den kapazitiven Speicher dem Quadrat des Motorstroms proportional ist. Zur Taktung des Ladestromes kann eine von einem Taktgenerator betätigte, vorzugsweise elektronische Schaltvorrichtung vorgesehen sein, deren Schaltstrecke zwischen Ladestromquelle und Motor-Nachbildung geschaltet ist, wobei der Taktgenerator von der Messspannung angesteuert ist. Um das Taktverhältnis des Taktgenerators zu ändern, kann entweder die Pulsbreite (Arbeitstaktdauer} bei gleicher Frequenz oder die Frequenz bei gleicher Pulsbreite in Abhängigkeit von der Messspannung varriert werden.

Da sich bei starken Motorströmen die Lade'spannung über dem kapazitiven Speicher der Motornachbildung erheblich schneller ändert als bei schwachen Motorströmen und sich daraus bei einem getakteten Anlegen der Ladespannung an den Schwellwertauslöser bei starken Motorströmen Ungenauigkeiten ergeben könnten, sind vorteilhaft die Arbeitstakte von gleicher Dauer und die Folgefrequenz der Arbeitstakte ist durch eine messspannungsabhängig gesteuerte Taktung dem Motorstrom proportional, wodurch die Ladespannung der Motornachbildung bei starken Motorströmen häufiger an den Schwellwertauslöser gelegt wird als bei schwachen Motorströmen. Zur motorstromabhängigen Taktung des Ladestromes und der von der Motor-Nachbildung abgenommenen Ladespannung kann eine gemeinsame Schalt-

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vorrichtung vorgesehen sein, die von einem von der Messspannung gesteuerten Taktgenerator betätigt ist. Der Taktgenerator kann vorzugsweise aus einem Integrator und einem monostabilen Multivibrator mit Schmitt-Trigger-Eingang bestehen. Zur Verminderung des Einflusses von Leckströmen in der Motor-Nachbildung und in der Schaltvorrichtung auf die Auslösezeit kann die vom"Taktgenerator betätigte Schaltvorrichtung einen Umschalter enthalten, der den Eingang der Motornachbildung in der Arbeitslage an die gesteuerte Ladestromquelle anschliesst und in der' Ruhelage über die resultierenden Leckwiderstände von Schalt- ~ vorrichtung und Motor-Nachbildung an die Auslöseschwellspannung des Auslösers legt, wobei zweckmässig der Fusspunkt des kapazitiven Speichers der Motor-Nachbildung potentialmässig hochgelegt ist. Hierbei kann zum Schutz der Motor-Nachbildung bei Ausfall der Versorgungsspannung an den Fusspunkt des kapazitiven Speichers ein von der Versorgungsspannung gesteuerter elektronischer Schalter angeschlossen sein, über den.sich bei Ausfall der Versorgungsspannung der kapazitive Speicher auf Null-Potential entladen kann«

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für den prinzipiellen Aufbau des elektronischen Motorschutzrelais,

Fig. 2 ein _NBlockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel des Motorschutzrelais, bei dem ein kapazitiver Speicher mit einem dem Quadrat des Motorstromes proportionalen Ladestrom gespeist ist,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für ein anderes Ausführungsbeispiel des Motorschutzrelais, bei dem ebenfalls ein kapazitiver Speicher mit einem dem Quadrat des Motorstromes proportionalen Ladestrom gespeist ist,

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Fig. 4 ein Schaltschema für eine Motor-Nachbildung, einen Sehwellwertauslöser und eine Schaltvorrichtung zur getakteten Speisung der Motor-Nachbildung und zum getakteten Anlegen der Ladespannung der Motor-Nachbildung an den Schwellwertauslöser und

Fig. 5 ein Schaltschema für ein Motorschutzrelais, das " . entsprechend dem Blockschaltbild der Fig.. 3 ausgeführt ist und die Schaltungsanordnung der Fig.4 enthält.

Der prinzipielle Aufbau eines elektronischen Motorschutzrelais nach der Erfindung ist im Blockschaltbild der Fig. 1 ersichtlich. Bei dem gezeigten Drehstrommotor M dienen zur Erfassung des Motorstromes drei an die Phasenleiter R, S, T angeschlossene Stromwandler W, z.B.-Ringkernwandler, die je eine der Stromstärke im betreffenden Phasenleiter proportionale Ausgangsspannung abgeben. Die Ausgangsspannungen der Stromwandler W werden in einer Erfassungsschaltung 2 verstärkt, gleichgerichtet und zu einer Messspannung U„ verarbeitet, die der Summe der drei Strombeträge R, S, T proportional, also proportional dem Motorstrom I,, ist. Die Verarbeitung der drei Ausgangs spannungen zur Messspannung U„ erfolgt vorzugsweise seriell obgleich auch eine parallele Verarbeitung möglich ist. An die Erfassungsschaltung 2 ist das eigentliche Motorschutzrelais 1 angeschlossen. Das Motorschutzrelais 1 enthält eine elektrische Motor-Nachbildung A mit einem kapazitiven Speicher CS, der durch den Ladestrom I_T einer steuerbaren Ladestromquelle 3 gespeist wird. Die steuerbare Ladestromquelle 3 empfängt von der Erfassungsschaltung 2 die Messspannung U^/vX, und liefert einen Ladestrom I_T der über die Messspannung U„ eine Funktion des Motorstromes I,_c, J₇ = f (I_TT), ist, wobei die Funktion f für den Ladestrom so gewählt ist, dass die Ladespannung U_T über dem

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kapazitiven Speicher CS proportional der Motorerwärmung ist. Die Motor-Kachbildung 4 enthält mindestens ein RC-Glied und die Kondensatoren der Nachbildung bilden deren kapazitiven Speicher CS, Wegen der quadratischen Abhängigkeit der Kopferver luste beim" Motor vom -Motorstrom ist zumindest eine Komponente des Ladestromes, bei entsprechender Ausbildung der Motor-Nachbildung der Ladestrom I* proportional zum Quadrat des Motorstromes I.,. Der Motor-Nachbildung 4 folgt ein Schwellwertauslöser, an dessen Ausgang A_v die Wicklung des Schaltrelais oder Schützes A angeschlossen ist. Wenn, sich die Temperatur des Motors M der Grenztemperatur nähert und die Ladespannung Um des kapazitiven Speichers CS die für die Grenztemperatur eingestellte Auslöseschwelle überschreitet,kippt am Ausgang A^ des Sehwellwertauslösers 5 die Spannung z.B. auf Null, so dass die Wicklung des Schaltrelais A entregt wird und die Schaltkontakte a in den Phasenleitern R, S, T geöffnet werden.

Eine vorteilhafte Ausführung des Motorschutzrelais 1 enthält eine aus zwei RC-Gliedern (Fig. 2) bestehende Motor-Nachbildung, bei der durch die beiden Kondensatoren C, und C die Wärmekapazität der Motorwicklung bzw. die Wärmekapazität des Motorständers und mit den beiden Widerständen R-, und R^ der Wärmeübergangswiderstand von der Wicklung zum Ständer bzw. vom Ständer zur Umgebungsluft (Kühlluft) elektrisch nachgebildet ist. Diese Motor-Nachbildung 4, die zur besseren Anpassung an die verschiedenen Motortypen noch weitere RC-Glieder enthalten kann, wird mit einem effektiven Ladestrom I-r gespeist, der dem Quadrat des Motorstromes I.. proportional ist* Bei der in -Fig. 2 gezeigten Ausführung des Motorschutzrelais liefert die steuerbare Ladestromquelle 3 einen zum Quadrat des Motorstromes I„ proportionalen Ladestrom, Iji/IfL Die Ladestromquelle 3 enthält eine Verstärkerschaltung 7 mit im Arbeitsbereich gerader Strom-Spannungskennlinie, der ein Quadrier-

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block 6 vorgeschaltet ist. Im Quadrierblock 6 wird die dem Motorstrom I_M proportionale Messspannung U_M in eine Ausgangsspannung Uj, umgeformt, mit der die Verstärkerschaltung 7 angesteuert ist.

Bei Motorströmen um den Nennstrom I,. lädt sich die Motor-Nachbildung in etwa nach einer e-Funktion auf den Endwert auf, der proportional der Grenztemperatur des Motors ist. Für solche Motorstromstärken sind die Auslösezeiten sehr lange. so kann z.B. bei einem Motorstrom 1,1·Ι_Ν die,Auslösezeit zwei Stunden und mehr betragen. Die Aufladezeit der Motor-Nachbildung 4 nimmt mit abnehmender Stärke des Ladestromes und mit ■ zunehmender Kapazität zu. Aus wirtschaftlichen und technologischen Gründen können für die Motor-Nachbildung jedoch weder Kondensatoren sehr hoher Kapazität noch beliebig hochohmige Widerstände verwendet werden. Um zu langen Aufladezeiten zu kommen, wird daher auf jeden Fall bei dem Schwellwertauslöser die Auslöseschwellspannung möglichst nahe an den Endwert der Ladespannung, d.h. die Auslöseschwelle möglichst weit in den oberen Teil der nach der e-Funktion verlaufenden Ladespannungskennlinie gelegt, wocfctrch gleichzeitig eine bessere Ausnutzung des Motors erreicht wird. Hierbei ist erforderlich, dass weder der Endwert noch die Auslöseschwelle Schwankungen aufweist, die z.B. durch Aenderungen in der Umgebungstemperatur hervorgerufen sein können. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführung ist der Ausgang der steuerbaren Ladestromquelle 3 mit der Motor-Nachbildung 4 und mit dem Steuereingang des Schwellwertauslösers 5 verbunden. Da der Schwellwertauslöser 5 die Motornachbildung 4 nicht belasten darf, ist sein Eingangswiderstand wesentlich grosser, z.B. um den Faktor 100, als der Innenwiderstand der Motornachbildung, der beispielsweise 200 bis 300'MOhm beträgt. Der hohe Eingangswiderstand des Schwellwertauslösers 5 muss zudem möglichst temperaturunabhängig sein.

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-IC-

Zur Impedänswandlung ist bei dem Motorschutz relais"der Fig. 2 " eine Schaltvorrichtung 8 vorgesehen,.deren Schaltstrecke in die Speiseleitung 10 für die Motor-Nachbildung 4 geschaltet ist. Die Schaltvorrichtung 8 ist von einem Taktgenerator 9 betätigt. Der Taktgenerator 9 erzeugt eine Rechteckspannung mit einem Taktverhältnis T„ (Arbeitstakt zu Ruhetakt), das wesentlich kleiner als 1, z.B. 1/2000 ist. Während der Arbeitstakte ist die Schaltstrecke der Schaltvorrichtung 8 leitend und während der Ruhetakte nichtleitend. Durch das getaktete Anlegen der Ladespannung der Motor-Nachbildung 4 an den Schwellwertauslöser 5 wird dessen Eingangswiderstand effektiv , um den reziproken Wert des Tastverhältnisses T^ erhöht und die Motornachbildung 4 entsprechend weniger belastet. Für einen effektiven Eingangswiderstand von z.B. 2 χ 10 0hm kann der Schwellwertauslöser bei einem Taktverhältnis von 1/2000 demnach einen Eingangswiderstand von 10 MOhm haben, was mit handelsüblichen Bauteilen erreichbar ist. Durch die Schaltvorrichtung 8 ist auch der Ladestrom I_T der steuerbaren Ladestromquelle 3 getaktet und für die Speisung der Motor-Nachbildung 4 dem Taktverhältnis T„ entsprechend herabgesetzt, so dass für einen effektiven Ladestrom I_T in der" Grössenordnung

_9 ^h ■ ο-

νο η 10 A die Stromstärke des Ladestroms I₁ in der Grössen-

-6
Ordnung von 10 liegt und für die Ladestromquelle 3 verhä3tnismässigeinfache Schaltungsanordnungen benutzt werden können. Ist eine Taktung des Ladestromes Ij nicht erforderlich, so ist die Schaltstrecke der Schaltvorrichtung 8 in die Eingangsleitung 11 des Schwellwertauslösers 5 geschaltet. Wie in Fig. 2 durch strichlierte Linien angedeutet ist, wirkt der Taktgenerator 9 auch auf den Schwellwertauslösers 5 ein, damit dieser bei nichtleitender Schaltstrecke der Schaltvorrichtung 8 nicht auslöst. Das vorstehend beschriebene Motorschutzrelais eignet sich insbesondere für Motoren, bei denen sich der Motorstrom

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nicht allzusehr ändert. Würde sich der Motorstrom im Verhältnis von z.B. 1 zu 20 ändern, so müsste der Quadrierblock 6 einen Aussteuerbereich von 1 zu 400 aufweisen, wozu ein entsprechend grösserer Aufwand erforderlich wäre. Ein Schutsrelais für Motoren mit grossen Stromänderungen zeigt im Blockschaltbild Fig. 3.

Bei dem Motorschutzrelais der Fig. 3 ist, wie bei der Ausführung nach Fig. 2, der Ausgang der Ladestromquelle 3 mit dem Steuereingang des Schwellwertauslösers 5 und über die Schaltstrecke der Schaltvorrichtung 8 mit der Motor-Nachbildung 4 verbunden. Die Schaltvorrichtung 8 ist vom Taktgenerator 9 gesteuert und durch dessen Taktsignal ist der Schwellwertauslöser 5 für Auslösen gesperrt, wenn die Schaltstrecke der Schaltvorrichtung 8 nichtleitend ist. Die Ladestromquelle 3 besteht bei dieser Ausführung jedoch lediglich aus einer Verstärkerschaltung mit einem von der Messspannung U., angesteuerten Operationsverstärker OV „ und einem Transistor T "zur Erzeugung eines dem Motorstrom I,, proportionalen Ladestromes I-. Ferner ist auch der Taktgenerator 9^f von der Messspannung U_M angesteuert, um eine Rechteckspannung zu erzeugen, deren Arbeitspulse gleicher Pulsbreite in einer dem Motorstrom I„ proportionalen Frequenz aufeinanderfolgen,· so dass das Taktverhältnis T' proportional dem Motorstrom ist. Der effektive Ladestrom Ii für die Motor-Nachbildung 4 ist gleich dem Produkt von Takt verhältnis T¹^I_n und Ladestrom L /vL. und damit

V M - L M

proportional dem Quadrat des Motorstromes Ij,. Für eine Aenderung des effektiven Ladestromes It von 1 zu 400 brauchen bei dieser Ausführung die Verstärkerschaltung der Ladestromquelle 3 und der Taktgenerator 9^r nur einen Aussteuerbereich von je zu 20 haben und der Quadrierblock fehlt gänzlich, so dass neben einer Einsparung an Bauelementen auch eine grössere Genau-

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igkeit gegeben und die thermische Stabilität für das Motorschutzrelais leichter zu erreichen ist, da die Verstärkerschaltung der Ladestromquelle 3, der Taktgenerator 9'' und auch der Schwellwertauslöser 5 ohne Aufwand mit einer Genauigkeit von ungefähr 1% hergestellt werden können. Lediglich bei der Schaltvorrichtung 8, die eine Halbleitervorrichtung ist, und bei der Motor-Nachbildung U sind die temperaturabhängigen, bei höheren Temperaturen die Genauigkeit beeinträchtigenden Leckströme der·Schaltstrecke und der Kondensatoren C,, C„ in Erwägung zu. ziehen. Auftretende Leckströme führen zu di-ner Verfälschung des Endwertes der Aufladung hei der Motor-Nachbildung und bewirken damit eine Aenderung der Auslösezeit. Zur Berücksichtigung.der Leckströme sind im Ersatzschaltbild der Motor-Nachbildung an den (idealen) Kondensator C eine resultierende Leckspannung U_T und ein resultierender Leckwiderstand R_T angeschlossen. Die Summe aller Leckströme versucht über den Leckwiderstand R. die Motor-Nachbildung zur resultierenden Leckspannung U_T zu ziehen.

Der Fehler im Endwert der Aufladung und in der

Auslösezeit wird minimal, wenn die Summe aller Leckströme die Motor-Nachbildung'bei entferntem Entladewiderstand R (s. Ersatzschaltbild) gerade an die Auslöseschwelle U. zieht.

Herleitung: Da wesentliche Aenderungen der Auslösezeit nur bei Motorströmen um 1,1·I^ erwartet werden können, kann im Ersatzschaltbild die Motor-Nachbildung als einfaches RC-Glied, R ,C aufgefasst werden. Der Kondensator C wird von einem Konstantstrom I„ geladen, der so gross ist, dass der Endwert U„ der Aufladung bei unendlichem Leckwiderstand R_T (keine Leckströme) etwas über der Auslöseschwelle U₇. liegt, z.B. U_E = 1,1«U_A.

Bei unendlich grossem Leckwiderstand, R. -

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IS

ist aus -t r

U. = IL. (1-e ^ol *) mit der Zeitkonstanten T*=R C die A Ji» 'XOO

Auslösezeit

hi — A O Λ. Α

Bei endlichem Leckwiderstand R₁. ist der Kondensator C über

L · ο

die Leckspannung U^ auf U = U_L ί^β _ο/^κ _ο ^+κ^) vorgeladen.

RR,
Die Zeitkonstante ist T₀ - __^ . C und

² ΊΓΤΕ ° ,

ο L

R RR

der Endwer.t der Aufladung U_FO = IL ο + ο L I„.

** ^ R +R_T R + R_T ^Λ ο L ο L

Aus U. = U' + (U₁₇₀-U ) (1-e ^; ergibt sich durch Ein-A O Sid. O

setzen von U und U„_o nach Umformung für die Auslösezeit '

O Uli-

_{o2 2} _ _

¹¹O¹E ⁺ R~ ^UL, " R^~~ ^{Ro ^{+ R}L^}

Wird zur Vereinfachung angenommen, dass die Zeitkonstanten gleich sind,Tp = T. (R =0, entfernter Entladewiderstand R ) so sind die Auslösezeiten gleich t -=t _o» wenn U_L - U_A ist.

Die Auslösezeiten ändern sich hierbei analog den effektiven Zeitkonstanten, unabhängig davon,' wie schleichend sich die e-Funktion der Auslöseschwelle nähert.

Eine dementsprechende Schaltung zeigt Fig. 4. Die Umsehaltvorrichtung 8 enthält einen Umschalter US mit dem Leckwiderstand R_TC> d-^er iⁿ ^^er Zeichnung strichliert eingezeichnet ist.

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Per Fusspunkt F der beiden Kondensatoren C, und C„ der Motor-Nachbildung liegt an der Auslösespannung U... Der strichliert gezeichnete Widerstand iL-_c ist der Leckwiderstand der beiden Kondensatoren. Der Entladewiderstand Rp ist geerdet, so dass der Fusspunkt F der Kondensatoren C, und Cp potentialmassig hoch liegt. In der Arbeitslage ζ des Umsehalters US ist der heisseste Punkt P der Motor-Nachbildung mit der Ladestromquelle 3 und dem Steuereingang des Schwellwertauslösers 5 verbunden. In der Ruhelage r des Umschalters US ist der Fusspunkt F der Kondensatoren mit dem Steuereingang(Verbunden, an dem dann die Auslösespannung U. liegt. Die Leckströme wirken demnach in der Art, dass der Schaltungspunkt P spannungsmässig nach der Auslösespannung U. hin gezogen wird. Der Schwellwertauslöser 5 löst aus,· sobald die Spannung am Schaltungspunkt P grosser ist als die Auslösespannung. Damit der Schwellwertauslöser 5 auslösen kann, muss demnach der Ladestrom Ij ,mindestens so gross sein, dass der Spannungsabfall (R₁ +R₂) χ Ι, etwas grosser als die Auslösespannung U. ist. Damit der Schwellwertauslöser 5 in der Ruhelage, r des Umschalters nicht auslöst, erhält in diesen Schaltstellungen sein Schwellspannungseingang zum Sperren eine ausreichend hohe Vorspannung vom Taktgenerator,

Fig. 5 zeigt beispielsweise ein Schaltschema für ein entsprechend den Blockschaltbildern der Fig. 4 und Fig. 5 aufgebautes Motorschutzrelais.

Ueber die Anschlussklemme 12 liegt das Motorschutzrelais an eine Versorgungsspanne U„ von z.B. 20 Volt unstabilisierter Gleichspannung. Aus der Versorgungsspannung Uy ist mittels eines Widerstandes R„, zwei Referenzdioden ZD,, ZD _? und ■ eines Glättungskondensators C₃ eine stabilisierte Referenzspannung U „ abgeleitet und an den Versorgungsleiter 15 gelegt. An den Eingangsklemmen 13, 14 liegt die Messspannung U„. Der

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fS

Taktgenerator 9 besteht aus einem Integrator 16 mit Rückstellung und einem monostabilen Multivibrator 17 mit Schmitt-Trigger-Eingang. Der Integrator 16 enthält einen Operationsverstärker OV^, an dessen Plus-Eingang die Referenzspannung U „ und an dessen Minus-Eingang über einen Widerstand R. die Messspannung IL- gelegt ist. An den Minus-Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers OV, ist ein Kondensator C. angeschlossen, der mit der Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors T, überbrückt ist. Der monostabile Multivibrator 17 enthält ebenfalls einen Operationsverstärker OVp, an dessen Plus-Eingang die Referenzspannung U „ liegt. Der Minus-Eingang dieses Operationsverstärkers OVp ist über einen Widerstand R^ mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OV, und über ein Trimm-Potentiometer R_c und einen Kondensator mit dem Kollektor

eines Transistors Tg verbunden. Der Basisspannungsteiler Rq, R₁₀ dieses Transistors Tp ist an den Ausgang des Operationsverstärkers OVp angeschlossen. Der Basisspannungsteiler R₇, R_ß. für den Transistor T, des Integrators 16 liegt an der Anschlussklemme 12 für die Versorgungsspannung U,_r und am Kollektor des Transistors T_? des Multivibrators, wodurch die Rückstellung für den Operationsverstärker OVlgegeben ist. Bei gesperrtem Transistor T, ändert sich die Ausgangsspannung des Integrators 16 zeitlinear mit einer Steigung, die proportional der Messspannung und damit proportional dem Motorstrom I^ ist. Erreicht die Ausgangsspannung die Ansprechschwelle beim Operationsverstärker OVp so gibt dieser einen Impuls (Arbeitstakt) konstanter Pulsbreite ab, mit dem über den Transistor T_? der Transistor T, leitend geschaltet und der Integrator zurückgestellt wird. Die Zeitdauer zwischen zwei Impulsen ist der Messspannung U„ und damit dem Motorstrom I„ indirekt proportional. Bei dem Taktgenerator ändert sich demnach bei konstanter Pulsbreite die Frequenz mit dem Motorstrom L·.. Das Trimm-Potentiometer Rg dient

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zur Eichung des Motorschutzrelais. Der Ausgang des Taktgenerators 9' ist entsprechend Fig. 3 mit der Schaltvorrichtung 8 und dem Schwellwertauslöser 5 verbunden, welche Schaltungsteile in Fig. 5 durch strichlierte Umrandungen bezeichnet sind. Die Schaltvorrichtung 8 enthält als Umschalter einen Feldeffekt-Transistor T- in Kombination mit einer Diode D„ für die Ruhelage (Fig. 4). Der Kollektor des Transistors T der Ladestromquelle 3 (Fig. 3) ist über die Quellen-Abflussstrecke des Feldeffekt-Transistors T. mit dem Schaltungspunkt P der Motor-Nachbildung^iFig. 4) verbunden und die Quellenelektrode liegt über die Diode Dp und einen Widerstand R,, am einen Eingang des Schwellwertauslösers.5.

Der Schwellwertauslöser 5 besteht aus einem Operationsverstärker OV 4, dessen Minus-Eingang an den Kollektor des Transistors T₃ der Ladestromquelle 3 und an die Quellenelektrode des Felfeffekt-Transistors T. angeschlossen ist. Der Plus-Eingang liegt über den Widerstand R-i-i an einen Spannungsteiler R,p, R,₃ R ₁₁₊ zur Erzeugung der Schwellwertspannung U* und ist über einen Widerstand R, ^ mit dem Ausgang des Taktgenerators 9¹ verbunden". Der Ausgang des Operationsverstärkers OV. ist über eine Diode D_ und einen verstellbaren Widerstand R._r

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auf den Plus-Eingang rückgekoppelt. Sobald bei leitendem Feldeffekt-Transistor T. (Arbeitstakt) die Spannung am Schaltungspunkt P der Motornachbildung die Schwellwertspannung U^ erreicht hat, schaltet der Operationsverstärker OV. durch, wobei seine Ausgangsspannung auf 0 kippt und das Relais A (Fig. 1) entregt wird. Ueber die damit wirksam werdende positive Rückkopplung wird der- Operationsverstärker OV₄ in dieser Umschaltlage „festgehalten, wobei die Einstellung des Wiedereinschalt-Zeitpunktes durch den Widerstand R,_g eingestellt wird. Während der Ruhetakte liegt am Plus-Eingang des Operationsverstärkers OV4 über den Widerstand R₁₅ die positive Sperrspannung des

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Feldeffekt-Transistors T., so dass der Operationsverstärker nur bei einem Arbeitstakt, d.h. bei leitendem Feldeffekt-

Transistor T auf Auslösen schalten kann.

Der Fusspunkt F der Kondensatoren C,, C_? der Motor-Nachbildung 4 liegt über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors T,- am Widerstand R, . des Spannungsteilers R-i_?» R," , R, . und damit niedriger als auf Aus löse spannung U.. Damit wird verhindert, dass sich bei Ausfall der Versorgungsspannung auf eine zum Auslösen ausreichende Spannung umladen, was der Fall wäre, wenn der Fusspunkt F auf Auslösespannung liegen würde. Bei Ausfall der Versorgungsspannung entladen sich die Kondensatoren G, und Cp der Motor-Nachbildung 4 über den Transistor T₅ auf Null. Dieser Transistor T₅ schützt demnach die Motor-rNachbildung bei Ausfall der Versorgungsspannung und zudem kann bei Ausfall auch der Motor abgestellt werden, so dass sich beim Wiedereinschalten die regulären Anfangsbedingungen bei der Motor-Nachbildung ergeben.

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Claims

Pat entansprüche

ί 1.!Elektronisches Motorschutzrelais mit stromabhängiger Auslosung, welches von einer dem Motorstrom proportionalen Messspahnung angesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass
eine das Erwärmungsverhalten des Motors (M) durch den Ladevorgang eines kapazitiven Speichers (CS) wiedergebende elektri- ~ sehe Motor-Nachbildung (4) von einer mit der Messspannung (U,,) gesteuerten Ladestromquelle (3) mit einem Ladestrom (I^ ), der
über die Messspannung (U_M) eine Funktion des Motorstromes (1^) ist, gespeist und die Ladespannung |um) über dem kapazitiven
■Speicher (CS) der Motor-Nachbildung (4) an den St euer eingang
eines Schwellwertauslösers (5) gelegt ist, der die Abschaltung des Motorstromes auslöst, sobald die Ladespannung (IL;) die
Auslöseschwelle (Ua) überschreitet.
2. Motorschutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom (Ij = f) (I**-) der gesteuerten
Ladestromquelle (3) getaktet und die Motor-Nachbildung (4) mit einem effektiven Ladestrom (ΐί) gespeist ist, der gleich dem
Produkt von Ladestrom (I₁-) und Taktverhältnis (Ty) ist.
3. Motorschutzrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Taktung des Ladestromes (I,) die Dauer
des Arbeitstaktes wesentlich kürzer als die Dauer des Ruhetaktes und das Taktverhältnis (T^ <ξΊ) konstant ist, und die Motor-Nachbildung(4) mit einem dem Ladestrom (I =f(I_M)) proportionalen und entsprechend dem faktverhältnis (Τ^^-Ί) reduzierten effektiven Ladestrom (l£-~T_v«f(!„)) gespeist ist.

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4. Motorschutzrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom (Ιγ-f(Xw)) der gesteuerten Ladestromquelle (3) mit einem der Messspannung (IL.) proportionalen" Takt verhältnis T„^U„) getaktet und die Motor-Nachbildung (4) mit einem über das Taktverhältnis (T_V,>,IL.) und die Messspannung (U„) dem Produkt von Motorstrom (Im) und Ladestrom (It) proportionalen effektiven Ladestrom (lt^I_M«f (L·)). gespeist ist. .
5. Motorschutzrelais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet _r dass bei der messspannungsproportionalen Taktung des Ladestromes der gesteuerten Ladestromquelle (3) dieDauer der Arbeitstakte konstant und die Frequenz der Taktung proportional der Messspannung (U„) ist.
6. Motorschutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladespannung (IL₁) des kapazitiven Speichers (CS) der Motor-Nachbildung (4) getaktet an den Auslöser (5) gelegt ist, wobei die Dauer der Arbeitstakte -wesentlich kürzer als die Dauer der Ruhetakte und die Belastung der Motor-Nach- · bildung (4) entsprechend dem Taktverhältnis (T_V<^1) verringert ist.
7. Motorschutzrelais nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem getakteten Anlegen der^Ladespannung (Um) des kapazitiven Speichers (CS) an den Auslöser (5) die Dauer der Arbeitstakte konstant und die Frequenz der Taktung proportional der Messspannung (U**) ist und über die messspannungsproportionale Taktung die Ladespannung (IL.) der Motor-Nachbildung (4) an den Auslöser (5) bei stärkeren Motorströmen (I„) häufiger angelegt wird als bei schwächeren Motorströmen.
8. Motorschutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Motor-Nachbildung (4) mit einem dem Quadrat des Motorstromes (I«) proportionalen Ladestrom gespeist ist.

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9* Motorschutzrelais nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Stromquelle (3) eine Verstärkerschaltung (7) mit im Arbeitsbereich gerader Strom-Spannungskennlinie und einen die Messspannung (U^) quadrierenden Quadrierblock (6) enthält, mit dessen Ausgangsspannung (U^J die Verstärkerschaltung (T) gesteuert ist.
10. Motorschutzrelais nach den Ansprüchen 3, 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Quadrat des Motorstromes

I 2.x

proportionale Ladestrom (Ij^x-LJ der gesteuerten Ladestromquelle (3) die Motor-Nachbildung (4) über die Schaltstrecke einer von einem selbstschwingenden Taktgenerator (9) gesteuerten Schaltvorrichtung (8) speist und die Ladespannung (IL₁) der Motor-Nachbildung (4) über die gleiche Schaltstrecke getaktet an den Auslöser (5) gelegt ist, wobei der Auslöser (5) durch die Taktimpulse des Taktgenerators (9) bei nichtleitender Schaltstrecke für ein Auslösen der Motorstromabschaltung gesperrt ist (Fig. 2).
11. Motorschutzrelais nach den Ansprüchen 4, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Stromquelle (3) aus einer von der Messspannung angesteuerten Verstärkerschaltung (7) mit im Arbeitsbereich gerader Strom-Spannungskennlinie besteht, deren Ladestrom (I_T) über die Messspannung (U_M) dem

JLj Al

Motorstrom proportional ist, dass der Ladestrom (ij'-v-Lj der gesteuerten Ladestromquelle (3) durch die Schaltstrecke einer von einem mit der Messspannung (U_M) gesteuerten Taktgenerator (9) betätigten Schaltvorrichtung (8), deren Schaltfrequenz proportional der Messspannung (UvJ ist, getaktet und die Motor-Nachbildung (4) mit einem dem Quadrat des Motorstromes (LJ

' / + · 2 proportionalen effektiven Ladestrom (I, '"^LJ gespeist ist, und dass die Ladespannung (U„) der Motor-Nachbildung (4) über die gleiche Schaltstrecke getaktet an den Auslöser (5) gelegt

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ist, wobei der Auslöser (5) durch die Taktimpulse des Taktgenerators (9) bei nichtleitender Schaltstrecke für ein Auslösen der Motorstromabschaltung gesperrt ist.
12. Motorschutzrelais nach Anspruch 11^ dadurch gekennzeichnet, dass der Taktgenerator (9) einen Integrator (10) für die Messspannung (U,J und einen monostabilen Multivibrator ^N (11) enthält, der vom Integrator (10) angesteuert Schaltimpulse einheitlicher Dauer in einer der Messspannung (U,,) proportionalen Folgefrequenz an die Schaltvorrichtung (8) liefert.
13. Motorschutzrelais nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Ladestromquelle (3) aus einem Operationsverstärker (OV,,) und einem Transistor (T~) besteht, dessen Basis an den Ausgang des Operationsverstärkers (0V₀) angeschlossen ist.
14. Motorschutzrelais nach Anspruch 1, und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elekti-ische Motor-Nachbildung (4) zwei RC-Glieder (R-, ,C, ; Rp,Cp) enthält, wobei bei dem einen RC-Glied mit dem Kondensator (C,) die Wärmekapazität der Kupferwicklung des Motors und mit dem Widerstand (R-. ) der Wärmeübergangswiderstand von Motorwicklung zu Motorständer und bei dem anderen RC-Glied mit dem Kondensator (C_?) die Wärmekapazität des Ständers und mit dem Widerstand (R₂) der Wärmeübergangswiderstand von Motorständer zur Kühlluft erfasst ist.
15. Motorschutzrelais nach den Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verminderung des Einflusses von Leckstrcmen der Motor-Nachbildung und der Schaltvorrichtung auf die Auslösezeit die vom Taktgeber (9) betätigte Schaltvorrichtung (8) einen Umschalter (US) enthält, der den Eingang (P) der Motor-Nachbildung (4) in der Arbeitslage an die gesteuerte Ladestromquelle (3) anschliesst und in der Ruhelage über die Leckwiderstände (R_LS, R_L„) von Schaltvorrichtung

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(8) und Motor-Nachbildung (4) -an die Auslöse-Schwellspannung (U. ι des Auslösers (5) legt, wobei der Fusspunkt'der Kondensatoren (C₁, C) der Motor-Nachbildung (4) potentialmässig hochgelegt ist und der Auslöser (5) auslöst, sobald die Spannung am Eingang (P) der Motor-Nachbildung (4) grosser ist als die Auslöse-Schwellspannung (U,,).
16. Motorschutzrelais nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vom .Taktgenerator (9) betätigte Schaltvorrichtung (8) einen Feldeffekt-Transistor (T^) enthält, dessen Quellen-Abflussstrecke den Eingang (P) der Motor-Nachbildung (4) mit der gesteuerten Ladestromquelle (3) verbindet und dessen Quellenelektrode über eine die Ruhelage des Umschalters bestimmende Diode (D₀) mit dem Steuereingang des Auslösers (5) verbunden ist.
17. Motorschutzrelais nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an den Fusspunkt der Motor-Nachbildung (4) eine durch die Versorgungsspannung (U-y) des Schutzrelais gesteuerter Transistor (T₁-) angeschlossen ist, über den sich die Kondensatoren (C,, Cp) der Motor-Nachbildung (4) bei Ausfall der Versorgungsspannung (U^) entladen,
18. Motorschutzrelais nach den Ansprüchen 11 bris-17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertauslöser (5) aus einem Operationsverstärker (OV.) besteht, dessen Ausgang (Ay) auf den mit der Auslösespannung "belegten Eingang über eine Rückführung mit einem einstellbaren Widerstand (ß,,) zum Einstellen der Wiedereinschaltzeit verbunden ist.

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