DE2624785A1

DE2624785A1 - Elektrische schutzschaltung

Info

Publication number: DE2624785A1
Application number: DE19762624785
Authority: DE
Inventors: Wardell Gary; Donald S Kimmel; Glenn R Taylor
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-06-02
Filing date: 1976-06-02
Publication date: 1976-12-16
Also published as: AU500676B2; SE419389B; AU1408576A; FR2313791A1; BR7603424A; CA1077614A; DE2624785C2; ES448412A1; FR2313791B1; GB1552781A; ZA762980B; US4021703A; IT1080549B; BE842349A; CH600643A5; JPS5931284B2; SE7606099L; JPS51147738A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzschaltung mit Einrichtungen zur Feststellung der Phasenungleichheit zwischen Spannungen bzw. der· Welligkeit einer Spannung, bei welcher die Eingangsklemmen eines Impuls· generators mit einer spannungsveränderlichen amplitudenliefernden Gleichspannungsquelle verbunden sind und ferner der Impulsgenerator anzeigenseitig mit einem Impulsakkumulator in Verbindung steht, der die empfangenen Impulse aufzählt,und mit einem Signalgenerator, der ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von einer bestimmten aufgezählten Impiilsznhl liefert.

Es sind Netzwerke bzw. Logikmodule zur Feststellung der Phasenungleichheit bekannt, welche zum Schutz von Dreiphasenlasten, z. H. einem Motor, dazu benutzt werden, einen Trennschalter auszulösen, wenn eine Phase ausfällt. Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn Einrichtungen vor-

Fs/mü banden sind,

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handen sind, die die Unterschiede bei ungleichen Phasenströmen feststellen können, insbesondere wenn der abweichende Phasenstrom nicht auf Null geht. In diesem Zusammenhang wäre auch ein Welligkeitsdetektor vorteilhaft, der die Welligkeit bezüglich einer Spitzenspannung in einem Verhältnis zur Spitzenspannung angibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schutzschaltung zu schaffen, die Einrichtungen umfaßt, mit welchen die Phasenungleichheit einander zugeordneter Phasenströme bzw. die Welligkeit einer Spannung festgestellt werden kann um daraus ein Auslösesignal zur Betätigung eines Trennschalters abzuleiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Impulsgenerator einen Welligkeitsdetektor zur Ermittlung der prozentualenWelligkeit der an die Eingangsklemmen angelegten Gleichspannung umfaßt, daß der Welligkeitsdetektor einen kollektorseitig mit einer Eingangsklemme verbundenen Transistor enthält, der basisseitig über einen Spannungsteiler von einem als Spit/.enspannungsteiler dienenden und zwischen die Eingangsklemmen geschalteten Kondensator aus ansteuerbar ist, wobei die eine Seite des Kondensators und des Spannungsteilers über eine in Richtung zur negativen Eingangsklemme leitende Diode an die negative; Eingangskiemine angeschlossen ist, und daß die Vorspannungsverhältnisse am Transistor derart eingestellt sind, daß der Transistor bei einer unter einem bestimmten Schwellwert liegenden Spannung im einen Leitfähigkeitszustand keinen Impuls und bei einer über dem bestimmten Schwellwert liegenden Welligkeit im entgegengesetzten Leitfähigkeitszustand einen Steuerimpuls liefert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

- 2- Die

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Die Lösung gemäß der Erfindung umfaßt einen Welligkeitsdetektor, der hol mehrphasigen Schaltkreisen einsetzbar ist, um die Welligkeit in Abhängigkeit vom Spitzenstrom zu einem gegebenen Zeitpunkt festzustellen. Der bei dvv erfindungsgemäßen Schaltung verwendete Spitzenspannungsspeicher hat eine verhältnismäßig lange Speicherzeit und liefert über einen Spannungsteiler eine Spannung, die proportional zu einem Prozentsatz der im Spannungsspeicher gespeicherten Spitzenspannung ist. Ein Transistor liegt mit seiner Kollektor-Emitterstrecke an der Spannungsversorgung und wird an der Basis vom Spannungsteiler mit dem bestimmten Prozentsatz der Spitzenspannung beaufschlagt. Die untere Seite des Spannungsteilers und des Spannungsspeichers ist zusammengeschaltet und über eine Diode sowohl an die Emitterklemme des Transistors als auch an die negative Spannungsversorgung angeschlossen. Wenn die Spannung zurückgeht, d. h. wenn die Welligkeit ein Wellental durchläuft, wird der Emitter positiver als die Spannung auf der zugeordneten Seite des Speicherkondensators, so daß die Diode in Sperrichtung vorgespannt wird. Bei extremer Welligkeit, d.h. einem verhältnismäßig niederen Spannungswert, im Wellental, wird die Emitterspannung größer als die an der Basis wirksame Spannung, so daß der Transistor in den nicht leitenden Zustand geschaltet wird. Die Zustandsänderung des Transistors bringt somit eine Anzeige für die Größe der Welligkeit, die ihrerseits eine Anzeige einer Phasenungleichheit bzw. eines Phasenausfalles ist. Auf diese Weise kann ein Welligkeits detektor zur Steuerung eines Trennschalters Verwendung finden, wenn eine Phasenungleichheit auftritt. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Umschaltung des Transistors infolge der Welligkeit zur Erzeugung einer Folge von Impulsen verwandt, die in einem Impulsakkumulator gespeichert werden, um beim Erreichen einer bestimmten Anzahl von Impulsen ein Auslösesignal für den Trennschalter bzw. ein Anzeigesignal für die Anzeigestufe zu verursachen.

- 3 - Die Vo r-

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Die Vorteile und Merkmale_% der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Schutzschaltung für ein Dreiphasensystem

unter Verwendung eines Logikmoduls zur Feststellung dor Phasenungleichheit;

Fig. 2 eine elektrische Schutzschaltung für ein Einphasensystem

unter Verwendung eines Welligkeitsdetektors;

Fig. 3 das Schaltbild des Logikmoduls für die Phasenungleichheit

gemäß Fig. 1 und des Welligkeitsdetektors gemäß Fig. 2;

Fig. 3A ein Welligkeitsdetektor für die Schaltung gemäß Fig. 3,

wobei ein PNP-Transistor anstelle eines NPN-Transistors Verwendung findet;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer elektrischen Schutzschaltung für ein Dreiphasensystem unter Verwendung eines Spannungsfühlers anstelle des bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 verwendeten Stromfühlers.

In Fig. 1 ist eine elektrische Schutzschaltung für ein Dreiphasensystem mit den Phasenleitungen Ll, L2 und L3 beschrieben, bei der von einer Dreiphasenstromquelle aus ein Verbraucher über einen Trennschalter und Stromfühler 12 gespeist wird. Der über die einzelnen Phasenleitungen fließende Strom ist mit IL bezeichnet. Am Ausgang des Stromfühlers 12 ist an den Ausgangsklemmen 14 und 16 eine grundsätzlich dem Strom IL proportionale Spannung abgreifbar. Im bevorzugten Arbeitsbetrieb fließt über alle drei Phasenleitungen in etwa der gleiche Phasenstrom IL, wobei

_ 4 _ die

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die Phasenströme gegeneinander um 120 phasenverschoben sind. Unter diesen Betriebsbedingungen ist das an den Ausgangsklemmen 14 und 16 liegende Ausgangssignal im wesentlichen eine gleichgerichtete, jedoch nicht stabilisierte Gleichspannung. Nach der Gleichrichtung und wenn die einzelnen Phasenkreise untereinander ausgeglichen und in der richtigen Phasenlage zueinander stehen, erhält man sechs Spannungsspitzen und sechs Spannungstäler pro Spannungszyklus zwischen den Ausgangsklemmen 14 und 16. Daher existiert typischerweise ein voraussagbarer Prozentsatz an Welligkeit für die zwischen den Ausgangsklemmen 14 und 16 auftretende Spannung. Bei einem gut ausgeglichenen System liegt dieser Prozentsatz bei etwa 4 % bis 5 %. Diese unstabilisierte Spannung wird an verschiedene Funktionsmoduls 19 angelegt, die parallel zueinander an die Klemmen 14 und 16 angeschlossen sind. Einige dieser Funktionsmoduls können über Ausgangsleitungen an eine Steuerleitung 40 für den Steuerschalter 42 angeschlossen sein, um über den Steuerschalter 42 und eine Ansteuerleitung 44 Auslösesignale an den Trennschalter 45 in Abhängigkeit von bestimmten Strom- und/oder Spannungsverhältnissen oder Phasenzuordnungen bzw. einer Phasenungleichheit anzulegen. Es ist auch ein Netzwerk bzw. ein Logikmodul 30^J für die Phasenungleichheit vorgesehen, dem eine Anzeige A und eine Ausgangsleitung 30a' zugeordnet ist. Die elektrischen Eigenschaften dieses Netzwerkes werden nachfolgend anhand der Fig. 3 erläutert. Das Logikmodul bzw. das Netzwerk für die Phasenungleichheit verursacht eine Auslösung bzw. Betätigung des Trennschalters 45, indem ein Signal an den Trennschalter, über den Steuerschalter 42 beim Vorhandensein einer bestimmten Phasenungleichheit /wischen den in den Phasenleitungen Ll, L2 und L3 fließenden Strömen IL übertragen wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der !Erfindung wird bei einer Phasenungleichheit, die durch eine 20 %ige Welligkeit repräsentiert wird, der Trennschalter betätigt, vorausgesetzt, d.iß die Phasenungleichheit lange genug, d. h. etwa vier oder fünf Perioden, dauert. In der Zeichnung sind auch Anschlußklemmen 36 und 3H gezeigt, an welche

- 5 - weitere

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weitere nicht dargestellte-Module angeschlossen werden können, um bestimmte Funktionen in Abhängkeit von der zwischen den Ausgangsklemmen 14 und 16 wirksamen Spannung auszuführen.

In Fig. 2 ist ein entsprechender Schaltungsaufbau für ein Einphasensystem dargestellt, bei dem ein Strom IL' über die Leitung Ll* von der Stromquelle über den Trennschalter 45' und den Stromfühler 12' fließt. Der Stromfühler 12' hat ebenfalls Ausgangsklemmen 14 und 16, zwischen denen eine dem Strom IL' auf der Leitung Ll' proportionale Spannung V" anliegt. Mit den Anschlußklemmen 14 und 16 ist ein Funktionsmodul 19* verbunden, das bestimmte elektrische Charakteristiken in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung mißt und entsprechend ein Signal über den Steuerschalter an den Trennschalter 45' zum Öffnen dieses Schalters anlegen kann. Bei dieser weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Netzwerk für die Phasenungleichheit 30' in Form eines Welligkeitsdetektors 30* * ausgeführt sein, der über die Leitung 30a* * und die Leitung 40. den Steuerschalter 42 und damit den Trennschalter 45* betätigen kann. Dieser Welligkeitsdetektor 30'' kann grundsätzlich in derselben Weise wie das Netzwerk für die Phasenungleichheit 30* gemäß Fig. 1 ausge staltet sein, wie aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Fig. 3 hervorgeht.

Diese Fig. 3 zeigt eine Schaltung bzw. ein Netzwerk, wie es für das Logik -modul zum Feststellen, dor Phasenungleichheit bzw. für den Welligkeitsdetektor in vorteilhafter Weise Verwendung finden kann. Die Schaltung gemäß Fig. 3 hat eine positive Eingangsklemme, eine negative Eingangs- klemme und eine Ausgangsklemme für das Auslösesignal. Die positive und die negative Eingangsklemme können an die Ausgangsklemmen 14 und 16 des Stromfühlers 12 angeschlossen sein. Die Ausgangskiemme für das Auslösesignal ist mit der Leitung 30a* gemäß Fig. loder 30a'* gemäß Fig. 2 verbunden. Die Anzeigeschaltung A ist auf der rechten Seite der

- 6 - Fig. 3 ge-

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Fig. 3 gezeigt. Mit der positiven Eingangsklemme ist die eine Seite eines Kondensators Cl verbunden und ebenso ein Widerstand Rl sowie eine Diode D2 und ein weiterer Widerstand R 10.Der Widerstand Rl kann der eine Widerstand eines Spannungsteilernetzwerkes aus zwei Widerständen sein, wobei der zweite Widerstand mit R3 bezeichnet ist. Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände Rl und R3 und der Basis eines Transistors Ql liegt der Widerstand R2. Die Serienschaltung der beiden Widerstände Rl und R3 liegt parallel zu dem Kondensator Cl, dessen zweite Seite ferner mit der Anode der Diode Dl verbunden ist. Der Emitter des Transistors Ql liegt an der Kathode der Diode Dl und zusammen mit dieser an der gemeinsamen Bezugsleitung 50, die mit der negativen Eingangs klemme in Verbindung steht. Der Kollektor des NPN-Transistors Ql ist an einen Widerstand R4 angeschlossen und liegt gleichzeitig an der einen Seite eines Kondensators C2 sowie an der Kathodenseite einer Zenerdiode D3. Die Anode dieser Zenerdiode liegt an der Bezugsleitung 50. Der Widerstand R4 ist mit seiner anderen Seite an die Kathode der Diode D2 angeschlossen, die außerdem an der einen Seite des Kondensators C7 liegt, der mit seiner anderen Seite ebenfalls an die Bezugsleitung 50 angeschlossen ist. Die zweite Seite des Kondensators C2 liegt an der Anode der Diode Df) und der Kathode der Diode D4. Die Anode der Diode D4 liegt über den Widerstand R5 an der Bezugsleitung 50. Die Kathode der Diode D5 ist über den Widerstand RG an die Bezugsleitung 50 angeschlossen, zu dem der Kondensator C3 parallel liegt. Ferner liegt die Kathode der Diode D5 über einen Widerstand R7 an einem Kondensator C4 und der Anode einer Diode D(i. Die Kathode dieser Diode liegt am Emitter eines PNP-Transistors 'i'l, dessen Basis mit der anderen Seite des Kondensators C4,dem Kollektor eines NPN-Transistors Q3 und der einen Seite eines Widerstandes R9 in Verbindung steht. Die Basis des NPN-Transistors Q3 ist mit dem Kollektor des PNP-Transistors Q2 verbunden. Damit stellen die beiden Transistoren O2 und Q3 einen aus komplementären Elementen aufgebauten Verstärker dar. Der Einitter des Transistors Q3 ist über den Widerstand R8 an die Bezugsleitung 50 ange-

7 schlossen

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BAD ORJGlNAL

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schlossen und liegt ferneran einem Widerstand Rl2 sowie an der einen Seite des Kondensators C5 und an der Kathode einer lichtemittierende!! Diode LED 2 sowie an der Anode einer Diode Dl3. Die Kathode der Diode E:3 ist mit der Ausgangsklemme für das Auslösesignal verbunden. Der Widerstand Rl2 liegt parallel zum Kondensator C5 und steht gleichzeitig ■ iii ck-r Kathode der Diode D9 und der Anode eines Unijunction-Transistors ·">* in Verbindung. Das Tor des Unijunction-Transistors Q4 ist mit. dem Widerstand R9, der Anode der Diode D7 und der Kathode der Diode DlO verbunden. Die Kathode der Diode D7 liegt über einerin der gleichen Polarität geschalteten Diode DB an der Anode der Diode D9. Das Tor des Unijunction Transistors Q4 ist ferner mit der einen Seite des Kondensators C(5 verbunden, dessen andere Seite an der Bezugsleitung 50 liegt. Die Ausgangsseite bzw. die Kathodenseiie des Unijunction-Transistors Q4 ist an dir Anode der lichtemittierenden Diode LED2 angeschlossen. Die Anode dor Diode DlO liegt am Verbindungspunkt des Widerstandes RIO mit der Diode Dl 1 und steht kathodenseitig mit dem Tor des Unijunction-Transistors Q4 in Verbindung. Die Zenerdiode DIl liegt mit ihrer Kathode an der Bezugslrilung 50. Die lichtemittierende Diode LED2 stellt die eine Seite eines lichtgekoppelten Elementes mit einem lichtempfindlichen Halbleiterthyristor SCRl dar. Das Tor dieses Thyristors liegt über einen Widerstand Rl 1 an eier Kathodenseite dieses Transistors und ferner an der Stromversorgung, wogegen der anodenseitige Anschluß des Thyristors über eine lichtemittierende Diode LEDl an einem Widerstand R12 und über diesen an der Stromversorgung liegt. Anstelle des Thyristors kann auch ein Triac Verwendung finden. Der Widerstand Rl 2, die lichtemittierende Diode LEDl sowie das lichtgekoppelte Element LCP und der Widerstand RIl bilden die Anzeigestufe A gemäß Fig. 1 und 2.

Die Widerstände Rl, R2 und R3, der Kondensator Cl, die Diode Dl und der Transistor Ql umfassen das Netzwerk des Welligkeitsdetektors RDN. Der Widerstand R6, die Kondensatoren C2 und C3 und die Diode D5 ergeben

zusammen

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zusammen ein Impuls-Akkumulatornetzwerk PAN. Die Funktionsweise des Welligkeitsdetektors RDN, des Impuls -Akkumulatornetzwerkes PAN und der Anzeigestufe A werden nachfolgend noch erläutert.

In Fig. 3A ist eine andere Ausführungsform eines Welligkeitsdetektors RDN' dargestellt, der einen NPN-Transistor Q1^J anstelle eines PNP-Transistors verwendet. Die Anode einer Diode Dl' und der Emitter des Transistors Ql* sind mit der positiven Eingangsklemme verbunden. Die Kathode der Diode Dl' ist über die Serienschaltung des Widerstandes Rl' und R3' mit der negativen Eingangsklemme verbunden. Parallel zu diesen Widerständen liegt der Kondensator Cl'. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände Rl' und R3' ist über den Widerstand R2' an die Basis des Transistors Ql' angeschlossen, dessen Kollektor über einen Widerstand 114' und R4a' an der negativen Eingangsklemme liegt. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände R4' und R4a' liegt an der einen Seite des Kondensators C2, der dem Kondensator C2 gemäß Fig. 3 entspricht.

Anhand der Fig. 3 kann man entnehmen, daß eine zwischen die positive und negative Eingangsklemme angelegte Gleichspannung, z. B. von 1 0 V, eine Anfangs reaktion auslöst. Zunächst wird der Kondensator C7 über die Diode D2 auf einen Wert von etwa 8 bis 10 V aufgeladen. Ferner stellt sich an der Zenerdiode DIl der Spannungsabfall von 6,8 V aufgrund der an die Eingangsklemmen angelegten Spannung ein. Über den Widerstand RIO, die Diode 10 fließt ein Strom zum Kondensator C6, der diesen etwa auf die Spannung von 6,8 V auflädt. Die Diode DlO verhindert, daß sich der Kondensator C6 über die Zenerdiode DIl entlädt. Mit Hilfe des Kondensators C6 wird an dem Tor des Unijunction-Transistors Q4 eine Spannung aufrechterhalten. Ferner bewirkt der Kondensator C6 eine Spannung über die Dioden D7, D8 und D9 sowie den parallel zum Widerstand 12 geschalteten Kondensator C5 und den Widerstand R8. Dadurch wird die Anode

- 9 - des

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des programmierbaren .Unijunction-Transistors Q4 auf einem Spaiinungswert gehalten, der kleiner als die Spannung am Tor ist. Durch das Vorhandensein der drei Dioden D7, D8 und D9 wird ein Spannungsabfall von Ij 5 V zwischen dem Tor und der Anode des Unijunction-Transistors Q4 aufrechterhalten. Bei diesen Spannungsverhältnissen bleibt der Unijunction-Transistor Q4 im abgeschalteten Zustand, so daß kein nennenswerter Strom kathodenseitig abfließen kann. Der Kondensator CG bewegt ferner eine Vorspannung an der Basis des Transistors Q2. Unter normalen Betriebsbedingungen, d.h. wenn die Welligkeit der Gleichstromspannung zwischen den Ausgangsklemmen 14 und 16 verhältnismäßig klein ist, ist das komplementär geschaltete Transistorpaar Q2 und Q3 im nicht leitenden Zustand. Der Widerstand R12,der parallel zum Kondensator C5 liegt, dient als Entladewiderstand für diesen Kondensator. Der Widerstand R8 dient der Rauschentkopplung, um von der Ausgangs klemme für das Auslösesignal unerwünschte und gegebenenfalls eine Auslösung verursachende Störsignale fernzuhalten. Auch der Kondensator C4 dient der Rauschunterdrückung, und zwar für das komplementäre Transistorpaar O2 und Q3. In der Regel ist die sich an dem Kondensator C3 während geringer Welligkeit aufbauende Spannung kleiner als

die Spannung an der Basis des Transistors Q2. Dies bedeutet, daß das komplementäre Transistorpaar Q2 und Q3 sich während verhältnismäßig geringer Welligkeit der Ausgangs spannung im nicht leitenden Zustand befindet. Wenn man annimmt, daß die an der positiven und negativen Eingangs klemme anliegende Gleichspannung eine Welligkeit von etwa 4 % hat, dann wird sich der Kondensator Cl über die Diode Dl beispielsweise auf eine Spitzenspannung von etwa 10 V aufladen. Im allgemeinen wird der Kondensator auch bei nachfolgenden, durch die Welligkeit bedingten höheren und niederen Spannungswerten den Spitzenspantningswert beibehalten. Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat der Kondensator Cl zusammen mit den Widerständen Rl und R3 eine Zeitkonstante von etwa 60 Millisekunden. Die Widerstände Rl und R3, die

- 10 - als Spannungs-

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als Spannungsteiler wirksam sind, lassen somit nur eine verhältnismäßig langsame Entladung zu. So können z. B. die Widerstände in ihren Werten derart festgelegt sein, daß 20 % der im Kondensator Cl gespeicherten Spannung als positive Vorspannung an der Basisemitter strecke des Transistors Ql wirksam ist. Dabei wird natürlich der Einfluß von Leckwiderständen im Transistor sowie der Einfluß eines Spannungsabfalls an Diodenstrecken vernachlässigt. Hierbei können bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Spannungen in der Größenordnung von 2 V in Frage kommen. Das Spannungsverhältnis bzw. das Teilungsverhältnis kann auch auf andere Größen, abweichend von 20 %, eingestellt werden. Eine zweckmäßige Vorspannung von der Basis y.uni Emitter des Transistors Ol hält diesen Transistor im leitenden Zustand. Damit wird die Zenerdiode D3 überbrückt und unwirksam und der Kondensator C2 über den Transistor Ql bzw. die Diode D4 und den Widerstand R5 entladen. Entsprechend fließt ein Strom von der positiven zur negativen Eingangsklemme über die Diode D2, den Widerstand R4 und den verhältnismäßig niedrig ohmigen Transistor Ql. Entsprechend dem voraus erwähnten Beispiel, wenn das Wellental der welligen Spannung zwischen der positiven und negativen Eingangsklemme wirksam ist, steigt die Spannung am Emitter des Transistors Ql bezüglich seiner Basisspannung an. Da jedoch die Welligkeit ungefähr 4 % des Spitzenwertes ausmacht und die Basis spannung etwa 20 % des Spitzenwertes beträgt, ergibt sich nur eine sehr geringe Erhöhung der Emitterspannung bezüglich der Spitzenspannung, so daß der Leitfähigkeitszustand des Transistors Ql kaum bzw. nicht geändert wird.

Es sei nun angenommen, daß die Welligkeit wesentlich ansteigt, z. B. dadurch, daß über eine der Phasenleitungen Ll, L2 oder L3 gemäß Fig. I aufgrund eines Sicherungsausfalles oder eines anderen Defekts praktisch kein oder sehr viel weniger Strom fließt. Es soll beliebig angenommen werden, daß dadurch eine Welligkeit von etwa 30 % erzeugt

_ 11 - wird.

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wird. Bei dieser Annahme-kann ein Wellental aufgrund der Welligkeit den 20 % unter dem Spitzenspannungswert liegenden und durch den spannungsteiler festgelegten Spannungspunkt unterschreiten. Damit steigt die Spannung am Transistor Ql auf einen Wert über dem Wert an der Basis an, so daß der Transistor ,Jl in den nicht leitenden Zustand geschaltet wird. Wenn dies der Fall ist, entsteht ein Spannungsimpuls an dem Kondensator C2j der jedoch bezüglich seiner Inipulsamplitude durch die Zenerdiode D 3 begrenzt wird, und zwar z. B. auf 24 V. Der an den Kondensator C2 angelegte Spannungsimpuls bewirkt eine Aufladung des Kondensators über die Diode D5 und den Kondensator C3. Die sich am Kondensator C2 ausbildende Spannung steuert die Diode D4 in den Sperrzustand. Außerdem haben die Widerstände Ri) und 117 einen wesentlich höheren Widerstandswert als der ivondensator C3 bei beispielsweise 50 oder 60 Hz. Aus diesem Grund enthält nunmehr die Entladungsstrecke von der positiven zur negativen Eingangsspannung die Diode D2, den den Entladestrom über den Kondensator 2 bestimmenden Widerstand R4, die Diode D5 und den Kondensator C3. Aufgrund der Abstimmung der Kapazitäten der beiden Kondensatoren C2 und C3 wird der Kondensator C2 schneller als der Kondensator C3 aufgeladen. Sobald die Welligkeit, bezogen auf die positive Eingangsklemme,in ihrem Wert ansteigt, wird also der Transistor Ql in Durchlaßrichtung vorgespannt und der zuvor angelegte Spannungsimpuls beseitigt. Sobald sieh dieser Zustand einstellt, wird der Kondensator C2 sehr rasch über den leitenden Transistor Ql und die Diode D4 sowie den Widerstand R5 entladen. Damit nimmt die Spannung an der Anode der Diode D5 rasch auf einen Wert ab, der unter dem am Kondensator C3 wirksamen Wert liegt. Dies führt zu einer Sperrung der Diode D5. Damit stellt sich die Entladung des Kondensators C3 über den Widerstand RG sowie den Widerstand R7 und die nicht leitenden komplementären Transistoren Q2 und Q3 ein. Aufgrund dieses Entladungsweges wird keine nennenswerte Entladung stattfinden, wenn der Widerstand R6 ausreichend groß ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird als Entladezeit für den Kondensator C3 eine Zeit von

_ 12 - etwa

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etwa 500 Millisekunden vorgesehen. Wenn die durch die Wolligkeit bedingte Einhüllende der Spannung ein Wellental erneut erreicht, wird der Transistor Ql erneut abgeschaltet und bewirkt eine Aufladung des Kondensators C2 sowie gleichzeitig eine Erhöhung der Ladung im Kondensator C3, was zu einer höheren Klemmenspannung führt. Dieser Vorgang wiederholt sich über eine Anzahl von Welligkeitsperioden, bis der Kondensator C3 eine ausreichend große Ladung hat und die positive Seile des Kondensators C3 einen Wert annimmt, der über dem Spannungswert an der Basis des Transistors C2 liegt. Damit wird der Transistor· Cl leitend und bewirkt, daß der Transistor C3 ebenfalls sehr rasch in den leitenden Zustand übergeht. Durch die leitenden Transistoren Q2 und Q3 ergibt sich eine Entladungsstrecke für die Kondensatoren C3 und Cf) über die Diode Dl3 zur Ausgangsklemme für das Auslösesignal, das damit an die Leitungen 30a^J bzw. 30a' ' angelegt wird. Entsprechend kann dadurch der Trennschalter in der vorgesehenen Weise ausgelöst werden.

Der Widerstand R8 hat für den Emitterstrom des Transistors Q3, verglichen mit der Diode D13, eine verhältnismäßig hohe Impedanz. Damit wird der wesentliche Strom über die Diode D13, d.h. die Ausgangsklemme für das Auslösesignal geführt werden. Die Stromrückführung erfolgt über die angeschlossene Auslöseschaltung zur Bezugsleitung 50. Sobald der Kondensator C6 durch das komplementäre Transistorpaar Q2 und Q3 entladen ist, fällt seine auf den Thyristor wirkende Torspannung im Wert ab, jedoch wegen der Wirkung der Dioden D7, D8 und D9 verändert sich die Spannung an der Kapazität C5 nur unwesentlich. Schließlich wird die Spannung am Tor des Unijunction-Transistors Q4 kleiner als die. dazugehörige Anodenspannung sein. Damit wird der Unijunction-Transistor Q4 leitend. Entsprechend fließt ein Strom von den Kondensatoren C5 und Cfi über die Kathodenseite des Unijunctiontransistors Q4 zur lichtemittierenden Diode LED2. Der Rückfluß des Stromes zu den Kondensatoren C5 und Cf) erfolgt über verschiedene Wege. Die erregte lichtemittierende Diode LED2

- 13 - steuert

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steuert optisch den lichtempfindlichen Thyristor SCRl an, womit dieser leitend wird. Dadurch wird der Stromkreis von der Stromversorgung über den Widerstand Rl2, die lichtemittierende Diode LEDl und den lichtempfindlichen Thyristor SCRl zurück zur Stromversorgung geschlossen. Die lichtemittierende Diode LEDl liefert ein Lichtsignal, das anzeigt, daß ein Auslösesignal über die Diode Dl3 an dieAusgangsklemme für das Auslösesignal angelegt ist.

Aus dem Vorstehenden kann man entnehmen, daß das Netzwerk für die Phasenungleichheit bzw. der Welligkeitsdetektor 30' bzw. 30'' eine Auslösefunktion in Abhängigkeit von einem ausfallenden Phasenstrom, einer Verringerung des Phasenstromes oder auch eines Anstieges des Phasenstroms auslösen kann, wobei dies für eine oder mehrere Phasen einer mehrphasig angeschlossenen Last der Fall ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird durch das Auslösesignal das Vorhandensein einer Welligkeit angezeigt.

In Fig. 3ä ist eine weitere Ausführungsform eines Welligkeitsdetektors dargestellt, bei dem der Kondensator Cl' über die Diode Dl' von der positiven zur negativen Eingangsklemme aufgeladen wird. Die Entladestrecke für diesen Kondensator Cl umfaßt die Widerstände Rl' und R3', die als Spannungsteiler parallel zum Kondensator Cl' geschaltet sind. Die Verhältniswerte der Widerstände Rl' und R3' zueinander werden so gewählt, daß am Widerstand Rl' ein Spannungsabfall auftritt, der den zu messenden und für das angeschlossene Gerät zu kompensierenden bzw. zu beachtenden Welligkeits wert bestimmt. Bei der Erläuterung im Zusammenhang mit Fig. 3 wurde als Beispiel für eine 20 %ige Welligkeit an der Basis des Transistors Ql eine Spannung von etwa 2 V des Spitzenwertes 10 V vorgesehen, die vom Verbindungspunkt der Widerstände Rl und R3 über den Widerstand R2, bezogen auf die Spannung an der negativen Eingangsklemme, wirkt. Grundsätzlich ist der Transistor Ql' eingeschaltet,

- 14 - solange

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solange die Welligkeit diesen vorgesehenen Prozentsatz, z. B. von 20 '%, nicht übersteigt. Wenn jedoch die Welligkeit einen Wert annimmt, bei dein ein Wellental mehr als 20 % vom Spitzenspannungswert abweicht, wird dor Transistor Ql' nicht leitend gemacht. Damit entlädt sich der Kondensator C2 in derselben Weise, wie dies für die Ausführungsform gemäß Fig. 3 beschrieben wurde, d.h. der Entladestrom fließt vom Kondensator C2 über den Widerstand R4a', den Widerstand R5 gemäß Fig. 3 sowie die Diode D4 gemäß Fig. 3 zurück zur anderen Seite des Kondensators C2. Sobald die Welligkeit abnimmt und sich der Spannungswert des Wellentals wieder mehr deiti Spitzenspannungswert nähert, geht der Transistor Ql' in den leitenden Zustand zurück. Damit kann der Strom über den Transistor Ql', über den Kondensator C2, die Diode D5 gemäß Fig. 3 zum Kondensator C3 fließen und diesen in der beschriebenen Form aufladen. Der Jtest der Wirkungsweise der Schaltung entspricht der Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 3. Sowohl für die Ausführungsform gemäß Fig. 3 als auch für die Ausführungsform gemäß Fig. 3a wird der Prozentsatz der Welligkeit in Abhängigkeit vom Spitzenspannungswert gemessen, d.h. die Welligkeit wird durch das Ausmessen der Differenz des Spitzenspannungswertes der die Welligkeit beschreibenden einhüllenden Kurve und dem Spannung»- wert im Tal dieser einhüllenden Kurve bestimmt.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der das Netzwerk 30^J zur Feststellung der Phasenungleichheit bzw. der Welligkeit einer Schaltung gemäß Fig. 3 bzw. Fig. 3a entsprechen kann. Die Darstellung zeigt ferner die Anzeigestufe A sowie die Ausgangsleitung 3üa' ' ' für das Auslösesignal. Diese Leitung ist mit dem Trennschalter CB verbunden, der in die Phasenleitungen Ll, L2 und L3 eingeschaltet ist, über welche ein Strom von der auf der rechten Seite nicht dargestellten Stromquelle zu der auf der linken Seite nicht dargestellten Last übertragen wird. Im vorliegenden Fall sind die positive Eingangsklemme und die negative Eingangsklemme gemäß Fig. 3 zur Abtastung der Spannung direkt

-15- mit den

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mit den Phasenleitungen Ll₁. L2 und L3 ohne Zwischenschaltung eines Si.romfühlers angeschlossen. Zu diesem Zweck sind drei separate Diodenkreise parallel zu der positiven und negativen Eingangsklemme geschaltet. Der erste Diodenkreis umfaßt die beiden Dioden Dal und Da2 in Serienschaltung, wobei die Anode der Diode Da2 mit der negativen Eingangsklemme und die Kathode der Diode Dal mit der positiven Eingangsklemme verbunden ist. Entsprechendes gilt für die Dioden DbI und Db2 sowie DcI und Dc2, die jeweils in Serie zwischen die positive und die negative Eingangsklemme geschaltet sind. Der Verbindungspunkt der Dioden Dal und Da2 ist über einen Widerstand Ra im Punkt a an die Phasenleitung Ll angeschlossen. Entsprechend liegt der Verbindungspunkt der Dioden DbI und Db2 über einen Widerstand Rb an dem Anschlußpunkt b der Phasenleitung L2 und der Verbindungspunkt der Dioden Dd und Dc2 über den Widerstand Rc am Verbindungspunkt c der Phasenleitung L3. Die Schaltungsweise dieses Netzwerkes bewirkt, daß die Augenblicksspannungen der drei Phasenleitungen einander überlagert werden im Sinne einer Gleichrichtung, so daß Eingangssignal Ic an der positiven und der negativen Eingangsklemme des Netzwerkes für die Feststellung der Phasenungleichheit bzw. der Welligkeit in derselben Weise, wie vorausstehend anhand der Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben, angelegt werden.

Es ist auch als weitere Modifikation möglich, die Primärwicklung eines Transformators entweder in Dreieck- oder Y-Schaltung an die Phasenleitungen Ll, L2 und L3 anzuschließen, um entsprechend geschaltete sekundäre Wicklungen an die Mittelabgriffe der vorausgehend beschriebenen Diodenbrücke anzulegen.

Die zu schützende Last kann z. B. aus einem Motor bestehen oder einem beliebigen|anderen Gerät, das über ein dreiphasiges Netzwerk angesteuert wird, wobei der Ausfall einer Phase oder einer Verringerung des Phaseristroms bzw. eine Vergrößerung des Phasenstroms möglich ist. Das Konzept der Erfindung kann jedoch auch dazu benutzt werden, um Phasemm-

jQ gleichlieit.cn bzw.

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gleichheiten bzw. Welligkeiten festzustellen und auszugleichen. So kann beispielsweise der Welligkeitsdetektor gemäß Fig. 3 auch für einen anderen als den beschriebenen Zweck eingesetzt werden. Weder die in der vorausgehenden Beschreibung angegebenen Zeitkonstanten noch die Kapazitätswerte bzw. Prozentwerte haben verbindliche Form bezüglich ihrer Größe und können beliebig geändert werden. Auch der Kondensator C7 gemäß Fig. 3 ist vorteilhaft, um für den Fall eines kompletten Netzzusammenbruches zur Aufladung der Kondensatoren C 2 und 3 elektrische Energie zu liefern, d. h. wenn die Welligkeit unter bestimmten Bedingungen einen Wert von 100 % erreicht. In der beschriebenen Ausführungsform ist die Schaltung für eine Wechselstromfrequenz von 60 Hz vorgesehen, jedoch läßt sich die Erfindimg auch bei beliebig anderen Frequenzen verwirklichen.

Die Erfindung bietet in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, einen Netzoder Phasenausfall bzw. eine Vergrößerung oder Verkleinerung eines Phasenstromes in einem mehrphasigen Netz durch die Welligkeit des gleichgerichteten Stromes zu ermitteln. Da die Feststellung der Welligkeit in bezug auf den Spitzenspannungswert erfolgt, ergibt sich eine sehr gute Empfindlichkeit, so daß z. B. ein Phasenausfall bereits festgestellt werden kann, bevor der Phasenstrom auf den Wert Null zurückgegangen ist.

_ 17 _ Patentansprüche

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Claims

Al WS70P-1453 Patentansprüche

1. Elektrische Schutzschaltung mit Einrichtungen zur Feststellung der Phasenungleichheit zwischen Spannungen bzw. der Welligkeit einer Spannung, bei welcher die Eingangsklemmen eines Impuls generators mit einer spannungsveränderlichen amplitudenliefernden Gleichspannungsquelle verbunden sind und ferner der Impulsgenerator anzeigenseitig mit einem Impulsakkumulator in Verbindung steht, der die empfangenen Impulse aufzählt und mit einem Signalgenerator, der ein Aus gangs signal in Abhängigkeit von einer bestimmten aufgezählten Impuls zahl liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (Cl, Rl bis R3, Dl, Ql) einen Welligkeits detektor zur Ermittlung der prozentualen Welligkeit der an die Eingangsklemmen (+; -) angelegten Gleichspannung umfaßt, daß der Welligkeitsdetektor einen kollektorseitig mit einer Eingangsklemme (0 ' verbundenen Transistor (Ql) enthält, der basisseitig über einen Spannungsteiler (Rl bis R3) von einem als Spitzenspannungsteiler dienenden und zwischen die Eingangsklemmen (+; -) geschalteten Kondensator (Cl) aus ansteuerbar ist, wobei die eine Seite des Kondensators und des Spannungsteilers über eine in Richtung zur negativen Eingangsklemme leitende Diode (Dl) an die negative Eingangsklemme angeschlossen ist, und daß die Vorspannungsverhältnisse am Transistor (Ql) derart eingestellt sind, daß der Transistor bei einer unter einem bestimmten Schwellwert liegenden Spannung im einen Leitfähigkeitszustand keinen Impuls und bei einer über dem bestimmten Schwellwert liegenden Welligkeit im entgegengesetzten Leitfähigkeits zustand einen Steuerimpuls liefert.

2. Elektrische Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (Ql) als NPN-Transistor mit seinem Emitter an der negativen Eingangsklemme liegt, und daß die Diode (Dl) mit ihrer Anode am Spannungsteiler (Rl bis R3) und an dem Spitzenspannungsspeicher (Cl)

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WS7()P-14.^r>3 und mit ihrer Kathode an der negativen Eingangsklemme liegt (Kig. 3).

3. Elektrische Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (Ql') ein NPN-Transistor ist, dessen Emitter an die positive Eingangsklemme angeschlossen ist, und daß die Diode (Dl⁵) mit der Anodenseite am Emitter des Transistors und der positiven Eingangsklemme und mit der Kathodenseite am Spannungsteiler sowie am Spitzenspannungsspeicher (Fig. 3A) liegt.

4. Elektrische Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Impulsgenerator ein Auslüsesignalgenerator gekoppelt ist, der einen mit den Eingangsklemmen über eine Ladeschaltung verbundenen und als Speicher für die Signalenergie dienenden Kondensator (C6) umfaßt, daß eine Entladeschaltung mit diesem Kondensator (C6) verbunden ist und im normalen Betriebszustand keinen Strom leitende Schalterelemente (Q2, Q3) umfaßt, daß der Impulsakkumulator mit diesen Schalterelementen in der Weist· verbunden ist, daß die Schalterelemente in den leitenden Zustand geschaltet werden, um ein Ausgangssignal zu liefern, wenn eine bestimmte-Anzahl von Impulsen ausgezählt ist.

5. Elektrische Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Erregungsschaltung für eine Anzeigestufe (A) vorhanden ist, die in Abhängigkeit von der Entladung des SpeichtM-kondensators (C6) ein Schalterelement (Q4) schließt, daß die ErregtM·- schaltung für die Anzeigestufe mit der Entladeschaltung parallel zu den Schalterelementen (Q2, Q3) derart angeschlossen ist, daß die für die Anzeigestufe erforderliche Energie einerseits ableitbar und andererseits zur Entladeschaltung zurückführbar ist, wenn das Schalterelement geschlossen ist.

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G. Elektrische Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Trennsehalter mit Auslösevorrichtungen vorhanden ist, die beim Anlegen eines Auslösesignals den Trennschalter öffnen, und daß das Auslö.so.signal über eine Ausgangsklemme des Signalgenerators an die Auslösevorrichtung anlegbar ist.

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