DE2847222A1 - Elektronisches schutzrelais - Google Patents

Elektronisches schutzrelais

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DE2847222A1
DE2847222A1 DE19782847222 DE2847222A DE2847222A1 DE 2847222 A1 DE2847222 A1 DE 2847222A1 DE 19782847222 DE19782847222 DE 19782847222 DE 2847222 A DE2847222 A DE 2847222A DE 2847222 A1 DE2847222 A1 DE 2847222A1
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DE
Germany
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voltage
clock
equipment
input
capacitor
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Application number
DE19782847222
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English (en)
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Michael Dr Ing Hentschel
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Rockwell Automation Switzerland GmbH
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Sprecher und Schuh AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H6/00Emergency protective circuit arrangements responsive to undesired changes from normal non-electric working conditions using simulators of the apparatus being protected, e.g. using thermal images
    • H02H6/005Emergency protective circuit arrangements responsive to undesired changes from normal non-electric working conditions using simulators of the apparatus being protected, e.g. using thermal images using digital thermal images

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  • Protection Of Generators And Motors (AREA)
  • Control Of Direct Current Motors (AREA)

Description

  • Elektronisches Schutzrelais
  • Elektronisches Schutzrelais Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Schutzrelais zur Schutzabschaltung eines elektrischen Betriebsmittels, sobald dieses Betriebsmittel eine vorgegebene Erwärmung erreicht, enthaltend eine Stromquelle, einen Taktgenerator, dem eine dem vom Betriebsmittel aufgenommenen Strom proportionale Messspannung zugeleitet wird und der eine Takt folge mit einer der Messspannung proportionalen Taktperiode erzeugt, eine elektronische Betriebsmittelnachbildung zum Simulieren des ärmeverhaltens des Betriebsmittels, einen Schwellwertauslöser zum Auslösen eines in der Stromzuleitung für das Betriebsmittel vorgesehenen Schaltrelais und eine Peripherieschaltung, die die Stromquelle über einen vom Taktgenerator gesteuerten Schalter mit dem Eingang der Betriebsmittelnachbildung und diesen Eingang mit dem Eingang des Schvellwertauslösers verbindet.
  • Beim Betrieb elektrischer Betriebsmittel, wie beispielsweise Motoren oder Transformatoren, wird ein Teil der aufgenommenen elektrischen Energie in Wärme umgewandelt. Diese Wärme entsteht hauptsächlich in der Wicklung, von wo sie über den Ständer zu einem Kühlmittel und einfacherwelse an die Umgebung abgeführt wird. Bei lange andauerndem, möglichst gleichmnssigem Betrieb stellt sich dann ein statisches Gleichgewicht ein, bei dem die entstehende Wärme gleich der abgeführten Wärme ist. Moderne elektrische Betriebsmittel sind derart konstruiert, dass dieses statische Gleichgewicht bei einer Temperatur der Wicklung erreicht wird, die nahe der maximal zulässigen Temperatur liegt Beim praktischen Betrieb insbesondere von Motoren ist die aufgenommene elektrische Energie und damit auch die erzeugte Wärme oft grossen Schwankungen untenlorfen. Das gilt vorrangig für intermittierenden Betrieb und für das Anlaufen von Motoren oder bei kontinuierlichem Betrieb mit Laständerungen. Dabei kann die maximal zulässige Temperatur überschritten und der Motor beschädigt werden.
  • Es sind darum schon Schutzrelais entwickelt worden, welche den von einem Betriebsmittel aufgenommenen Strom abschalten, wenn die Temperatur bzw. Erwärmung des Betriebsmittels die zulässigen Maximalwerte übersteigt. Ein bekanntes Schutzrelais dieser Art, das vorzugsweise für den Schutz von Elektromotoren vorgesehen ist, ist in der CH-PS 534'444 beschrieben, auf die hier ausdrücklich hingewiesen wird. Dieses Schutzrelais enthält eine das Wärmeverhalten des Betriebsmittels simulierende, elektronische Betriebsmittelnachbi?Sung mit mindestens zwei kapazitiven Speichern, 84'' den Wärmekapazitäten einer Wicklung und eines Ständers entsprechen, sowie mindestens zwei Widerständen, die der Wärmeleitung von der Wicklung zum Ständer und vom Ständer zur Umgebung entsprechen. Weil die in einem Betriebsmittel entstehende Wärme mehrheitlich dem Quadrat des vom Betriebsmittel aufgenommenen Stroms proportional ist, wird auch in die elektronische Nachbildung ein Ladestrom eingeleitet, der dem Quadrat des aufgenommenen Stroms proportional ist. Die Ladespannung am erstgenannten kapazitiven Speicher der Nachbildung gibt dann ein Mass für die T:rwarmung der Wicklung 1d wird darum als Steuersignal für einen Schwellwertauslöser verwendet.
  • Die Eratarmungszeit eines elektrischen Betriebsmittels bis zum Erreichen des stationären Endzustandes geht im allgemeinen in den Bereich von Stunden. Zum Simulieren einer solchen langsamen Erwärmung muss die Nachbildung eine entsprechend grosse Zeitkonstante aufweisen, was durch die Verwendung extrem hochohmiger Widerstände und hochwertiger Kondensatoren erreicht werden kann. Um die Schwierigkeiten bei der Verlvendung extrem hochohmiqer Widerstände zu beherrschen, ist in der oben genannten Patentschrift eine Ladestromquelle beschrieben, die einen getakteten Ladestrom erzeugt, dessen Effektin ert dem Quadrat des Motorstroms proportional ist.
  • Dazu werden eine in Abhängigkeit vom Motorstrom steuerbare Stromquelle und ein von einem Taktgenerator angesteuerter und zwischen der Stromquelle und der Nachbildung angeordneter elektronischer Schalter vensendet. Bei einer ersten für Motoren mit geringer Stromänderung vorgesehenen Ausführungsform liefert die Stromquelle einen dem Quadrat des Motorstroms proportionalen Ladestrom, und der Taktgenerator öffnet bzw. schliesst den elektronischen Schalter entsprechend einer fest vorgegebenen Taktfolge. Bei einer zweiten für otoren mit grosser Stromänderung vorgesehenen Ausführungsform liefert die Stromquelle einen dem Motorstrom direkt proportionalen Ladestrom, und der Schalter wird von einer Takt folge gesteuert, deren Taktzeit dem Motorstrom proportional ist und deren einzelne Takte eine konstante Taktimpulsbreite aufweisen. Bei beiden Ausführungsformen ist der Effektivwert des in die Nachbildung einfliessenden Ladestroms dem Quadrat des Motorstroms proportional.
  • Während sich beide Ausführungsformen dieses Schutzrelais in der Praxis gut bewährt haben, wurde der erforderliche schaltungstechnische Aufwand und insbesondere die Notwendigkeit einer steuerbalerl SEromquelie als nachteilig angesehen. Der vorliegenden Erfindung liegt darum die Aufgabe zugrunde, ein Schutzrelais der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das einfacher als die bisher bekannten Relais dieser Art augebaut ist und insbesondere keine steuerbare Stromquelle erfordert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst mit einem elektronischen Schutzrelais, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Stromquelle einen konstanten Strom abgibt und zum Erzeugen eines effektiven Ladestroms für die Betriebsmittelnachbildung, der dem Quadrat des von dem Betriebsmittel aufgenommenen Stroms proportional ist, der Taktgenerator eine Taktfolge erzeugt, deren Taktimpulsbreite der Messspannung ebenfalls proportional ist.
  • Das neue Schutzrelais hat den Vorteil, dass der Ladestrom einfachereise von einer stabilisierten Spannungsquelle abgenommen werden kann, ohne dass der Aufwand für den Taktgenerator wesentlich erhöht werden muss. Weiter ermöglicht das neue Schutzrelais, die geforderte Beziehung zwischen dem von einem Betriebsmittel aufgenommenen Strom und dem Ladestrom für die Nachbildung noch besser einzuhalten, weil diese Beziehung nur noch von einer Baugruppe, nämlich dem Taktgenerator, bestimmt wird. Schliesslich ermöglicht das Takten des Ladestroms mit einer Taktfolge, die eine veränderbare Taktperiode und eine unveränderbare Taktimpulsbreite aufweist, den Ladestrom in einem so grossen Bereich zu steuern, dass das neue Schutzrelais sowohl für Betriebsmittel mit nur geringer, als auch für solche mit grosser Stromänderung verwendet werden kann.
  • Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform des neuen Schutzrelais weist die Peripherieschaltung einen Schaltkreis auf, der ilen Fusspunkt der Betriebsmittelnachbildung zum Vermeiden der Einleitung von Störsignalen während der Zeit zwischen den Taktimpulsen anhebt und dadurch eine in der Eingangsleitung der Nachbildung angeordnete Diode sperrt. Damit kann wirkungsvoll verhindert werden, dass die in industriellen Steuerungen unvermeidlichen Störsignale die Nachbildung beeinflussen und es kann eine preisgünstige Diode als Schaltelement zwischen Stromquelle und Nachbildung verwendet werden.
  • Die Peripherieschaltung weist vorzugsweise eine Speichereinrichtung auf, die die am Ende jedes Taktimpulses am Eingang der Betriebsmittelnachbildung erreichte Spannung während der Zeit bis zum Beginn des folgenden Taktimpulses speichert und sie weiteren Baugruppen damit kontinuierlich zur Verfügung stellt.
  • Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren an einem zum Schutz eines Motors vorgesehenen Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 das Blockschema eines Schutzrelais und dessen Anschlüsse an die Stromzuleitung für einen Motor, Fig. 2 das Prinzipschaltbild eines Taktgenerators zum Erzeugen einer Taktfolge, deren Taktimpulsbreite und Taktfolge in Abhangigkeit von einer 3essspannung steuerbar ist, Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung des im Taktgenerator gemäss Fig. 2 enthaltenen Sägezahngenerators und die daraus abgeleitete Taktfolge, wobei die Form des Sägezahns und der Takt folge für eine möglichst klare Darstellung gewählt sind, ohne den tatsächlichen Zeitspannen und Signalamplituden zu entsprechen, Fig. 4 das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des neuen Taktgenerators und Fig. 5 das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der neuen Peripherieschaltung.
  • In dem Blockschema gemäss Fig. 1 sind ein rotor 10 und ein Schutzrelais 11 gezeigt. An die StromuIeitung für den Motor ist über einen Stromwandler 12' ein Strom/Spannungsandler 12 angeschlossen, der eine dem Motorstrom direkt proportionale Spannung UM erzeugt, die dem nachgeschalteten Taktgenerator 16 zugeleitet wird. Der Ausgang des Schutzrelais wird von einem Schaltrelais 13 gebildet, dessen Schaltkontakte die Stromleitung für den llotor schliessen bzw. unterbrechen.
  • Das Schutzrelais 11 enthalt eine Stromquelle 15 und einen Taktgenerator 16, deren Ausgänge mit entsprechenden Eingängen einer Peripherieschaltung 17 verbunden sind, die ihrerseits mit einer Motornachbildung 18 und einem Schazellwertauslöser 19 verbunden ist. Die Arbeitsweise des Schutzrelais wird im folgenden noch detailliert beschrieben.
  • Der in Fig. 2 im Prinzipschaltbild gezeigte Taktgenerator eist zwei Eingangsklemmen 20, 21 auf. Die Klemme 21 ist zum Anlegen einer konstanten Referenzspannung UR vorgesehen und mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 22 verbunden. Die Klemme 20 ist zum Anlegen der als Steuerspannung verxsendeten Messspannung UM vorgesehen und über einen Widerstand 23 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und über einen Widerstand 24 mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Komparators 25 verbunden. Vom invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 22 führt eine Leitung über einen Widerstand 27 zu einem Schalter 28, der im geschlossenen Zustand (Stellung b) eine Verbindung zur Masse herstellt. An den invertierenden Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers 22 ist ein Kondensator 29 angeschlossen mit dem zusammen er einen Integrator bildet. Vom Ausgang des Integrators führen Leitungen zum invertiren?en ringang des ersten Komparator 25 und zum invertierenden Eingang eines zweiten Komparators 31.
  • Der nichtinvertierende Eingang dieses zweiten Komparators ist mit einem Umschalter 32 verbunden, der in seiner einen Stellung (a) den Eingang mit der Peferenzspannungsklemme 21 und in seiner anderen Stellung (b) mit einer auf diese Referenzspannung abgestützten Spannungsquelle 33, die eine Hilfsspannung ß U liefert, verbindet. Die Ausgänge der beiden Komparatoren 25, 31 sind mit Eingängen einer Steuerlogik 34 verbunden, welche die Schaltsignale flir die beiden Schalter 28, 32 erzeugt und an deren Signalausgängen 36, 37 ein Taktsignal T bzw. das invertierte Taktsignal T erscheinen.
  • Zur Beschreibung der Arbeitsweise dieses Taktgenerators wird angenommen, dass an der Eingangsklemme 21 eine konstante Referenzspannung UR und an der Eingangsklemme 20 eine veränderliche Messspannung UM anliegen. Die thessspannung ist dem Momentanwert des Motorstronis proportional. leiter wird angenommen, dass zu einem Zeitpunkt T1 (Fig. 3) die beiden Schalter 28, 32 in die in Fig. 2 gezeigte Stellung (a) geschaltet sind. Dann fliesst über den Widerstand 23 in den Eingang des Integrators 22, 29 der Strom 10, der den Kondensator entlädt und damit eine zeitlinear absinkende Spannung UIA am Ausgang des Operationsverstärkers 22 hervorruft. Um den Zeitpunkt t2 sinkt die Spannung am Integratorausgang unter die Spannung am invertierenden Eingang des ersten Komparators 25, und das Ausgangssignal am ersten Komparator 25 springt von einem negativen auf einen positiven Wert. Diese Signaländerung wird von der Steuerlogik 34 nicht verarbeitet. Um den folgenden Zeitpunkt t3, wenn die Spannung am Integratorausgang UIA gleich der Referenzspannung ist und damit die Spannungen an den beiden Eingängen des zweiten Komparators 31 gleich sind, springt die Spannung am Ausgang dieses zweiten Komparators von einem negativen auf einen positiven Wert Die Steuerlog4> 34 verarbeitet diesen Spannungs sprung und leitet Steuersignale an die beiden Schalter 28, 32, die aus der Stellung (a) in die Stellung (b) umgeschaltet werden. Ausserdem erscheinen am Ausgang 36 die ansteigende Vorderflanke 38 und am Ausgang 37 die abfallende Vorderflanke 39 eines Taktimpulses.
  • Durch das Umschalten der beiden Schalter 28, 32 in die Stellung (b) wird der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 22 über den Widerstand 27 mit der Masseleitung verbunden und der nichtinvertierende Eingang des zweiten Komparators 31 mit der Spannungsquelle 33, so dass an diesem Komparatoreingang die Spannung UR + A U anliegt.
  • Durch das Schliessen des Schalters 28 ändert sich der in den Kondensator 29 fliessende Integrationsstrom von io auf (io - iR3 wodurch der Kondensator 29 aufgeladen wird und die Spannung UIA am Ausgang des Integrators einen zeitlinear steigenden Verlauf annimmt. Um den Zeitpunkt t4 ist die Spannung am Integratorausgang und am invertierenden Eingang des ersten Komparators 25 wieder auf den Wert UIA = UR + UM angestiegen und steigt weiter. Damit springt die Spannung am Komparatorausgang von einem positiven auf einen negativen Wert. Dieser Spannungssprung wird von der Steuerlogik 34 verarbeitet, und es erscheint am Ausgang 36 eine abfallende und am Ausgang 37 eine ansteigende rückwärtige Flanke eines Taktimpulses.
  • Die Spannung am Ausgang des Integrators steigt weiter, bis sie um den Zeitpunkt t5 den ert UIA = UR + AU erreicht.
  • Dann sind die Spannungen an den beiden Eingängen des zweiten Komparators 31 praktisch gleich, und die Spannung am Ausgang des Komparators springt von einem positiven auf einen negativen Wert. Dieser Spannungssprung wird von der Steuerlogik zu Schaltsignalen für die beiden Schalter 28, 32 vcrarbeitet, die in die Stellung (a; zurückgesenaitet werden. Bei dieser Schalterstellung wird der Kondensator 29 erneut von dem von der Klemme 20 über den Widerstand 23 fliessenden Strom io aufgeladen, so dass die Spannung am Ausgang des Inteqrators absinkt bis zum Zeitpunkt t7, der dem Zeitpunkt t3 entspricht, wo die Ausgangsspannung am Integrator wieder praktisch gleich gross ist wie die Referenzspannung.
  • Der Integrator 22, 29, der zweite Komparator 31 und die Steuerlogik bilden zusammen mit den Schaltern 28, 32 einen Sägezahngenerator. Die Steilheit der zwischen den Zeitpunkten t3 und t5 ansteigenden Flanke des Sägezahns ist hauptsächlich vom Ladestrom iR des Kondensators 29 bestimmt (da i R» iO) und darum ebenso wie die entsprechende Zeitspanne tR = t5 - t3 praktisch konstant. Die Steilheit der zwischen den Zeitpunkten t5 bis t7 abfallenden Flanke des Sägezahnes ist durch den von der Messspannung UM bestimmten Entladestrom des Kondensators 29 bestimmt, d. h. sie ist um so steiler und darum die Zeitspanne t0 = t7 - t5 um so kürzer, je grösser die Dlessspannuna ist und umgekehrt. Weil die Messspannung UM auch als Vergleichs spannung für den ersten Komparator 25 verwendet wird, bewirkt eine Aenderung der Messspannunq eine Verschiebung der Vergleichsspannung am Komparator (entsprechend einer vertikalen Verschiebung der Linie UR + UM in Fig. 3) und dadurch eine Verschiebung des Zeitpunkts t4, zu dem die Spannung an den beiden Komparatoreingängen praktisch gleich ist und die Spannung am Komparatorausgang umspringt.
  • Die an den Ausgängen der Steuerlogik 34 erscheinende Taktfolge hat darum Taktimpulse, deren Breite dem Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t4 - t3 entspricht, d. h. der Messspannung proportional ist. Wegen der praktiFchen Konstanz der Zeitspanne tR und der tIessspannungsabhängigkeit der Zeitspanne tO entspricht die gesamte Taktzeit den Zeitspannen tR + t0 und ist ebenfalls der Messspanung pJrot,ortional.
  • Diese Eigenschaften der beschriebenen Prinzipschaltung lassen sich durch eine einfache Rechnung nachweisen. Gesucht ist die Taktdauer (t4 - t3) relative Einschaltdauer T = Taktperiode t7 - t3) = f(UM).
  • M Mit den aus den Fig, 2 und 3 ableitbaren Beziehungen: (t7 7 t3) (t7 - t5) + (t5 - t3) und ergibt sich: und durch einfaches Umformen oder und weiter mit ergiht sich Weil ßU; UR; R27 und R23 konstant sind,gilt T ~ u2f"-U2 M und weil UM proportional iMot ist, folgt schliesslich T # i2toot.
  • Das bedeutet, dass die oben definierte relative Einschaltdauer T der slessspannung bzw. dem vom zugeordneten elektrischen Betriebsmittel aufgenommenen Strom quadratisch proportional ist.
  • Die vorstehende quantitative Betrachtung zeigt, dass die Beziehung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangs signal des Taktgenerators nur durch Spannungen und Widerstände bestimmt ist. Es ist also zu envarten, dass der Taktgenerator ein gutes thermisches Verhalten aufweist, weil die Temperaturkoeffizienten der genauigkeitsbestimmenden Parameter klein gehalten werden können.
  • In Fig. 4 ist das Schaltbild einer praktisch erprobten Ausführungsform des neuen Taktgenerators gezeigt. Um Wiederholungen zu vermeiden, sind in Fig. 4 diejenigen Bauelemente, die bereits in Fig. 2 gezeigt und im dazugehörigen Text beschrieben sind, in der Fig. 4 mit den gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 2 versehen und werden nicht nochmals beschrieben.
  • Die gezeigte Ausführungsform enthält anstelle des Widerstands 24 in der Leitung zwischen der Klemme 20 für die Messspannung und dem nicht invertierenden Eingang des ersten Komparators 25 einen Tiefpass 40, der die Welligkeit der Messspannung kleinhalten soll. Weiter sind in die Verbindungsleitung zwischen der Referenzspannung und den nichtinvertierenden Eingängen des Operationsverstärkers 22 nnd des zweiten Komparators 31 sowie dem Ausgang des Integrators und dem invertierenden Eingang des ersten Komparators 25 Widerstände 41, 42 bzw. 43 vorgesehen. Als Schalter zum Umschalten der Integrationsrichtung wird ein Transistor 28 und als Schalter zum Umschalten der Sägezahneckspannungswerte ein Inverter 32 verwendet, die beide über Seriewiderstünde 44, 45 und 46 vom Ausgangssignal des zweiten Komparators 31 gesteuert werden. Weil der Transistor 28 einen nicht vernachlässigbaren Leckstrom aufweist, ist dessen Kollektor über einen Widerstand 47 mit der Referenzspannung verbunden. Der Ausgang des Integrators ist über einen Widerstand 48 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Komparators 31 und dieser Eingang über einen Widerstand 49 mit dem Ausgang des Inverters 32 verbunden, so dass das Signal am Ausgang des Integrators zwischen der unteren Eckspannung UR und der oberen Eckspannung schwankt.
  • Damit wird und d. h.
  • Das Ausgangssignal wird von einem NAND-Tor erzeugt, dessen einer Eingang zwischen den Widerständen 44, 45 an der Ausgangsleitung des zweiten Komparators 31 und dessen anderer Eingang zwischen zwei Widerständen 52, 53 in der Ausgangsleitung des ersten Komparators 25 angeschlossen ist. Wie sich mit Hilfe der Fig. 3 und einer einfachen l7ahrheitstafel zeigen lässt, werden der Transistor 28 und der Inverter 32 zum Zeitpunkt t3 in den leitfähigen bzw. tiefen Ausgangsschaltzustand und zum Zeitpunkt t5 in den gesperrten Zustand bzw. hohen Ausgangz chaltzutand gaschaltat, und der Ausgang des NAND-Tors 51 ist vom Zeitpunkt t3 bis t4 tief und vom Zeitpunkt t4 bis t7 hoch. Am Ausgang des NAND-Tors 51 erscheint darum die in Fig. 3 gezeigte Taktfolge T.
  • Es ist aber auch ein Inverter 54 vorgesehen, dessen Eingang mit dem Ausgang des NAND-Tors verbunden ist und an dessen Ausgang die zur Taktfolge T invertierte Taktfolge T erscheint.
  • Die gezeigte Ausführungsform des Taktgenerators enthält zwei zusätzliche Eingangsklemmen 55, 56. Diese zusätzlichen Eingänge sind für die Zuleitung von Hilfsspannungen bzw. -strömen vorgesehen, mit denen die Schaltschwellen und Integrationssteilheiten und damit die Taktfolge bzw.
  • die Taktbreite beeinflusst werden können. Weiter ermöglichen diese Eingänge, den Taktgenerator auch dann zum Erzeugen einer vorgegebenen Taktfolge zu betreiben, wenn an der Eingangsklemme 20 keine Spannung UM anliegt, d. h. wenn das zu Überwachende Betriebsmittel keinen Strom aufnimmt.
  • In Fig. 5 ist die Peripherieschaltung für eine das Wärmeverhalten eines Betriebsmittels simulierende elektrische Nachbildung gezeigt. Diese Peripherieschaltung ermöglicht, einen Ladestrom in die Nachbildung zu leiten, der in.Uebereinstimmung mit der vom Taktgenerator erzeugten Taktfolge getastet ist, eine der Erwärmung des Betriebsmittels entsprechende Spannung jederzeit abzurufen und das Einfliessen von Störsignalen in die Nachbildung zu verhindern.
  • Die gezeigte Peripherieschaltung weist drei Eingangsklemmen auf. Eine erste Klemme 60 ist für die Referenzspannung vorgesehen, die hier als Ladestromquelle verwendet wird. Eine zweite und dritte Klemme 61, 62 sind mit den Ausgängen 36 bzw. 37 des Taktgenerators verbunden und zum Einleiten der positiven bzw. der invertierten Taktfolge in die Schaltung vorgesehen. Die Klemme 60 ist über zwei parallel geschaltete Widerstände 63, 64 mit einem Ladekondensator 66 und '-ct -4-nen Transistor 67 mit der Masseleitung verbunden. Die Steuerelektrode dieses Transistors 67 ist über einen Widerstand 68 ebenfalls mit der Masse und silber einen Kopplungskondensator 69 mit der Eingangsklemme 62 fÜr die invertierende Taktfolge verbunden. Von der Gegenelektrode des Ladekondensators 66 führt eine Leitung ueber eine Diode 71 in die Nachbildung 18.
  • Der Fusspunkt der Nachbildung ist einerseits über einen Widerstand 73 mit der Eingangsklemme 60 für die Ladespannung und über einen Widerstand 74 mit der Masse verbunden und anderseits über einen Widerstand 75 und einen Inverter 76 mit der Eingangsklemme 61 für die Taktfolge T.
  • In-der Leitung zwischen der Klemme 60 für die Ladespannung und dem einen der beiden Parallelwiderstände (64) ist noch ein Schalter 78 vorgesehen. Dieser Schalter ist geschlossen, wenn das Betriebsmittel und beispielsweise der zu schützende Motor Strom aufnimmt. enn das Betriebsmittel abgeschaltet wird und mit Hilfe der Nachbildung die Abkühlung simuliert werden soll, wird der Schalter 78 geöffnet, so dass über den anderen der beiden Parallelwiderstände (63) nur soviel Strom fliesst, wie zum Ausgleich insbesondere der Leckströme erforderlich ist. Es versteht sich, dass bei abgeschaltetem Betriebsmittel keine Spannung Ut1 an der Klr-une 20 des Taktgenerators liegt und letzterer keine Taktfolge erzeugt. Damit der dem Leckstrom entsprechende Ladestrom trotzdem in die nachbildung geleitet werden kann, müssen entsprechende Hilfsspannungen über die Eingänge 55 oder 56 an den Taktgenerator angelegt werden, was bereits weiter oben erwähnt wurde.
  • In der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Taktimpulsen ist der Transistor 67 im leitfähigen Zustand, und der Strom von der Klemme 60 und durch die Widerstände 63, 64 wird an Masse abgeleitet. zweiter ist der Ausgang des Inverters 76 und darum auch der Fusspunkt der Nachbildung 18 positiv gegen klasse. Bei jedem Taktimpuls erscheint am Ausgang des Inverters eine Spannung Null, so dass der Fusspunkt der Nachbildung tiefer liegt. Gleichzeitig wird der Transistor 67 in den Sperrzustand geschaltet, so dass der Strom von der Klemme 60 durch die Widerstände 63, 64 über den während der Taktpause via Sample- und Hold-Schaltung auf die Spannung der Nachbildung aufgeladenen Kondensator 66 und durch die Diode 71 in die Nachbildung einfliesst.
  • Nach jedem Taktimpuls wird durch das Umschalten des Transistors 67 in den leitfähigen Zustand der Ladestrom wieder an Masse abgeleitet und durch das Anheben der Spannung am Ausgang des Inverters 76 der Fusspunkt und damit natürlich auch die Spannunq am Eingang der Nachbildung 18 angehoben. Durch diese letztere Massnahme kann wirkungsvoll verhindert werden, dass unbeabsichtigte Störimpulse in die Nachbildung einfliessen und die kapazitiven Speicher aufladen, da dann die Diode 71 sperrt, da ihre Anode vonseiten der Sample- und Hold-Schaltung auf der Spannung der Nachbildung (UNB) gehalten wird.
  • Während der Dauer eines Takt impulses entspricht die Spannung an der Gegenelektrode des Kondensators 66 (unter Vernachlässigung des Spannungsabfalls in der Diode 71) praktisch der Spannung am ersten kapazitiven Speicher in der Nachbildung 18. Wie einleitend ausführlich beschrieben wurde, ist diese Spannung ein Dlass für die Erwärmung der Wicklung des Betriebsmittels und wird darum über einen ersten Verstärker 80 zu einer Ausgangsklemme 82 geleitet, die mit der Steuerleitung des in Fig. 1 gezeigten Schwellwertauslösers 19 verbunden ist. Der Ausgang des ersten Verstärkers ist weiter über einen Transistor 83 und einen Widerstand 84 mit einem Kondensator q5 d dem Eing;'n PFnos zw^iton stärkers 86 verbunden. Die Steuerelektrode des Transistors 83 ist über einen Widerstand 88 an den Ausgang des ersten VerstSrkers 80 und über einen weiteren Widerstand 89 und einen Kondensator 90 an die Eingangsklemme 61 für die positive Taktfolge angeschlossen. Der Ausgang des zweiten Verstärkers 86 ist über einen weiteren Transistor 92, vorzugsweise einen MOS-P-Kanal-Enhancement-Transistor mit der Gegenelektrode des Kondensators 66 und dem Eingang des ersten Verstärkers 80 verbunden. Die Steuerelektrode dieses Transistors ist über einen Widerstand 93 und einen Kondensator 94 ebenfalls an die Eingangsklemme 61 für die positive Impuls folge geführt.
  • Solange ein positiver Impuls an der Eingangsklemme 61 liegt, ist der Transistor 83 in den leitfähigen Zustand geschaltet, und die Spannung am Ausgang des ersten Verstärkers 80 wird an den Kondensator 85 und den Eingang des zweiten Verstärkers 86 geleitet. Weil die Steuerelektrode und die mit dem Verstärkerausgang verbundene Elektrode des Transistors 92 über eine Diode 96 und einen dazu parallelgeschalteten lViderstand 97 verbunden sind, ist dieser Transistor während der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Takt impulsen und während jedes Taktimpulses im nichtleitenden Zustand, wird aber von der rückwärtigen Flanke jedes positiven Taktimpulses kurzzeitig in den leitfähigen Zustand geschaltet.
  • illit dem Unterbrechen der Verbindung zwischen der Gegenelektrode des Ladekondensators 66 und dem Eingang des zweiten Verstärkers 86 am Ende eines Taktimpulses und dem kurzzeitigen Umschalten des Transistors 92 in den leitfähigen Zustand wird erreicht, dass die Spannung an der Gegenelektrode des Ladekondensators 6G, die am Ende jedes Taktimpulses beim Umschalten des Transistors 67 gemäss der Umladung während des positiven Taktes und der gleichzeitigen Umladung der Nachbildung absinkt, wieder auf den gleichen inert angehoben wird, den sie während des vorhergehenden Takt impulses angenommen hatte. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die der Ladespannung am ersten Kondensator in der nachbildung entsprechende Spannung am Ausgang des ersten Verstärkers 80 und an der Ausgangsklemme 82 auch während der Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen verfügbar ist.
  • Das neue Schutzrelais kann mit handelsüblichen Bauelementen aufgebaut werden. Dahei liegt es im Bereich fachmännischen Könnens, durch geeignete Auswahl der verschiedenen Bauelemente die Kennwerte des Schutzrelais an spezifische Forderungen anzupassen. fls ist auch möglich, anstelle des beschriebenen, als Sägezahngenerator ausgebildeten Taktgenerators irgendeinen anderen Taktgenerator zu verwenden, der eine Taktfolge erzeugt, deren Taktimpulsbreite und Taktfolge proportional zu einer Signalspannung veränderlich sind. Auch die Peripherieschaltung kann anders ausgebildet sein als die oben beispielsweise beschriebene Ausführungsform.
  • Ein weiterer Vorteil der Diode 71 ist, dass die Nachbildung sich in spannungslosem Zustand der ganzen Schaltanordnung nicht über Teile der Schaltanordnung entladen kann. So wird die Abkühlung des Motors getreu nachgebildet.

Claims (10)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e Elektronisches Schutzrelais zur Schutzabschaltung eines elektrischen Betriebsmittels, sobald dieses Betriebsmittel eine vorgegebene Erwärmung erreicht, enthaltend - eine Stromquelle, einen Taktgenerator, dem eine dem vom Betriebsmittel aufgenommenen Strom proportionale Messspannung zugeleitet wird und der eine Takt folge mit einer der Messspannung proportionalen Taktperiode erzeugt, eine elektronische Betriebsmittelnachbildung zum Simulieren des Wärmeverhaltens des Betriebsmittels, einen Schwellwertauslöser zum Auslösen eines in der Stromleitung für das Betriebsmittel vorgesehenen Schaltrelais und eine Peripherieschaltung, die die Stromquelle über einen vom Taktgenerator gesteuerten Schalter mit dem Eingang der Betriebsmittelnachbildung und diesen Eingang mit dem Eingang des Schwellwertauslösers verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (15) einen konstanten Strom abgibt und zum Erzeugen eines effektiven Ladestroms für die Betriebsmittelnachbildung (18), der dem Quadrat des von dem Betriebsmittel (10) aufgenommenen Stroms proportional ist, der Taktgenerator (16) eine Taktfolge erzeugt, deren Taktimpulsbreite der Messspannung ebenfalls proportional ist.
  2. 2. Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Peripherleschaltun4 (17) einen Schaltkreis (73, 74, 75, 76) aufweist, der den Fusspunkt der Betriebsmittelnachbildung (18) zum Vermeiden der Einleitung von Störsignalen während der Zeit zwischen den Taktimpulsen anhebt und dadurch eine in der Eingangsleitung der Nachbildung angeordnete Diode 71 sperrt.
  3. 3. Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Peripherieschaltung (17) eine Speichereinrichtung (66, 80, 83, 84, 85, 86, 92) aufweist, die die am Ende jedes Taktimpulses am Eingang der Betriebsmittelnachbildung (18) erreichte Spannung während der Zeit bis zum Beginn des folgenden Taktimpulses speichert.
  4. 4. Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Taktgenerator (Fiq. 4) einen Sägezahngenerator (22, 29, 31, 28, 32) enthält, der eine Ausgangsspannung erzeugt, mit einer ersten kürzeren Flanke, deren zeitliche Dauer (tR) praktisch konstant ist, und einer zweiten längeren Flanke, deren zeitliche Dauer (to) der Messspannung proportional ist, und einem Komparator (25), der die Ausgangsspannung des Sagezahngenerators mit der Messspannung vergleicht, und eine Schaltlogik (34), die vom Zeitpunkt (t3) des Uebergangs der Ausgangsspannung des Sägezahngenerators von der zweiten zur ersten Flanke bis zum Zeitpunkt (t4), zu dem die Spannung der ersten Flanke gleich der Summe aus einer Referenzspannung und der Messspannung ist, einen Taktimpuls erzeugt.
  5. 5. Schutzrelais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sägezahngenerator einen Operationsverstärker (22) enthält, dem ein Kondensator (29) parallel geschaltet und ein Komparator (31) nachgeschaltet ist, sowie einen Transistor (28) und einen Inverter (32), dessen Steuerelektrode bzw. eingang mit 3om. h æn«g Zeo Kcmparators verbunden sind, welcher Transistor das Laden und Entladen des Kondensators und welcher Inverter die Spannung am invertierenden Eingang des Komparators steuert.
  6. 6. Schutzrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis einen Spannungsteiler (73, 74) enthält, dessen Abgriff mit dem Fusspunkt der Betriebsmittelnachbildung (18) und dem Ausgang eines Inverters (76) verbunden ist, welcher Inverter von den Taktimpulsen gesteuert wird.
  7. 7. Schutzrelais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung einen Speicherkondensator (66) aufweist, der über einen Verstärker (80) mit der Ausgangsklemme (82) verbunden ist und dass diese Klemme zum Ausgleich von Spannungsänderungen am Ende jedes Taktimpulses über einen ersten Transistor (83) mit einem Hilfskondensator (85) und einen weiteren Verstärker (86) und einen zweiten Transistor (92) mit dem Speicherkondensator verbunden ist, welcher erste Transistor während der Dauer jedes Taktimpulses und welcher zweiten transistor nur während der rückwärtigen Flank jedes Taktimpulses in den leitfähigen Zustand geschaltet ist.
  8. 8. Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (66) für die Betriebsmittelnachbildung (18) über mindestens einen Widerstand (63) mit einer Referenzspannung (60) verbunden ist und ein Transistor (67) vorgesehen ist, der zum Unterbrechen des Ladestroms während der Pause -zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen in den leitfähigen Zustand geschaltet ist und den Kondensator it der 3tassel ^4 t"ng -rbindct-
  9. 9. Schutzrelais nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Widerstand (63) in der Verbindungsleitung zwischen der Referenzspannung (60) und dem Kondensator (66) ein zweiter Widerstand (64) und ein Schalter (78) parallel geschaltet sind, welcher Schalter während der Stromaufnahme des Betriebsmittels (10) geschlossen und nach dem Abschalten des Betriebsmittels zur Versorgung der Betriebsmittelnachbildung (18) mit einem nur zum Ausgleich von Verlusten vorgesehenen Ladestrom geöffnet ist.
  10. 10. Schutzrelais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Taktgenerator (Fig. 4) mindestens zwei zusätzliche Eingangsklemmen (55, 56) zum Einleiten von Hilfsspannungen bzw. -strömen aufweist, um auch bei einer tilessspannung Null eine Takt folge zu erzeugen und/oder die Schaltschwellen und Integrationssteilheit zu steuern.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1638009B2 (de) * 1968-01-23 1972-08-24 Danfoss A/S, Nordborg (Danemark) Gleichspannungsgespeiste, geregelte gleichspannungsversorgung
CH534444A (de) * 1972-05-23 1973-02-28 Sprecher & Schuh Ag Elektronisches Motorschutzrelais mit stromabhängiger Auslösung
DE2263540B2 (de) * 1972-12-27 1975-05-22 Hartmann & Braun Ag, 6000 Frankfurt Schaltungsanordnung zur Überwachung der Erwärmung von stromdurchflossenen Schützlingen, insbesondere Leitungen und Kabeln

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