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Elektronisches Schutzrelais
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Spannung am Ausgang des Integrators steigt weiter, bis sie um
den Zeitpunkt t5 den ert UIA = UR + AU erreicht.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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Das bedeutet, dass die oben definierte relative Einschaltdauer T der
slessspannung bzw. dem vom zugeordneten elektrischen Betriebsmittel aufgenommenen
Strom quadratisch proportional ist.
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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.
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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.
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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.
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Damit wird
und
d. h.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.