DE69009053T2 - Vorrichtung und verfahren zum messen elektrischen stromes im zustand hoher interferenz. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Messen von elektrischem Strom unter Bedingungen oder im Zustand hoher Interferenz, um z.B. eine Überlastschutzvorrichtung zu steuern.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen von elektrischem Strom gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
• Die Erfindung ist insbesondere auf einen Betrieb im Zusammenhang mit einem Wärmeuberlastrelais eines Motors gerichtet. Mit Hilfe der Erfindung wird das Temperaturverhalten des Motors von dem in den Stromleitern des Motors fließenden Strom durch Integration der Motortemperatur hergeleitet. In Überlastsituationen trennt das Wärmeüberlastrelais entsprechend einer standardisierten Betriebskurve den Motor von der Energieversorgung.
• Die EP-A-0 176 634 beschreibt eine Vorrichtung zum Überwachen des Verbrauchs von elektrischem Strom, die eine Hall-Effekt- Abtasteinheit enthält, die extern auf ein Kabel angewandt wird. Die EP-A-0 176 634 beschreibt nicht die Verwendung eines kammförmigen Kerns.
• Die Strommessung wird mittels in der Technik gut bekannten Hall-Effekt-Halbleitersensoren ausgeführt, die gemäß der Erfindung angeordnet sind. Die Sensoren messen die magnetische Flußdichte, die durch den in dem Leiter fließenden Strom induziert wird. In diesen Einrichtungen wird eine Spannungsinformation erhalten, die geeignet ist, in digitale Form konvertiert zu werden.
• Auf der Basis der digitalen Information wird dem integrierenden Zähler eine Frequenz zugeführt, die die Zählung steuert, wodurch die Temperaturzunahme oder -abnahme im Motor approximiert oder angenähert wird. Wenn der Zähler einen eingestellten kritischen Pegel erreicht, gibt er an das Auslöserelais ein Signal aus, um den Motor von der Energieversorgung zu trennen.
Übersicht über herkömmliche Ausführungen
• Wärmeüberlastrelais basierend auf Strommessung sind in zwei Kategorien erhältlich: Billige elektromechanische Wärmeüberlastrelais basierend auf Bimetallstreifen und Überlastrelais auf Mikroprozessor-Basis mit bemerkenswert höheren Kosten (ungefähr 10 mal so viel).
• Das Bimetall-Wärmerelais mit einem mehrere Jahrzehnte alten Grundaufbau nähert die Temperaturzunahme und -abnahme im Motor durch Erwärmen eines Bimetallstreifens an. Der Streifen ist von einer Widerstandsdrahtwicklung umgeben, durch die der Notorstrom hindurchgeht und dadurch den Streifen mit einem Leistungspegel proportional zum Quadrat des Stroms erwärmt. Sobald die Streifentemperatur die Auslösetemperatur erreicht, d.h. der Streifen ausreichend zum Auslösen des Auslösemechanismus gebogen ist, werden die durch den Mechanismus gesteuerten Kontakte geöffnet. Die Streifen erhalten ihre ursprüngliche Geradheit zurück, wenn sie abkühlen, und ein Umkehrmechanismus schließt die Kontakte wieder, wenn sich die Streifen auf die Temperatur der unmittelbaren Umgebung abgekühlt haben.
• Ein Überlast-Auslöserelais auf Mikroprozessor-Basis mißt den Motorstrom mittels Stromumwandlern und schätzt die Motortemperatur durch ein Berechnungsprogramm ab. Zusätzlich ermöglicht es der Prozessor einige Hilfsfunktionen auszuführen, wie das Überwachen des Nulleiterstroms der Energieversorgung und von Erdungsfehlern oder Masseschlüssen sowie Unterstrom- Situationen.
• Die Hauptprobleme des thermischen Bimetall- oder Bimetall- Wärmerelais sind seine Empfindlichkeit auf Änderungen der Umgebungstemperatur, der mit einer einzelnen Vorrichtung verfügbare relativ enge Strombereich und die geringe thermische Trägheit des Bimetallstreifens in Relation zur Masse des Motors, was insbesondere die Möglichkeiten zum Abschätzen des Kühlverhaltens des Motors beeinflußt.
• Auf der Verwendung eines Mikroprozessors basierende Ausführungen gestatten die Überwindung aller Nachteile des thermischen Bimetall-Relais, jedoch sind diese Vorrichtungen groß und teuer, und außerdem führt das darin verwendete Strommeßverfahren zu einer klobigen Anordnung und hohen Herstellungskosten.
Umfang der Erfindung
• Es ist das Ziel dieser Erfindung, die Nachteile der oben beschriebenen Verfahren des Standes der Technik zu überwinden und einen neuen Typ einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Messen von elektrischem Strom unter Bedingungen oder im Zustand hoher Interferenz zu schaffen, insbesondere zur Verwendung bei einer Wärmeüberlastrelais-Anwendung.
• Die Erfindung basiert darauf, daß die Meßvorrichtung nahe den Stromleitern angeordnete Hall-Sensoren und Magnetflußkonzentratoren enthält, die über den Stromleitern angeordnet sind.
• Genauer ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist.
• Ferner ist das Verfahren gemäß der Erfindung durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 angegeben ist.
• Die Strommessung wird mittels der nahe den Stromleitern angeordneten Hall-Sensoren durchgeführt. Durch Auswahl von geeignet empfindlichen Hall-Sensoren wird ein Strombereich erzielt, der weiter ist, als der, der bei Wärmeüberlastrelais auf Bimetall- oder Mikroprozessorbasis erreicht wird.
• Um in der Lage zu sein, die Motortemperatur mit einer angemessenen Eliminierung der Wirkung der Umgebungstemperatur abzuschätzen, muß der Wärmeenergie-Indikator temperaturunabhängig sein. Dieses Erfordernis wird durch die Verwendung eines Zähleraufbaus gelöst. Die von den Hall-Sensoren erhaltene analoge Information wird in eine digitale Form umgewandelt, deren Größe in Kombination mit dem nominalen Stromwert bestimmt, ob dem Zähler eine abnehmende oder zunehmende Frequenz zugeführt wird, was davon abhängt, wohin das Stromsignal innerhalb des Meßbereichs fällt. Der integrierende oder Integrationszähler ist ein Aufwärts/Abwärts-Zähler, dessen Zählfrequenz und -richtung direkt von der binären Form des Stromausgangssignals der Analogsektion erhalten wird. Der Zähleraufbau sorgt für die Eliminierung von möglicher Wärmeoszillation, die zum Beispiel bei thermischen Bimetall-Relais aufgrund der deutlich geringeren erwärmten thermischen Masse des Bimetall-Relais im Vergleich mit der des Motors auftritt, was zu einer entsprechend schnelleren Abkühlung führt. Bei dem Zähleraufbau ist eine motorspezifische Abkühlrate wählbar. Dieses Prinzip ermöglicht den Aufbau eines elektronischen Wärmeüberlastrelais mit Kosten, die nur unwesentlich höher sind als jene eines thermischen Bimetall-Überlastrelais.
Bedeutsame Vorteile der Erfindung
• Die Vorrichtung ist zum genauen Abschätzen der Erwärmungskurve eines Motors geeignet und verhindert somit Wärmeoszillationen, die den Motor beschädigen könnten.
• Die digitale Logikschaltung bietet Hilfsfunktionen, die unmöglich mit einem thermischen Bimetall-Überlastrelais auszuführen sind. Zum Beispiel kann die Vorrichtung an eine Fernsteuerung angeschlossen werden, wodurch es der Vorrichtung ermöglicht wird, eine Steuerzentrale über eine Überlastsituation und die Veranlassung des Auslösens zu alarmieren. Ferner ist die Vorrichtung von der Steuerzentrale fernsteuerbar. Außerdem kann sie mit der Überwachung des Versorgungs- oder Zuführungs- Nulleiter-Stroms für die Detektion eines Phasenzweigfehlers oder Lastungleichgewichts ausgestattet sein.
• Die digitale Vorrichtung schafft eine bessere Abschätzung der tatsächlichen Kühlungskurve des Motors als ein Bimetall- Relais, da sie nicht durch eine erwärmte thermische Masse beschränkt ist, die kleiner als die des Motors ist, so daß eine individuelle Einstellung der Kühlungskurve für jeden Motor ermöglicht wird.
• Der Aufbau der Vorrichtung ist unempfindlich gegenüber der Umgebungstemperatur. Die Verwendung von Hall-Sensoren ermöglicht einen weiteren Betriebsstrombereich in den Relais- Modulen; zum Beispiel kann der Bereich von 2 ... 125 A mit drei Modulen abgedeckt werden, wohingegen die benötigte Anzahl von verschiedenen Größen von thermischen Bimetall-Relais über 20 sein würde.
• Die Erfindung wird unter Zuhilfenahme der in den angefügten Zeichnungen dargestellten beispielhaften Ausführungsformen genau beschrieben.
• Fig. 1 zeigt den Anschluß eines Überlastrelais gemäß der Erfindung auf einem Blockdiagrammniveau.
• Fig. 2 zeigt in einem Graphen eine standardisierte Zeit-Strom- Betriebskurve.
• Fig. 3 zeigt die Betätigungstafel eines Überlastrelais gemäß der Erfindung.
• Fig. 4 zeigt ein Überlastrelais gemäß der Erfindung in einem genauen Blockdiagramm.
• Fig. 5 zeigt einen Hall-Effekt-Sensor in einer perspektivischen Ansicht.
• Fig. 6 zeigt die Analogsektion eines Überlastrelais gemäß der Erfindung in einem genauen Blockdiagramm.
• Fig. 7 zeigt die Digitalsektion eines Überlastrelais gemäß der Erfindung in einem genauen Blockdiagramm.
• Fig. 8 zeigt die Anordnung des Hall-Sensors in einem Überlastrelais gemäß der Erfindung, betrachtet aus der Richtung des Stromleiters.
• Fig. 9 zeigt eine Seitenansicht eines einzelnen Hall-Sensors des in Fig. 8 dargestellten Typs.
• Fig. 10 zeigt die Phasen-Folgesteuerungseinrichtung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Diagramms.
• Fig. 11 zeigt die Spannungspegel-Folgesteuerungseinrichtung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Diagramms.
• Fig. 12 zeigt die Überlastsignal-Verzögerungsschaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Diagramms.
• Fig. 13 zeigt die Spannungspegel-Halte- oder Verriegelungsschaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Diagramms.
• Fig. 14 zeigt den Frequenzgenerator der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Diagramms.
• Fig. 15 zeigt den Frequenzmultiplexer der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Diagramms.
• Fig. 16 zeigt den Aufwärts/Abwärts-Zähler der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Diagramms.
• Fig. 17 zeigt den Komparatorblock der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Diagramms.
• Fig. 18 zeigt die Detektionslogik der Vorrichtung gemäß der Erfindung für abgebrochenen Start in Form eines Diagramms.
• Fig. 19 zeigt die Unterlast-Detektionslogik der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Diagramms.
• Fig. 20 zeigt die Test-Folgesteuerungseinrichtung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Diagramms.
• Fig. 21 zeigt das Ausgabe- oder Ausgangspufferregister der Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Diagramms.
Allgemeine Beschreibung der Elemente der Erfindung Hauptfunktionen
• Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist das intelligente elektronische Überlastrelais 12 zur Verwendung als ein Überlastschutz von Dreiphasen-Motoren 10 über den Strombereich 2 ... 125 A ausgelegt. Die Überlastrelais-Vorrichtung ist zwischen der Energieversorgung und dem Motor 10 zum Zwecke des Betätigens des Auslösens oder des Schaltens des Motors in dem Fall angeordnet, daß der Motor durch Überlast oder jegliche andere Fehlfunktion überhitzt wird. Der Betriebsstrombereich ist in Unterbereiche aufgeteilt: 2 ... 24 A, 20 ... 80 A und 63 ... 125 A. Unter Verwendung vorbestimmter Berechnungsfunktionen verarbeitet die Überlastrelais-Vorrichtung das von Hall- Effekt-Sensoren bereitgestellte Spannungssignal. Der Hall- Sensor 12, die Signalkonditionierungsschaltung 12 und das Relais 11 werden von einer Hilfsspannung von 110 ... 220 V versorgt, die ferner getrennt zum Wärmeüberlastrelais geleitet wird. Gemäß Fig. 3 ist der Betriebsmodus durch DIP-Schalter 31 vom Anwender einstellbar, während ein Potentiometer 30 mit einer kalibrierten Skala zum Einstellen des Strombereichs verwendet wird. Weitere Interface- oder Funktionselemente bezüglich des Betriebs der Vorrichtung sind zwei Ausgabe- oder Ausgangsanschlüsse 32, ein Flach- oder Bandkabel-Verbinder oder -Stecker 33, ein Paar Eingangs- oder Eingabeanschlüsse 34 für die Hilfsspannungen, ein Paar von Eingangs- oder Eingabeanschlüssen 37b, 35 für die ferngesteuerte Rückstellung, ein Test-Druckknopf 36 und ein Rückstelldruckknopf 37a sowie vier LCD-Lampen 38 zum Anzeigen der Betriebsbedingung oder des Betriebszustandes und zum Verursachen des Auslösens, optional ergänzt mit einer Einrichtung zur Gerätebusverbindung.
• Hauptursachen der durch die Umgebung erzeugten Interferenzen, Beeinflussungen oder Störungen erfordern höchst sorgfältige Beachtung. Daher macht die Verwendung von empfindlichen Hall- Sensoren in der Überlastrelais-Vorrichtung die Verwendung einer Faradaykäfig-Konstruktion als Schutz gegen externe elektromagnetische Felder erforderlich, wenn auch das gewünschte Feld mittels eines ferromagnetischen Kerns oder Herzens auf den empfindlichsten Punkt des Hall-Sensors konzentriert oder gebündelt ist. Ferner ist ein Referenz-Hall-Sensor hinzugefügt, um die Kompensation eines jeglichen möglichen verbleibenden Interferenzsignals zum Verfälschen der Messung zu erreichen. Durch das Anstreben von äußerst reduzierten Gesamtkosten, wurde die Konstruktion der Vorrichtung hinsichtlich maximaler Einfachheit gestaltet.
Prinzipielle Charakteristika Funktion des Überlastrelais
• Das Betätigungselement einer Überlastschutzvorrichtung ist ein Relais, das ein Schaltschütz steuert. Das Schaltschütz führt das Auslösen oder Trennen des Motors von der Energieversorgung aus und verhindert somit eine Beschädigung des Motors. Das Relais der Vorrichtung wird durch eine kundenspezifische integrierte Schaltung (ASIC) gesteuert. Ein Hall-Sensor erzeugt das notwendige Spannungseingangssignal für die Logikschaltung. Das Sensorsignal ist linear proportional zum Strom, der in der Zuführleitung zum Motor fließt.
Zeit-Strom-Betriebsfunktion
• Die Zeit-Strom-Betriebsfunktion (Fig. 2) des Überlastrelais entspricht standardisierten Kurven. Da ein getrennter Temperatursensor nicht verfügbar ist, wird die Motortemperatur aus einer Berechnungsfunktion des Überstroms erhalten, der den nominalen Strom übersteigt. Die Überlastrelais-Vorrichtung schätzt die durch den Überstrom erzeugte Wärme durch Integration in einen Zähler auf sieben verschiedenen Stromniveaus ab, nämlich den Vielfachen von 0,7, 0,95, 1,05, 1,19, 1,25, 1,45, 1,7, 2,0, 2,5, 2,8, 3,4, 4,0 und 5,0 des nominalen Stromes In. Das Überlastrelais entscheidet über das Auslösen gemäß den folgenden Regeln: Beim Strompegel von 1,05 In wird innerhalb von zwei Stunden kein Auslösen stattfinden; wenn der Strom daran anschließend auf 1,2 In erhöht wird, muß ein Auslösen in ungefähr einer halben Stunde auftreten. In gleicher Weise muß die Erhöhung des Stroms vom erwärmten Zustand auf 1,5 In zu einem Auslösen in weniger als 2 Minuten führen. Ein sofortiges Ansteigen des Laststroms auf 5 In bei einem Kaltstart muß zu einem wählbaren Auslösen in 2, 8, 16 oder 26 Sekunden führen. Diese Charakteristik ist vorgesehen, um die Verwendung von Motoren in Maschinenanordnungen zu gestatten, die eine lange Startanlauflast ausnutzen. Die Logikschaltung der Überlastrelais-Vorrichtung verarbeitet gleichzeitig das Stromsignal eines Phasenzweiges. Das Stromsignal des Phasenzweiges wird in RMS-Spannungssignalpegel umgewandelt, die mit einem durch ein Potentiometer einstellbaren Referenzpegel verglichen werden.
• Wenn die Startanlaufzeit auf die kürzeste Möglichkeit eingestellt ist, die zwei Sekunden ist, gestattet die Logik zusätzlich zum gegenwärtigen Starten zwei zusätzliche Versuche eines erneuten Startens innerhalb von 2 Minuten in den Fällen, in denen der Strompegel das Niveau 5 In unmittelbar beim Startanlauf übersteigt und auf dem hohen Niveau bis zum Auslösen verbleibt. Wenn der Motorstrom das Niveau 5 In auch während des zweiten Startanlaufs übersteigt und bis zum Auslösen wieder auf dem hohen Niveau verbleibt, erzwingt die Vorrichtung einen Zeitraum von 30 min für das Abkühlen des Motors vor dem nächsten Wiederholungsversuch zum Startanlauf. Wenn die Achtsekunden-Startanlaufdauer gewählt ist, gestattet die Logik nur einen Versuch zum wiederholten Startanlauf.
• Die Überlastrelais-Vorrichtung ist ferner geeignet, eine Phasenzweig-Fehlerüberwachung durch wechselweises Vergleichen der Phasenzweigströme auszuführen. Ein Öffnen der Motorschaltung durch das Überlastrelais ist bei Strompegeln unterhalb 0,2 In ausgeschlossen. Wenn der höchste Zweig-Strom der drei Phasenzweige die Grenze von 0,2 In übersteigt wird ein Auslösen mit einer Zeitverzögerung von einer Sekunde unter der Bedingung ermöglicht, daß ein Unterschied von mehr als 90 % zwischen je zwei Phasenzweigströmen existiert.
• Eine weitere optionale Funktion ist die Unterlastindikation. Der gewünschte Detektionspegel wird durch DIP-Schalter aus voreingestellten Pegeln von 20, 50, 70 und 95 % ausgewählt, die vom nominalen oder Nennstrom erzeugt werden. Die verfügbaren Unterstrombereiche sind: < 0,2, 0,2 ... 0,5, 0,2 ... 0,7 und 0,2 ... 0,95 In. Beim Detektieren einer Unterlast gibt die Überlastrelais-Vorrichtung einen Alarm an die Steuerzentrale mit einer Zeitverzögerung von einer Sekunde.
• Die optionalen Funktionen enthalten ferner die Indikation eines Erdungsfehler- oder Masseschlußstromes. Für diesen Zweck werden die Stromsignale von den Phasenzweig-Stromsensoren summiert, und die Summe muß beim normalen Betrieb 0 sein; wenn sich die Summe um mehr als 15 % von dem eingestellten Referenzpegel unterscheidet, wird ein Alarm an die Steuerzentrale ausgegeben. Die Alarmfunktion wird jedoch für die Dauer der Startanlaufsequenz verhindert, um für die Stabilisierung der Analogsektionsfunktionen und ein Erreichen von repräsentativen Signalwerten zum Summieren zu sorgen.
• Aufgrund des empfindlichen Aufbaus der für das Einstellen der Strombereiche verwendeten Potentiometer, erfordert deren Funktion eine kontinuierliche Überwachung. Wenn die Schaltung eine Kontaktunterbrechung detektiert, die länger als 0,5 s andauert, wird die Fehlfunktionssituation durch Konfigurieren derartiger Vorverstärker, die an ein Potentiometer angeschlossen sind, in Spannungsnachläufer vermieden.
• Der Anwender wird über funktionale und Auslösezustände durch vier LCD-Lampen alarmiert, die an der Frontplatte des Überstromauslöserelais montiert sind. Überlastsituationen werden durch eine blinkende "Überlast/Auslösung"-LCD-Lampe angezeigt. Bei der Überhitzung des Motors, was zu einen Auslösen führt, leuchtet die "Überlast/Auslösung"-LCD-Lampe durchgehend. Wenn die Auslösung durch eine ausgelöste Sicherung verursacht wird, was auch die Phasenzweig-Fehlerüberwachung aktiviert, wird auch die "Sicherungsfehler"-LCD-Lampe erleuchtet. Die "Halt"- LCD-Lampe ist erleuchtet, wenn der Motorstrom während des Startanlaufs sofort den Pegel 5 In übersteigt und auf diesem hohen Niveau bis zum Auslösen verbleibt, so daß eine Situation eines angehaltenen Motors angezeigt wird. Ein durch einen Masseschluß verursachtes Auslösen wird durch die "Masseschluß"- LCD-Lampe angezeigt. Die Frontplatten-LCD-Lampen zeigen immer nur den letzten Alarmzustand an. Das Löschen des Anzeigenlampenpanels ist durch Drücken des "Rückstell"-Druckknopfes möglich.
• Das Drücken des "Test"-Druckknopfes aktiviert den Selbsttest der Vorrichtung, der 2 Sekunden dauert. Während des Tests führt die Schaltung ein Auslösen in 2 Sekunden gefolgt von einem kompletten Rückstellen der gesamten Schaltung aus. Der "Test"-Druckknopf ist nur betätigbar, wenn der Aufwärts/Abwärts-Zähler im "Abwärts-"Zustand ist und der Zähler einen kalten Motor angibt.
• Das Drücken des "Rückstell"-Druckknopfes löscht den "Ausgelöst"-Zustand aus dem "Ausgabepuffer"-Register. Die Löschfunktion wird für eine eingestellte Zeit nach dem Auslösen verhindert, um Wärmeoszillationen im Motor zu vermeiden.
• Im automatischen Betriebsmodus wird das Überstromauslöserelais gemäß der folgenden Tabelle zurückgestellt: Auslösezeitverzögerung Sperrdauer
• Der "0"-Auslöseknopf kann zum Anhalten des Motors auch unter normalen Betriebsbedingungen verwendet werden.
• Die Platte oder Konsole des Überlastrelais ist ferner mit Einstellsteuerungen versehen, die zum Beispiel durch Verwendung von DIP-Schaltern ausgeführt sind. Diese Steuerungen werden zum Einstellen der Zeitverzögerung des Auslösestrompegels von 5 In verwendet. Ferner werden die Schalter zum Einstellen eines manuellen oder automatischen Rückstellmodus nach dem Auslösen verwendet. Die Unterlastfunktion und Einstellpegel des Stroms sind durch Schalter wählbar.
• Die Platte oder das Panel hat einen Ausgangs- oder Ausgabeanschluß für die Steuerschaltung der Schaltschützwicklung und die Alarmschaltung, die zum Anzeigen eines ausgelösten Zustandes des Relais verwendet wird.
• Ein Eingangs- oder Eingabeanschluß ist zum Ausführen der Fernsteuerung von Funktionen entsprechend der Betätigung des "Rückstell"-Druckknopfes vorgesehen.
• Um die Notwendigkeit eines getrennten Strommessers zu vermeiden, wird ein analoges Stromsignal proportional zum Nennstrom zur Ausgangskarte des Vorgangssteuerrungssystems geleitet.
• Ferner ist eine Bandkabel- oder -leitung-Anschlußvorrichtung mit 10 Stiften vorgesehen, die eine Stiftkonfiguration hat, bei der eine einzelne Signalleitung den Auslösungszustand anzeigt, vier Leitungen für Haltepegelsignale verfügbar sind und spezielle Leitungen für Alarmierungen über die Masseschluß-, Unterlast- und Selbsttest-Zustände zur Verfügung stehen. Zusätzlich empfängt das Schaltschütz ein Vorwarnsignal über eine nahe bevorstehende Auslösung, sobald der Aufwärts/Abwärts- Zähler bis auf 90 % der insgesamt zugelassenen Wärmelast des Motors integriert hat. Alle digitalen Ausgangsstufen sind vom Offenen-Kollektor-Typ.
Verbindungen und externe Strukturen Steuerungen
• Gemäß Fig. 3 wird die Anwenderschnittstelle des Überlastrelais durch ein Potentiometer 30 bereitgestellt, das zum Einstellen der Skala des Nennstroms entsprechend der gewünschten Funktion des Relais einstellbar ist. Die Zustandsanzahl der DIP- Schalter 31 ist acht (8). Ein Anschluß ist zum ferngesteuerten Rückstellen vorgesehen.
Verbindungen
• Gemäß Fig. 3 nimmt das Überlastrelais die Zuführleitungen der Phasenzweige an Schraubanschlüssen 39a auf, und dieselben Zweige gehen durch das Relais und treten an Anschlüssen 39b aus. Bei Wärmerelaismodulen, die für den Strombereich 2 25 A ausgelegt sind, sind die Ausgangsphasenzweiganschlüsse Metallstäbe, die direkt kompatibel zu den Schraubanschlüssen des Schaltschütz sind, während Module der höheren Strombereiche mit Schraubanschlüssen versehen sind. Zum Anschluß der Schaltschützwicklungsschaltung hat das Relais ein Paar Schraubanschlüsse 32a, während der Alarmsignalausgang oder die Alarmsignalausgabe an einem Paar Schraubanschlüssen 32b verfügbar ist (vorgesehen zur Anzeige des ausgelösten Zustandes), die ein funktional komplementäres (invertiertes) Signal bereitstellen. Ferner sind Anschlüsse 34 für den Anschluß der Hilfsspannung vorgesehen. Die 10-stiftige Flachkabel- oder Bandleitungsanschlußvorrichtung 33 stellt die Zustandssignale für ein intelligentes Schaltschütz bereit, die ferner an einen Signalbus oder eine Signalvielfachleitung geleitet werden. Ein ferngesteuertes Rückstellsignal wird durch ein weiteres Paar von Anschlüssen 37b zugeführt. Das Analogsignal an einen Verfahrensrechner ist durch einen Stift des Flachkabelanschlusses verfügbar. Eine derartige Einrichtung gestattet das Ersetzen eines teueren Strommessers, jedoch bei einer verringerten Genauigkeit.
Anzeigevorrichtungen
• Die Übertretung des Nennstrompegels wird durch das Blinken des an dem Indikatorlampenpanel 38 von Fig. 3 angebrachten "Überlast/Auslösung"-LCD-Lampenindikators angezeigt, während eine kontinuierlich beleuchtete LCD-Lampe den Auslösungszustand anzeigt. Die "Halt"-LCD-Lampe zeigt eine Auslösung durch Anhaltebedingungen an, nämlich, daß der Strom sofort das Niveau 5 In beim Startanlauf erreicht hat und auf dem hohen Niveau bis zum Auslösen bleibt. Ein Phasenzweigfehler wird durch die "Sicherungsfehler"-LCD-Lampe angezeigt, die bei einem Unterschied von mehr als 90 % in den Strömen von je zwei Phasenzweigen sofort erleuchtet wird. Die "Masseschluß"-LCD-Lampe wird erleuchtet, wenn die Summe der Phasenzweigstromsignale um mehr als 15 % vom eingestellten Wert abweicht. Wenn die Selbstdiagnose des Relais einen funktionalen Fehler detektiert, beginnen die LCD-Lampen zu blinken, wobei die LCDs durchgehend erleuchtet bleiben, die ein Auslösen oder einen anderen Fehler anzeigen. In Abhängigkeit von der Anwendung können die LCD-Lampen an der Frontabdeckung des Relaisgehäuses installiert sein. In diesem Fall können entweder die LCD- Lampen an der Abdeckung verkabelt sein, oder das Licht von den LCD-Lampen kann alternativ mittels Lichtleitern, die vor den LCD-Lampen angebracht sind, zur Abdeckung geleitet werden.
Externe Komponenten und Strukturen
• Die einzige externe Komponente, die von dem Wärmeüberlastrelais benötigt wird, ist ein Schaltschütz. Das in das Relais eingehende Signal ist ein externes "Rückstell"-Signal, das eine ähnliche Funktion wie der Rückstelldruckknopf ausführt. Aus dem Relais ausgehende Signale sind die Steuerspannung der Schaltschützwicklung, die Alarmausgabe und die Flachkabel- Anschlußsignale, möglicherweise ergänzt durch eine optionale Busschnittstelle, die ein serielles Kommunikationsprotokoll verwendet.
• Das Eingangssignal "Rückstellen" hat eine ähnliche Funktion wie der Rückstelldruckknopf, nämlich, daß das Signal die Löschfunktion des Ausgangs- oder Ausgabepufferregisters bewirkt, vorausgesetzt, daß das Signal nicht vor dem Ablauf der Sperrzeiten vom Auftreten des Auslösens an ausgegeben wird.
• Die Ausgaben oder Ausgänge der Steuerung der Schaltschützwicklung und des Alarms stellen selbsthaltende Signale bereit. Die Steuerungsausgabe der Schaltschützwicklung ist eine normalerweise geschlossene Schaltung (N/C-Relaiskontakt; numerisch gesteuerter Relaiskontakt), während die Alarmausgabe eine normalerweise offene Schaltung (N/C-Relaiskontakt; numerisch gesteuerter Relaiskontakt) ist. Im normalen Betrieb werden diese Kontakte in entgegengesetze Positionen gezwungen, wodurch der Verlust der Versorgungsspannung an den Elektroniken zum Ausgeben eines Alarms führt, jedoch nicht zum Öffnen der Wicklungsschaltung.
Verwendung des Relais
• Bei der normalen Verwendung ist die Anordnung des Überlastrelais wegen der unabhängigen Zuführung von 110 ... 220 V zu den Hilfsspannungsanschlüssen des Relais frei. Eine mögliche Konfiguration ist es, die Phasenleiter direkt an die Zuführungseingangsanschlüsse anzuschließen, während die ausgehenden Phasenleiter direkt an die Zuführungsanschlüsse des Schaltschütz angeschlossen werden. Die Wicklungssteuerungs-Spannungsan schlüsse sind mit der Wicklungsschaltung des Schaltschütz verbunden und die Alarmschaltungsleitungen sind an den Alarmausgangsanschlüssen des Relais angebracht.
• Bei jedem Einschalten der Hauptschaltung führt das Relais einen Selbsttest aus und löscht nach dem Test die Zähler. Wenn die in der Digitalsektionszuführung verbleibende Energie nach einem Zuführspannungsverlust ausreichend ist, werden die Zähler nicht gelöscht.
• Die Einstellung der Nennstromskala wird während des Zusammenbaus in einer Testanlage oder -bank ausgeführt. Der Nennstrom kann mit Hilfe der Skala oder alternativ in der tatsächlichen Betriebsumgebung des laufenden Motors auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, wodurch die Nennstromeinstellung an den Betriebsstrom angeglichen werden kann.
Funktionsbeschreibung
• Gemäß Fig. 4 sind die Funktionseinheiten des Überlastrelais:
• - Strommeßsektion 40
• - Logikschaltungssektion 41
• - Steuersektion 42
• - Strom- oder Spannungsversorgung 43.
• Der Strom in jedem Phasenzweigleiter wird mittels des durch den Strom über dem Leiter induzierten Magnetfeldes gemessen. Die magnetische Flußdichte oder magnetische Induktion wird mit Hilfe eines Hall-Effekt-Sensors gemessen, dessen Ausgabe als eine zum Strom linear proportionale Spannung in die ASIC- Logikschaltung zur weiteren Verarbeitung der Information übernommen wird. Die Logikschaltung stellt dann das Steuersignal für das Relais bereit, wann der Wicklungsstrom des Schaltschütz auszulösen ist.
Strommeßsektion
• Die Sensoren der Strommeßsektion basieren auf dem Hall-Effekt, der durch die senkrechte Ablenkung von Elektronen 50 durch ein externes Magnetfeld von ihrer Ausbreitungsrichtung, wenn sie durch den aktiven Halbleiterbereich 51 (Fig. 5) gehen, eine Spannung am Sensorausgang erzeugt.
• Die Strommessung wird durch Verwendung eines neben den gemessenen Leiter (in ungefähr 1 mm Abstand) angeordneten Hall- Sensors ausgeführt, der eine analoge Ausgangsspannung liefert, die direkt proportional zur auferlegten magnetischen Flußdichte ist. Die Flußdichte kann durch die Verwendung eines ferromagnetischen Kerns oder Herzens vergrößert werden, der bzw. das eine Verringerung der Beeinflussung oder Interferenz durch die Umgebung bietet.
• In 1 mm Abstand induziert der Nennstrom im Bereich 2 ... 125 A eine Luft-Magnetflußdichte 0,4 ... 25,0 mT, die ferner durch die Verwendung des ferromagnetischen Kerns vergrößert werden kann. Größte Schwierigkeiten werden beim Messen durch die Möglichkeit kleine Änderungen im Motorstrom zu detektieren verursacht. Zum Beispiel induziert ein 2-A-Motor, der auf einem Unterstromniveau von 20 % läuft, eine 0,08 mT Flußdichte beim Sensor. Daher muß das System eine ausreichende Auflösung haben, um in der Lage zu sein, Anderungen in der Größenordnung von einigen Zehntel Mikroteslas in der Flußdichte zu detektieren. Im Gegensatz dazu ist bei dem Strompegel 5 125 A = 625 A die zu messende Flußdichte 125 mT, was große Anforderungen an den Dynamikbereich des Meßsystems stellt.
• In der Praxis zeigen die für den besagten Meßbereich verwendeten Hall-Sensoren eine Empfindlichkeit von ungefähr 25 mV/mT.
• Wegen des sehr hohen Temperaturkoeffizienten der Hall-Sensoren bei DC- oder Gleichstromanwendung ist die Antizipation und Kompensation von Fehlern sehr wichtig, um in der Lage zu sein, die unterschiedlichen Grenzwerte bei unterschiedlichen Temperaturen ohne Fehler zu detektieren. Sensorhersteller schaffen eine integrale Temperaturkompensation in ihren Produkten. Die Erfindung mißt Wechselstrom- oder AC-Signale, wodurch das Signal unempfindlich für Temperatureffekte ausgegeben wird, wie bei Messungen verifiziert wurde.
• Wenn eine höhere Meßgenauigkeit angestrebt wird, kann der Stromweg geeignet modifiziert werden, um einen höheren magnetischen Fluß bei den Sensoren zu erreichen. Für den Minimalfehler müssen die Gestaltung der Stromwege und die Anordnung der Hall-Sensoren auch die Streufelder in Betracht ziehen, die durchs die benachbarten Phasenzweigleiter verursacht werden. Ein vierter Hall-Sensor wird zur Detektion von interferierenden Feldern hinzugefügt, die von der Umgebung eintreten.
Logikschaltungssektion
• Die Logikschaltung ist durch das Verfahren der Signalverarbeitung in Analog- und Digitalsektionen unterteilt. Die Analogsektion verarbeitet die von den Sensoren erhaltene Information in unterschiedliche Spannungspegel, die die Digitalsektion als Steuerinformation verwendet.
Analogsektion Analogsektionsaufbau
• Der Zweck der Analogsektion ist es, durch eine Analog/Digital- Umwandlung das eingehende Signal, das Störanteile enthält, in digitale Form umzuarbeiten, die für die Logikschaltung geeignet ist. Zusätzlich führt die Analogsektion eine Überwachung auf einen Phasenzweigfehler, einen Masseschluß und den Zuführspannungspegel aus (Fig. 6).
• Nach dem DC-Filtern des eingehenden Signals führt die Analogsektion eine RMS-Wert-Konversion des Spannungssignals aus. Dann wird das DC-Signal in Spannungspegel unterteilt, die den verschiedenen eingestellten Pegeln des Nennstroms entsprechen. Der Vergleich der Spannungspegel mit einer Referenzspannung ergibt den Stromwert in digitaler Form.
• Die funktionalen Blöcke der Analogsektion sind:
• - Isolationsverstärker 60
• - einstellbarer Verstärker 60
• - Spannungsreferenz 61
• - Potentiometer-Überwachungsblock 62
• - Masseschluß-Überwachungsblock 63
• - Absolut-RMS-Konverter 64
• -Phasenzweigfehlerdetektor 65
• - Pegeldetektionsblock (Pegelgenerator) 66
• - Hilfsversorgungsspannungs-Überwachungsblock 62
• - Binärinformationsblock 60 des durch ein Potentiometer wählbaren Nennstrombereiches.
Digitalsektion
• Von der Digitalsektion (Fig. 7) erhaltene Steuerinformation bestimmt die Frequenz des Taktsignals, das dem Aufwärts/Abwärts-Zähler 70 zugeführt wird. Bei einer Überstromsituation wird der Zähler in der verkleinernden Richtung betrieben. In allen anderen Fällen ist der Zähler eingestellt, um in der vergrößernden Richtung zu zählen. Wenn einmal der Überstromzustand eingetreten ist, ist der Zähler daran gehindert, in den verkleinernden Modus zurückzuschalten, bis für alle Phasenzweigströme festgestellt ist, daß sie unter dem Nennstrom In sind. Entsprechend ähnlichen Regeln werden die Zähler, wenn der Zählerzustand jeweils über dem Pegel 0,7 In oder 0,95 In ist, verringert, bis das in die Zähler integrierte Wärmebelastungsniveau den tatsächlichen Betriebspegel des Motors erreicht. Beim Erreichen der Zählerkapazität löst der Zähler das Auslösen aus und gibt einen "Überlast-Impuls" aus, wodurch das Relais in den ausgelösten Zustand gesteuert wird. Gleichzeitig wird die "Überlast/Auslösung"-LCD-Lampe eingeschaltet oder erleuchtet, um dem Anwender den Auslösungszustand anzuzeigen.
• Eine Überstromsituation wird durch das Blinken von "Überlast/Auslösung" mit einer voreingestellten Frequenz angezeigt.
• Die Basistaktfrequenz (32 kHz) wird für die Zeit- oder Taktsteuerung der Phasenzweig- und Pegelauswahlleitungen 71 verwendet, so daß die Pegelselektion alle Pegel abtastet, bevor der nächste Phasenzweig ausgewählt wird. Nach dem Abtasten aller drei Phasenzweige wird der Vergleich mit dem Referenzzweig durchgeführt.
• Das Taktimpulssignal wird ferner in einem Frequenzgenerator 72 verarbeitet, um die Frequenzen zu erhalten, von denen ein Frequenz-auswahlblock 73 die benötigte Frequenz herausnimmt, damit sie dem Zähler zugeführt wird, um die korrekten Zeitdauern für jeden Überstrompegel vor dem Auslösen zu erhalten.
• Das Testen der Erzeugung der Analogpegel und der Funktion der digitalen Steuerlogik findet in einem Testblock 74 während des Überwachens der vierten Phase durch Anlegen einer geeigneten Spannung an den Eingang der Analogsektion statt. Als nächstes werden die von dem Spannungssignal erzeugten Spannungspegel normal überwacht und die Logikschaltung führt die Überwachung der Pegelübertretung bei einem eingestellten Pegel durch. Wenn die Pegelüberschreitung an einem falschen Punkt detektiert wird, wird ein Alarm ausgegeben und alle LCD-Lampen werden eingeschaltet oder erleuchtet, um einen durch die Selbstdiagnosen detektierten funktionalen Fehler anzuzeigen.
• Die Test- oder Prüfschaltung der Zähler 70 und der Ausgabepufferregister 75 enthalten einen Überwachungszähler, der die Zeit für 2 s mißt. Während dieser Zeit wird der gesamte Testzyklus ausgeführt und schließlich die gesamte Schaltung zurückgesetzt. Die durch den "Test"-Knopf eingeleitete Testfunktion wird nur zugelassen, wenn der Zählerzustand einem kalten Motor entspricht und der Zählmodus des Zählers zum Verkleinern eingestellt ist. Dann setzt das Drücken des "Test"-Knopfes den Zähler in den Vergrößerungsmodus und führt dem Zähler eine Frequenz zu, die so eingestellt ist, daß sie das Relais in zwei-Sekunden auslöst. Schließlich wird die gesamte Schaltung durch einen Impuls zurückgesetzt, um in den Anfangszustand zurückzukehren.
• Wenn es gewünscht ist, kann die automatische Rückstellfunktion durch Einstellen des "Auto/Man"-Schalters in die Position "Man" verhindert werden. Im manuellen Modus kann das Relais durch Drücken des "Rückstell"-Druckknopfes geschlossen werden. Im automatischen Modus wird das Relais automatisch nach den oben beschriebenen Testzeiten zurückgesetzt.
• Ein Phasenzweigfehler erfordert immer ein manuelles Zurücksetzen des Relais.
• Die Steuerlogik ist so ausgelegt, daß sie die Wicklungsschaltung des Schaltschütz bei einem Hilfsspannungsfehler nicht deaktiviert, sondern statt dessen die Alarmschaltung aktiviert, wodurch über einen funktionellen Fehler informiert wird. Beim Verlust der Versorgungsspannung wird der Zähler der Logikschaltung in einen Niederleistungsmodus mit einer gleichzeitigen Unterbindung anderer Funktionen gesetzt, wodurch der Zustand der Zähler mit Hilfe gespeicherter Energie für eine maximale Zeit während eines Leistungsausfalls erhalten werden. Dieser Modus kann sicher bis zu 10 Minuten ausgedehnt werden. Die Analogsektion enthält eine Überwachungsfunktion der Versorgungsspannung der Digitalschaltung. Wenn die Versorgungsspannung unter 4,0 V fällt, trennt die Analogsektion die Versorgungsspannungen der Digitalsektion. Dieses Verfahren vermeidet die Erzeugung von jeglichen undefinierten und unbestimmten Zählerzuständen aufgrund eines ungenügenden Versorgungsspannungspegels.
• Gemäß Fig. 7 sind die Blöcke der digitalen Logiksektion:
• - Pegel/Phasensequenzzähler 71
• - Aufwärts/Abwärts-Zähler 70
• - Komparatorblock 70
• - Frequenzgenerator 72
• - Frequenzmultiplexer 73
• - Detektionslogik 71 für einen angehaltenen Start
• - Ausgabepufferregister 75
• - Zeitverzögerungsschaltung der Phasenzweigfehlerdetektion
Steuerungslogiksektion
• Gemäß Fig. 4 ist das Steuerungselement 42 der Vorrichtung ein Relais, das ferner die Wicklungsschaltung des Schaltschütz steuert. Das Relais ermöglicht es, die Kontrollsignale von einer Niederpegellogik, z.B. der CMOS-Gattung, mit der Hochspannungs-/Starkstrom-Umgebung des Motors zu kombinieren. Die Wahl eines Relais für die Schnittstelle ist durch das Erfordernis vorgegeben, eine galvanische Isolation zwischen den Schaltungen des Schaltschütz und des Überlastrelais zu erhalten.
Stromversorgungsblock
• Das Überlastrelais wird von einer Stromversorgung 43 gespeist, die eine Zener-Diode zur Vorstabilisierung und einen Oberflächen-IC-Spannungsregler zur Regelung der Ausgangsspannung hat. Aufgrund des geringen Stromverbrauchs von weniger als 1 mA durch die Niederpegel-Logikschaltung, 3 mal 13 mA durch die Sensoren und 450 mW durch das Relais bleibt der gesamte Stromverbrauch unterhalb ungefähr 900 mW. Folglich besteht kein Problem, den für die Vorrichtung ausgewählten Bauteilen ausreichend Strom zuzuführen.
Selbstdiagnosen während des Betriebs
• Das Überlastrelais hat eingebaute Selbsttestabläufe sowohl für die Analog- als auch die Digitalsektion.
• Die Selbstdiagnose der Analogsektion ist dazu programmiert, einen Test für jede Sequenz jeder Phasenzweigstrommessung auszuführen, nämlich, wenn die drei physikalischen Phasenzweige gemessen sind, wird die vierte Phase als die Überprüfung der Spannungspegel behandelt, die durch eine ausgewählte Phasensensor-Ausgangsspannung erzeugt werden. Es muß eine Überschreitung eines voreingestellten Testspannungspegels auftreten. Andernfalls sind der RMS-Umwandlerblock, das Widerstandsspannungsteilernetz oder der Verstärkerblock fehlerhaft. Dieses Verfahren bietet eine Testerleichterung für die Blocks, die für alle Phasenzweigmessungsschaltungen gemeinsam sind.
• Das Testen der Digitalsektion wird bei jedem Anschalten der Hilfsversorgungsspannung durchgeführt. Die aufeinanderfolgenden Selbstdiagnosen testen oder prüfen die Zähler und das Ausgabepufferregister, indem sie diese mit maximaler Frequenz taktet. Der Aufwärts/Abwärts-Zähler wird mit maximaler Frequenz in den vollen Zustand getrieben, wodurch jeglicher Fehler beim Zählen einen Fehler in den ersten Stufen des Frequenzgenerators anzeigt. Die Wicklungsschaltung des Schaltschütz wird ausgelöst, wenn der Zähler voll ist. Gleichzeitig, wenn der Aufwärts/Abwärts-Zähler vollständig gezählt hat, wird das Freigabesignal eines Flip-Flops mit einem niederfrequenten Taktsignal verzögert, um es dem Aufwärts/Abwärts-Zähler zu gestatten, die maximale Zählung zu erreichen. Wenn das Freigabesignal vor dem Auslösesignal aktiv wird, wird ein Fehlersignal für eine Fehlfunktion ausgegeben. Dieses Verfahren gestattet das Testen der gesamten Konfiguration der Frequenzgeneratorschaltung. Das Rückstellen des Ausgangspuffers und des Aufwärts/Abwärts-Zählers wird mit einer Verzögerung von fünf Sekunden ab der Auslösung ausgeführt, und die Vorrichtung nimmt wieder den normalen Betriebsmodus auf. Die Initialisierung des Selbstdiagnosetests wird nur dann möglich, wenn der Aufwärts/Abwärts-Zähler im Verkleinerungsmodus eingestellt ist und die Zählerinhalte frei von jeglichen integrierten Wärmelasten des Motors sind. Elektrische Charakteristika Absolute Maximalwerte Beschreibung Betriebswert Betriebsspannung Strom-Wellenform Leistungsverbrauch Betriebstemperatur Speichertemperatur Sinuswelle und Inverteranwendung ungefähr 900 mW (geschätzt) DC-Charakteristika Beschreibung Betriebswert Ausgangssteuerungsspezifikationen: N/C-Kontakt: Leistungseinschaltdaten Leistungsausschaltdaten Leistungsverbrauch N/O-Kontakt: Leistungseinschaltdaten Leistungsausschaltdaten Leistungsverbrauch Fernrückstellung Flachkabelverbinder O/P 30 W/250 VDC (Dauer 4,0 ms) ungefähr 900 mW (geschätzt) Offener-Kollektor AC-Charakteristika Beschreibung Betriebswert Ausgangssteuerungsspezifikationen: N/C-Kontakt: Leistungseinschaltdaten Leistungsausschaltdaten Leistungsverbrauch N/O-Kontakt: Leistungseinschaltdaten Leistungsausschaltdaten Leistungsverbrauch ungefähr 900 mW (geschätzt)
Datenübertragungscharakteristika
• Die Schnittstellenleitungsstifte des Flachkabel- oder Bandleiterverbinders stellen Auslöseinformation (eine Leitung), gehaltene Spannungspegelsignale (vier Leitungen), Masseschluß- Alarminform ationen (eine Leitung), Unterlast (eine Leitung), Selbstdiagnosen (eine Leitung), unmittelbar bevorstehende Auslösung (eine Leitung) und das Stromsignal in Analogform (eine Leitung) bereit.
Technische Beschreibung Strommeßsektion Funktionale Beschreibung der Strommeßsektion
• Die Strommeßsektion mißt den Motorstrom über einen Bereich von 2 ... 125 A mit Hilfe der Hall-Effekt-Sensoren (Fig. 5). Der gesamte Bereich kann durch zwei verschiedene Sensoren abgedeckt werden.
• Gemäß Fig. 8 sind die Sensoren 81 neben den Leitern 82 angeordnet, um die Eigenschaft des Hall-Sensors zu verwenden, ein Spannungssignal zu liefern, das direkt proportional zur auferlegten Magnetflußdichte ist, die durch den Strom in dem Leiter hervorgerufen wird. Die Beziehung zwischen dem Strom und der magnetischen Flußdichte ist gegeben durch:
• Die magnetische Flußdichte wird mittels einer kammförmigen Struktur 84b vergrößert, die eine Funktion ähnlich der von permanent befestigten Metallstreifen hat, wobei jede Struktur über dem Leiter 82 und dem Sensor 81 angeordnet ist. Durch dieselbe Maßnahme wird das Feldmuster bemerkenswert konzentriert und somit Interferenz der Umgebung eliminiert. Die gesamte Meßsektion ist ferner in einem Faraday-Käfig 85 enthalten, um die Effekte von externen Streufeldern zu eliminieren. Zum Erreichen einer weiteren Verbesserung der Betriebszuverlässigkeit ist ein vierter Sensor 83 frei von jeglichem Stromleiter angeordnet, um die externen Streufelder anzuzeigen.
• In Fig. 9 ist eine Seitenansicht eines der in Fig. 8 gezeigten Hall-Sensoren dargestellt. Der Hall-Sensor 92 hat einen für das Magnetfeld empfindlichen aktiven Zentrumsbereich 93, auf den das durch den in dem Leiter 90 fließenden Strom hervorgerufene Magnetfeld mit Hilfe der ferromagnetischen Struktur 91 konzentriert ist.
• Basierend auf der Messung von AC-Feldern vermeidet diese Anwendung die Hall-Sensoren innewohnenden Empfindlichkeitsprobleme auf Temperaturschwankungen, die mit der Messung von DC- Feldern verbunden sind.
Analogsektion Funktionale Beschreibung der Analogsektion
• Die Analogsektion (Fig. 6) führt die Umwandlung der Spannungsinformation von den Hall-Sensoren in einen wahren quadratischen Mittelwert oder Effektivwert (Wahr-RMS) durch. Die Signale werden in einem Widerstandsspannungsteiler skaliert, um die beim Vergleich verwendeten Signalpegel zum Detektieren der Strompegel in dem Leiter zu erhalten. Die geteilten Spannungspegel werden nacheinander einem Komparator zugeführt, der die Signale in digitale Informationen proportional zum Strom konvertiert. Die Verarbeitung der Spannungspegelsignale wird nacheinander für jeden Phasenzweig ausgeführt. Die Phasenzweig- (2-Bit) und Spannungspegelauswahlsignale (4-Bit) werden von der Digitallogikschaltung empfangen.
• Die Phasenzweigsignale werden außerdem miteinander verglichen, wobei ein Unterschied von 90 % noch akzeptierbar ist. Dieses Verfahren kann eine ausgelöste Sicherung in der Motorschaltung detektieren.
• Die Analogsektion gibt an die digitale Logiksektion eine 2-Bit-Information über die Position des Strombereich- Auswahlpotentiometers, das zum Steuern des Frequenzauswahlmultiplexers verwendet wird.
• Eine weitere von der Analogsektion ausgeführte Funktion ist die Überwachung eines Masseschlußstroms. Wenn die Summe der von den Sensoren erhaltenen Spannungssignale eine Abweichung von mehr als 15 % hat, wird die Steuerlogik über einen Masseschluß informiert.
Digitalsektion Funktionale Beschreibung der Digitalsektion
• Die Digitalsektion (Fig. 7) schätzt die integrierte Wärmebelastung des Motors durch digitale Integration in Zählern ab. Die Logik führt auch eine Logiksteuerung während Fehlfunktionen der Motorvorgänge aus. Die Logikschaltung steuert das Signalpegel und die Frequenzmultiplexer der Analogsektion durch Erzeugen der erforderlichen Steuersignal-Bitsequenzen. Die Relais, die die Alarmausgabe und die Schaltschützwicklungsschaltung steuern, erhalten ihre Unerregungs/Erregungs-Steuersignale von der Logikschaltung.
• Die Analogsektion liefert in die Logikeingänge ein 2-Bit-Information über den ausgewählten Strombereich, die Indikation von Überstrom, Phasenzweigfehler, Masseschluß und Fehlerdetektion durch die Selbstdiagnose. Ferner wird auch ein Fernsteuersignal von der Rückstelleitung zur Verwendung der Steuerlogik angelegt.
Konfiguration der Digitalsektion
• Die in Fig. 7 dargestellte digitale Steuerlogik enthält die folgenden Blöcke:
• - Phasen- und Pegelfolgesteuerungseinrichtung 71
• - Phasenfolgesteuerungszähler
• Der Phasenfolgesteuerungszähler zählt bis vier (4). Diese 2-Bit-Information wird zum Phasenmultiplexer geleitet, um die Behandlung des gewünschten Phasenzweigstroms abzuwarten.
• - Spannungspegelzähler
• Durch Zählen bis zehn (10) erzeugt der Spannungspegelzähler die erforderliche Sequenz für den Spannungspegelmultiplexer, um die Spannungspegel zum Komparator auszulesen. Die Sequenz des Pegelzählers gestattet die Detektion der Strompegel.
• - Verzögerungsschaltung des "Überstrom"-Signals
• Die Verzögerungsschaltung hält das "Überstrom"- Signal hoch, bis alle drei Phasenzweigströme und die Testphase verglichen wurden und keine Überstrom- Situation existiert.
• - Pegelverknüpfung
• Der Pegelhalter sperrt das Pegelsignal in dem Zustand, der beim Empfang eines Überstrom-Signals vorherrscht. Dieser Vorgang garantiert dem Frequenzmultiplexer eine stabile Steuerinformation der Frequenz.
• - Frequenzgenerator 72
• - Division-durch-2-Teiler
• - Division-durch-3-Teiler
• - Division-durch-4-Teiler
• - Division-durch-8-Teiler
• - Division-durch-16-Teiler
• Diese Teiler erzeugen die erforderlichen Frequenzen durch verkettete Division der Basistaktfrequenz (32 kHz).
• - Frequenzmultiplexer 73
• Der Frequenzmultiplexer führt die Selektion einer geeigneten Frequenz entsprechend dem Signalpegel aus, um sie zum Aufwärts/Abwärts-Zähler zu leiten. Zusätzlich gestattet der Block die Selektion einer Auslöseverzögerung (d.h. Frequenz) eines Motorstarts unter Last mit einem Stromstoß von 5 In in vier (4) Stufen durch externe DIP-Schalter. Der Frequenzmultiplexer berücksichtigt den ausgewählten Strombereich bei der Frequenzselektion entsprechend der Motorabkühlung, um die Wärmebelastungsabschätzung mit den Abkühlraten von Motoren mit unterschiedlichen thermischen Massen besser in Einklang zu bringen.
• - Aufwärts/Abwärts-Zähler und Pegelkomparatoren 70
• - Aufwärts/Abwärts-Zähler
• Der Aufwärts/Abwärts-Zähler schätzt die Motorwärmebelastung durch Aufwärts zählen in Überstromsituationen und Abwärts zählen in Situationen unter dem Nennstrom ab. Die Zählfrequenz hängt von dem Strompegel ab, der von dem Frequenzmultiplexer zum Anlegen einer geeigneten Frequenz an den Aufwärts/Abwärts- Zähler verwendet wird.
• - Pegelkomparator
• Der Pegelkomparator liefert Steuersignale an den Aufwärts/Abwärts-Steuereingang des Zählers bei detektierten Strompegeln von 25 % und 70 %. Ein weiteres Steuersignal wird beim Erreichen von 90 % der insgesamt erlaubten Wärmebelastung ausgegeben. Zusätzlich liefert der Komparator Informationen über die integrierte Wärmebelastung des Motors, wie sie durch den Zähler abgeschätzt wird. Das Wärmebelastungssignal wird für die Bus-Schnittstelle der Vorrichtung erzeugt, um als ein Motorzustandssignal zu einem Verarbeitungscomputer geleitet zu werden.
• - Detektionslogik 71 für angehaltenen Start
• Die Detektionslogik für einen angehaltenen Start überwacht die sofortige Übersteigung der Überstromgrenze von 5 In beim Anlaufen. Wenn die Übertretung beim Motorstrom über den Pegel 5 In sofort beim Anlaufen auftritt und auf dem hohen Pegel bis zum Auslösen verbleibt, und wenn die Auslösungsverzögerungszeit auf zwei Sekunden eingestellt ist, wird das Ausgabepufferregister automatisch nach ungefähr 2 Minuten gelöscht. Diese Löschsequenz wird nur zweimal bei einer gewählten Zweisekunden-Neustartverzögerung und einmal für die Achtsekunden-Auswahl wiederholt. Wiederholte Anlaufversuche müssen die normale Abkühlzeit von ungefähr 30 Minuten abwarten.
• - Phasenzweigfehlerlogik 76
• Die Phasenzweigfehlerlogik erhält Informationen über eine ausgelöste Sicherung von der Analogsektion. Die Steueriogik verzögert das Auslösen um ungefähr eine (1) Sekunde.
• - Unterlastlogik 71
• Die Unterlastlogik detektiert das Übersteigen einer eingestellten unteren Lastgrenze. Die Unterlastauslösefunktion ist optional.
• - Masseschlußlogik 76
• Die Masseschlußlogik kann die Alarmschaltung aktivieren. Der Alarm wird eingeleitet, sobald der Masseschluß detektiert ist.
• - Testsequenzer 74
• Die Testsequenz wird durch Drücken des "Test"- Druckknopfes oder Anlegen der Hilfsversorgungsspannung eingeleitet. Die Sequenz wird durch Anlegen einer Zählfrequenz entsprechend der Auslösungsverzögerung von zwei (2) Sekunden ans den Zähler ausgeführt. Der Zähler führt das Zählen normalerweise aus, bis er voll ist, woraufhin er das Umschalten des Relaiszustandes durch Ausgeben eines Auslösungssignales wie normalerweise ausführt. Gleichzeitig mit dieser Operation wird der andere Zähler mit der niedrigsten verfügbaren Frequenz getaktet, der dann ein D-Flip-Flop am Ende der Niederfrequenzzählung aktiviert. Wenn der erste Zähler seinen vollen Inhalt innerhalb dieser Zeit erreicht, sind der Frequenzgenerator und der Aufwärts/Abwärts-Zähler funktionsfähig.
Phasensequenzer Funktionale Beschreibung des Phasensequenzers
• Der Phasensequenzer oder die Phasen-Folgesteuerungseinrichtung (Fig. 10) bildet die Steuersignale (zwei Leitungen) für die Umwandlung von in der Analogsektion gemessenen Phasenzweigströmen.
Konfiguration des Phasensequenzers
• Der Phasensequenzer enthält einen Zähler, der schrittweise durch die Zustände 00, 01, 10, 11 geht.
Spannungspegelsequenzer Funktionale Beschreibung des Spannungspegelsequenzers
• Der Spannungspegelsequenzer oder die Spannungspegel-Folgesteuerungseinrichtung (Fig. 11) erzeugt die Steuersignale der verglichenen Spannungspegel für den Multiplexer der Analogsektion, so daß der höchste Pegel zuerst an den Komparator angelegt wird. Die Vier-Bit- (4) Daten des Spannungspegelsequenzers und der Komparatorausgang gestatten es, daß der Strompegel eines Phasenzweigs in digitale Form verarbeitet wird. Die Pegelinformation wird in eine Halteschaltung übernommen, um das Filtern des Pegelsignals zu erreichen, das an den Multiplexer gegeben wird, der die Zählfrequenz für die Zähler auswählt. Konfiguration des Spannungspegelsequenzers Der Spannungspegelsequenzer enthält einen Vier-Bit- (4) Zähler, durch Zustände 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111 durchzählt. Diese Zustände entsprechen den folgenden Spannungspegeln:
• Wenn der Analogkomparator einen Signalpegel detektiert, der den eingestellten Pegel von zum Beispiel 1,7 In ubersteigt, ist die nächste ausgewählte Sequenz wieder 0000, so daß die Überschreitung eines eingestellten Pegels den Vergleichsvorgang der Pegel immer wieder neu startet.
Verzögerungsschaltung des "Überstrom"-Signals Funktionale Beschreibung der "Überstrom"-Signal-Verzögerungsschaltung
• Die Verzögerungsschaltung des "Überstrom"-Signals (Fig. 12) hält dieses Alarmsignal hoch, bis alle Phasen und die Testphase durch ihre Abfolge hindurch sind und keine Überstromsituation während der Sequenz existiert. Das verzögerte Signal ist für den Aufwärts/Abwärts-Zähler notwendig, um ein Pendeln der Zählrichtung zu vermeiden, was zu einem falschen Betrieb führen könnte.
Konfiguration der "Überstrom"-Signal-Verzögerungsschaltung
• Die Verzögerungsschaltung enthält ein Schieberegister, dessen Ausgang auf logisch "Eins" gesetzt wird, sobald die Überstromsituation detektiert wird, und das Signal bleibt hoch, bis die drei anderen Phasen abgetastet wurden. Wenn ein neues Überstromsignal erhalten wird, wird das Schieberegister auf seinen Anfangszustand geklärt, wodurch in einer Situation ohne Überstrom eine Ausführung einer neuen Sequenz oder Abfolge von drei Vergleichen notwendig wird, bevor es der verzögerten Steuerung gestattet wird auf logisch "Null" zu fallen.
Spannungspegel-Halteschaltung Funktionale Beschreibung der Spannungspegel-Halteschaltung
• Die Spannungspegel-Halteschaltung (Fig. 13) sperrt das Spannungspegelsignal, um ein stabiles Signal an den Frequenzmultiplexer bereit zustellen. Die Frequenzinformation ist an der ansteigenden Kante des "Überstrom"-Signals gehalten. Mit Hilfe des Haltens wird die Spannungspegelinformation auch während einer aktiven "Überstrom"-Situation im Frequenzmultiplexer gehalten, was es somit für den Zähler möglich macht, mit einer richtigen Frequenz zuzunehmen.
Konfiguration des Spannungspegel-Halteschaltung
• Die Spannungspegel-Halteschaltung enthält vier D-Flip-Flops, die durch das "Überstrom"-Signal aktiviert und durch die Systemuhr getaktet werden.
Frequenzgenerator Funktionale Beschreibung des Frequenzgenerators
• Der Frequenzgenerator (Fig. 14) erzeugt die erforderlichen Frequenzen für die Zähler von der 32 kHz Basistaktfrequenz. Ein derart hoher Systemtakt von 32 kHz führt zu einem stabilen Betrieb der Teilerkette.
Konfiguration des Frequenzgenerators
• Die Teilerkette ist durch Division-Durch-2-, -3-, -4-, -8- und -16-Teiler durch geeignetes Aneinanderhängen oder Verketten der Teiler gebildet.
Frequenzmultiplexer Funktionale Beschreibung des Frequenzmultiplexers
• Auf der Basis des ausschlaggebenden gehaltenen Spannungspegels wählt der Frequenzmultiplexer (Fig. 15) eine der durch den Frequenzgenerator erzeugten Frequenzen aus, die zum Aufwärts/Abwärts-Zähler übernommen werden.
Konfiguration des Frequenzmultiplexers
• Der Multiplexer hat eine herkömmliche Konfiguration und seine Steuerungen werden von der Pegelhalteschaltung und dem Selektionspotentiometer des gewünschten Strombereiches erhalten.
Aufwärts/Abwärts-Zähler und Komparatoren Funktionale Beschreibung des Abwärts/Abwärts-Zählers und des Komparators
• Der Aufwärts/Abwärts-Zähler (Fig. 16) schätzt die Motortemperatur überschlagsweise. Die Zählfrequenz des Zählers hängt von dem ausschlaggebenden Motorstrompegel ab. Die Frequenzselektion wird durch den Frequenzmultiplexer ausgeführt. Wenn der Zähler seine volle Zählung erreicht, liefert er dem Ausgabepufferregister ein Signal, die Zählfrequenz auszuschalten. Wenn ein Strompegel von mehr als 0,7 In detektiert wurde, ist es dem Zähler gestattet, auf bis zu 25 % der insgesamt erlaubten Wärmebelastung anzuwachsen (d.h. maximale Zählung des Zählers), und er wird dort angehalten. Wenn ein Strompegel von 0,95 In detektiert wurde, ist es dem Zähler gestattet, vor dem Anhalten bis auf 75 % der total erlaubten Wärmebelastung zu zählen. Wenn schließlich der Pegel 1,05 In überschritten wird, wird der Zähler daran gehindert, zur maximalen Zahl zu zählen, bis eine Periode von zwei Stunden vergangen ist. Bei den anderen Überstromgrenzen sind die Zählzeiten gemäß der standardisierten Zeit-Strom-Kurve verkürzt.
• Die Komparatoren (Fig. 17) stellen die Indikation der 25 %- und 70 %-Pegel der insgesamt erlaubten Wärmebelastung bereit. Zusätzlich wird das 90 %-Niveau abgetastet, um ein Vorwarnungssignal zu erhalten, das für eine bevorstehende Auslösung an das Steuerzentrum ausgegeben wird.
Konstruktion des Aufwärts/Abwärts-Zählers und Komparators Der Aufwärts/Abwärts-Zähler enthält einen 10-Bit-Aufwärts/Abwärts-Zähler.
• Mit der Hilfe der logischen Gatter können die Ausgangsbits des Aufwärts/Abwärts-Zählers in Pegel entsprechend der gespeicherten Wärmebelastung umgewandelt werden. Die 25 %- und 70 %-Pegel werden für das Aufwärts/Abwärts-Steuerungssignal des Zählers und der 90 %-Pegel für den bevorstehenden Auslösealarm erzuegt.
Detektor für angehaltenen Start Funktionale Beschreibung des Detektor für den angehaltenen Start
• Die Detektionslogik für angehaltenen Start (Fig. 18) überwacht die unmittelbare Überschreibung der 5 In-Überstromgrenze beim Anlaufen. Wenn die Überschreitung beim Motorstrom über den 5 In-Pegel sofort beim Anlaufen stattfindet und auf den hohen Pegel bis zum Auslösen verbleibt, werden die Ausgabepufferregister nach zwei Minuten automatisch gelöscht. Diese automatische Löschungssequenz wird nur zweimal für eine ausgewählte Zweisekunden-Neustartverzögerung und einmal für die Achtsekunden-Auswahl wiederholt. Wiederholte Startanlaufversuche müssen die normale Abkühlzeit von ungefähr 30 Minuten abwarten. Wenn zwischen den Versuchen eine Pegelüberschreitung bei einem niedrigeren Strompegel auftritt, wird die Neustartsequenz zurückgesetzt, was ihre Aktivierung durch die Anfangssequenz erforderlich macht, nämlich, daß die Zähler auf die Wärmebelastung einer Nennmotorbelastung und die Grenze der ersten Pegelüberschreitung auf 5 In eingestellt werden.
Konstruktion des Detektors für angehaltenen Start
• Die Detektionslogik für angehaltenen Start betreibt eine bedingte Logik, deren aktivierter Zustand den Ablauf einer Kühlperiode von zwei Minuten einstellt, nach der das Löschen des Ausgangspufferregisters ermöglicht ist. Die Ausgangsbedingung ist so definiert, daß der Zähler eine Motorwärmebelastung unter dem insgesamt erlaubten Wert angeben muß und die Detektion einer Überstromsituation bei dem Pegel von 5 In auftreten muß (Sequenz 001). Wenn die Pegeldetektion bei jeglichem anderen Strompegel zu Beginn oder während des Starts stattfindet, findet die Löschfunktion nicht statt und wird nicht aktiviert, bis die Anfangsbedingung wieder erreicht ist. Um das Festsetzen das Wahr-RMS-Konverters in der Analogsektion zu gestatten, wird eine Periode von ungefähr 200 ms vor der Aktivierung der Anfangsbedingungs- oder -zustandslogik gezählt. Der Verzögerungszähler der Anfangszustandslogik wird gelöscht, nachdem eine (1) Sekunde von der Detektion des ersten Überstromdurchgangs vergangen ist, ohne daß ein neuer Durchgang detektiert wurde.
Phasenfehlerüberwachungslogik Funktionale Beschreibung der Phasenfehlerüberwachungslogik
• Die Phasenfehlerüberwachungslogik vergleicht in der Analogsektion die Phasenzweigströme miteinander, und wenn ein Unterschied von mehr als 90 % detektiert wird, wird das Relais ausgelöst, wenn das Fehlersignal für eine (1) Sekunde bleibt. Die Analogsektion stellt das Fehlersignal für die Überwachungslogik bereit und die Logik filtert das Signal durch die Verzögerung von einer Sekunde, bevor das Auslösesignal an das Relais ausgegeben wird. Die Verzögerung vermeidet ein unnötiges Auslösen durch eine schräg oder asymmetrisch ablaufende Lastsituation.
Konstruktion der Phasenfehlerüberwachungslogik
• Die Phasenfehlerüberwachungslogik ist als ein Zähler implementiert, um es zu ermöglichen, die gewünschte Verzögerungsfunktion zu erreichen.
Unterlastdetektionslogik Funktionale Beschreibung der Unterlastdetektionslogik
• Die Unterlastdetektionslogik ist eine anwenderwählbare Funktion. Zusätzlich sind die Unterlastpegel anwenderwählbar. Der Unterstromdetektionspegel kann durch vier DIP-Schalter auf einen der festen Werte eingestellt werden: 0,2, 0,5, 0,7 und 0,95 In. Wenn der Strom des laufenden Motors unter den eingestellten Wert fällt, gibt die Logik ein Alarmsignal an das Steuerzentrum aus und schaltet die "Unterlast"-LCD-Lampe ein. Die verfügbaren Unterstrombereiche sind: < 0,2, 0,2 ... 0,5, 0,2 ... 0,7 und 0,2 ... 0,95 In.
Konfiguration der Unterlastdetektionslogik
• Die Unterlastdetektionslogik ist ausgebildet, um die gehaltene Strompegelinformation mit dem eingestellten Unterstromwert zu vergleichen, und gibt ein Alarmsignal aus, wenn der Motorstrom unter den eingestellten Wert fällt.
Masseschlußdetektionslogik Funktionale Beschreibung der Masseschlußdetektionslogik
• Die Masseschlußdetektionslogik erhält ein Signal von der Analogsektion, wenn die Summe der dort detektierten Phasenzweigströme um mehr als 15 % von einem eingestellten Wert abweicht. Das Masseschlußsignal wird direkt an das Ausgabe- oder Ausgangspufferregister geleitet, der sofort das aktuelle Masseschluß-Alarmsignal ausgibt. Während des Startanlaufs ist diese Funktion jedoch gesperrt.
Konstruktion der Masseschlußdetektionslogik
• Die Masseschluß- oder Erdungsfehlerdetektionslogik ist konfiguriert, um ein sofortiges Alarmsignal beim Auftreten eines Masseschlusses auszugeben.
Testsequenzer Funktionale Beschreibung des Testsequenzers
• Der Testsequenzer oder die Testfolgesteuerungseinrichtung (Fig. 20) für die Zähler und das Ausgabepufferregister enthält einen Zähler für die 2-Sekunden-Testdauer. Während dieser Zeit müssen die gesamte Testsequenz ausgeführt sowie die gesamte Schaltung zurückgesetzt werden. Das Einleiten der Testfunktion durch Drücken des "Test"-Druckknopfes wird nur ermöglicht, wenn der Motorzustand einen kühlen Motor anzeigt und der Zähler im Verkleinerungsmodus ist. Das Drücken des "Test"- Druckknopfes setzt den Zähler in den Vergrößerungsmodus, wo er eine geeignete Sequenz zählt, bis ein Auslösen in zwei Sekunden stattfindet. Nach dem Auslösen wird ein Rückstellimpuls an die gesamte Schaltung ausgegeben, wodurch alle Funktionen eingeleitet werden.
Konstruktion des Testsequenzers
• Die Testsequenzerlogik enthält diskrete Logikschaltungen und ein D-Flip-Flop mit der Möglichkeit einer Verzögerung.
Ausgabepufferregister Funktionale Beschreibung des Ausgabepufferregisters
• Das Ausgabe- oder Ausgangspufferregister (Fig. 21) führt das Halten des Steuerrelais in einem ausgelösten Zustand aus, wodurch die geeignete LCD-Lampe erleuchtet wird, um die Verursachung des Auslösens anzuzeigen.
Konstruktion des Ausgabepufferregisters
• Unter Verwendung von Halte- oder Verriegelungsschaltungen speichert das Ausgabepufferregister die Fehlerintegration und die von den Logikschaltungen erhaltenen Auslösesignale und puffert sie zu den LCD-Lampen und dem Steuerrelais. Das Rücksetzen der LCD-Lampen findet immer bei einem neuen Auslösen statt, so daß somit die letzte Verursachung des Auslösens an dem Steuerpanel angezeigt wird. Die LCD-Lampen können außerdem durch den "Rückstell"-Druckknopf zurückgestellt werden, zum Beispiel, wenn der Anwender die Verursachung des Auslösens bestätigt. Die Halteschaltung, die das Steuerrelais antreibt, wird automatisch zurückgesetzt, wenn der Auswahlschalter "Auto/Man" in der "Auto"-Position ist und der Zähler einen Zustand erreicht, der einen wiederholten Versuch des Startanlaufs erlaubt. Wenn der Schalter in die Position "Man" eingestellt ist, muß das ausgelöste Relais durch den "Rückstell"- Druckknopf zurückgestellt werden, dessen Funktion jedoch für zwei Minuten von der vorhergehenden Auslösung an gesperrt ist.
Steuerelement Funktionale Beschreibung des Steuerelements
• Das Steuerelement der Vorrichtung ist ein Relais, das die Schnittstelle der Niederpegel-Steuersignale von der Niederpegel-Logik zu einem geeigneten Pegel für die gesteuerten Schaltschütze und die Alarmschaltung darstellt.
Konstruktion des Steuerelements
• Die Steuerlogik des Überlastrelais ist konfiguriert, so daß beim normalen Betrieb die Kontakte, die die Schaltschützwicklungsschaltung steuern, geschlossen gehalten sind (N/C- Kontakte), um ein unnötiges Abregen oder Abschalten der Wicklungsschaltung bei einem Verlust der Hilfsversorgungsspannung zu vermeiden und somit funktionale Fehler auszuschließen. Entsprechend ist die Alarmschaltung mit der logisch invertierten Position des Relais (N/C-Kontakte) verbunden, um einen sofortigen Alarm bei einem Verlust der Hilfsversorgungsspannung zu erhalten.
• Die verwendeten Relais sind herkömmliche Miniaturrelais mit Stiftkonfigurationen, die für PCB-Montage anwendbar sind.
Alternative Konstruktionen
• Die Strommessungen können auch durch Verwendung von Stromumformern ausgeführt werden, jedoch ist deren Meßbereich viel mehr begrenzt, was eine größere Anzahl von unterschiedlichen Relaismodulen erfordert. Die Konstruktion der Logikschaltung selbst ist für eine Ausführung in analoger Form unter Verwendung von Widerstands- und Kondensatorleitungsnetzen, Multiplexern und Komparatoren möglich, jedoch hat diese Konstruktion Stabilitätsprobleme.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Strommessung in stromführenden Leitern (82;90) unter Bedingungen hoher Interferenz, insbesondere zur Steuerung eines Überstrom-Auslöserelais, mit:

- Hall-Effekt-Sensoren (81;92,93), wobei jeder Hall-Effekt Sensor (81;92,93) in unmittelbarer Nähe seines zugehörigen Stromleiters (82;90) angeordnet ist,

- wobei jeder Hall-Effekt-Sensor (81;92,93) mit einem Spannungsmeßelement verbunden ist, dessen Ausgangssignal ein Meßsignal bereitstellt, welches geeignet ist zur Berechnung des Stromflusses in dem zugehörigen Leiter (82;90), gekennzeichnet durch

- ein kammförmiges Herz (84b) aus ferromagnetischem Material, das in der Lage ist, das durch den Stromfluß des zugehörigen Leiters (82;90) induzierte magnetische Feld zu bündeln und als Interferenzfilter zu arbeiten,

- wobei das kammförmige Herz (84b) einen Körper und mehrere Zähne aufweist,

- wobei jeder Hall-Effekt-Sensor (81;92,93) und dessen zugehöriger Leiter (82;90) zwischen benachbarten Zähnen des kammförmigen Herzens (84b) angeordnet ist, und

- jeder Leiter (82;90) zwischen dem zugehörigen Hall-Effekt- Sensor (81;92,93) und dem Körper des kammförmigen Herzens (84b) liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßteil der Vorrichtung in einem Faraday-Käfig eingeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Referenzsensor (83) aufweist, der identisch zu den zu messenden Hall-Effekt-Sensoren (81;92,93) aufgebaut ist, jedoch entfernt von der unmittelbaren Umgebung eines Stromleiters (82;90) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin Zählelemente aufweist, die die Integration des dem Stromfluß entsprechenden Meßsignals erlauben und es so möglich machen, die Temperatur eines Motors abzuschätzen, der als mit den Stromleitern (82) verbundene Last fungiert.

5. Verfahren zur elektrischen Strommessung in stromführenden Leitern (82;90) unter Bedingungen hoher Interferenz, insbesondere zur Steuerung eines Überstrom-Auslöserelais, mit folgenden Verfahrensschritten:

- Die durch jeden Stromleiter (82;90) induzierte magnetische Flußdichte wird durch seinen zugehörigen Hall-Effekt-Sensor (81;92,93) gemessen,

- das Spannungsausgangssignal jedes Hall-Effekt-Sensors (81;92,93), das proportional zur magnetischen Flußdichte ist, wird verwendet zur Berechnung des Stromflusses in dem zugehörigen Stromleiter (82;90), dadurch gekennzeichnet, daß

- der durch den zugehörigen stromleiter (82;90) auf jeden Hall-Sensor einwirkende magnetische Fluß mittels eines kammförmigen Herzens (84b) aus ferromagnetischem Material erhöht wird, das derart angeordnet wird, daß jeder Stromleiter (82;90) in dem geschlossenen magnetischen Kreis bleibt, der durch das Herz (84b) aus ferromagnetischem Material und dem zugehörigen Hall- Sensor (81;92,93) gebildet wird,

- wobei das kammförmige Herz (84b) einen Körper und mehrere Zähne aufweist,

- wobei jeder Hall-Effekt-Sensor (81;92,93) und sein zugehöriger Leiter (82;90) zwischen benachbarten Zähnen des kammförmigen Herzens) (84b) angeordnet wird und

- jeder Leiter (82;90) zwischen dem zugehörigen Hall-Effekt- Sensor (81;92,93) und dem Körper des kammförmigen Herzens (84b) liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzsensor (83) verwendet wird, der identisch zu den messenden Hall-Sensoren ausgebildet ist, und daß das Meßergebnis des Referenzsensors (83) von dem Meßergebnis jedes messenden Sensor (81;92,93) abgezogen wird, um den Interferenz-Effekt zu eliminieren.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Signal integriert wird, um die Hitze abzuschätzen, die in einem Motor erzeugt wird, der als mit den Stromleitern (82) verbundene Last fungiert.