DE2310103A1 - Elektronischer ueberstromausloeser - Google Patents

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH

6 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

SGN-72/22 Frankfurt/Main, den 28.2.1973 Wei/hs

Elektronischer Überstromauslöser

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Uberstromauslöser zum Schutz von Motoren, Leitungen usw. für die Zusammenarbeit rait bekannten Leistungsschaltelementen wie Schütze, Leistungsschalter und dergleichen.

Zum Schutz von Motoren, Leitungen, Anlagen usw. sind die bekannten Leistungsschaltelemente - wie Schütze, Leistungsschalter, Motorschutzschalter und dergleichen mit Überstroniauslösern ausgerüstet oder arbeiten zu-

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mindest mit solchen zusammen. Ein wesentliches geineinsames Merkmal aller dieser Auslöseeinrichtungen ist ein Auslösezeitverhalten, das umgekehrt proportinal zum überwachten Strom ist. Einige Einrichtungen dieser Art enthalten noch weitere Funktionen wie z.B. die Kurzschlußschnellauslösung und die Differentialauslösung, die eine Auslösung für den Fall bewirkt, daß die Unterschiede in der Stromhöhe in den einzelnen Phasen einen bestimmten Betrag überschreiten.

Neben den bekannten Lösungen auf Bimetall- und elektromagnetischer Basis sind in letzter Zeit mehr und mehr elektronische Lösungen auf den Markt gekommen. Bei diesen Einrichtungen wird das Aus löse verhalten durch irr. wesentlichen analog wirkende elektronische Einrichtungen bewirkt. So kann z.B. das strominverse Auslösezeitverhalten durch Integration des Stromquadrates mit gleichzeitiger Rückführung des integrierten Wertes an einen sogenannten "Integrierverstärker" bewirkt werden. Derartige analog wirkende Lösungen haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Eines der Hauptprobleme stellt die Langzeitstabilität dar. Zu ihrer Erzielung ist besonderer Aufwand erforderlich. Außerdem müssen zur Erzielung des Zeitverhaltens relativ große und damit teure Kondensatoren und andere Bauelemente verwendet werden. Bisher ist es nicht möglich gewesen, derartige Einrichtungen zu einem auch für kleine konventionelle Überstrornauslöser konkurrenzfähigen Preis herzustellen.

Der Erfindung liegt, die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Überstromauslöser der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der einerseits sehr genau arbeitet, der andererseits auch ohne den beschriebenen Aufwand hergestellt werden kann. Erfindungsgemäß wird dieses dadurch erreicht, daß ein digitaler Schaltkreis vorhanden ist, der im Überstromfall eine Auslöseentscheidung herbeiführt. Mit einem digitalen Schaltkreis kann das Verhalten von Überstrom -

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auslösern digital nachgebildet werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die logische Struktur des digitalen Schaltkreises als Kleinstrechner ausgeführt sein, d.h. er enthält ein Steuerwerk, einige Datenspeicher, ein Rechenwerk und eine EIN- und AUSGABE-E-inrichtung. Des weiteren kann der digitale Schaltkreis in Form eines Zählers aufgebaut sein, der die Temperatur des zu simulierdenden Uberstromschutzorganes dadurch simuliert, daß sein Zählerstand proportional zur Stronihöhe vorwärts und proportional zur Temperatur rückwärts gezählt wird. Als Bauelemente für diese Anordnungen können hochintegrierte elektronische Schaltkreise verwendet werden, die z.B. in der sogenannten "MOS"- oder J¹TTL"-Technik aufgebaut sind. MOS und TTL bedeuten dabei: "Metall-Oxid-Schaltkreis-Logik" bzw. "Transistor-Transistor-Logik". Schließlich kann auch, statt eines besonderen digitalen Schaltkreises ein entsprechender Schaltkreis eines bereits vorhandenen Rechners verwendet werden, so daß der Überstromauslöser dann lediglich aus den Ein- und Ausgabegliedern besteht.

Der Erfindungsgedanke wird im folgenden näher erläutert:

Das Erwärmungsverhalten eines üblichen Überstromauslösers kann im einfachsten Fall durch folgende Differentialgleichung beschrieben werden:

Darin ist T die Zeitkonstante, V¹ die Temperatur und die Endteraperatur, die sich für einen vorgegebenen Strom nach un-endlichiLanger Zeit einstellt. Schreibt man die Differentialgleichung als Differenzengleichung und formt sie etwas um, so erhält man:

Ci)

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die bekannte Beziehung, wonach die Änderung dem Abstand von dem zu erreichenden Endwert proportional ifc»v. Zur Berechnung eines neuen Wertes der Temperatur in einem Digitalrechner wird nun die Temperaturänderung zu dem alten Wert addiert. Führt man dies durch, so ergibt sich für den neuen—Wert der Temperatur - bezogen auf den alten Wert folgende Gleichung:

_(J)

Mit dieser Beziehung kann das Verhalten eines Überstromauslösers einwandfrei digital simuliert werden. Durch geeignete Wahl der Schrittweite Al kann man bei gegebener Zeitkonstante T die Konstante (SX/Ύ so wählen, daß die erforderliche Multiplikation mit dem jeweiligen Temperaturwert auf einfaches Stellenverschiebervreduziert wird. Wird beispielsweise** f~J - 0,001 gewählt, so ergibt sich für die Berechnung des neuen Temperaturwertes folgendes Schema

Damit ist der gesamte zur Berechnung des neuen Temperaturwertes erforderliche Rechenumfang auf einfaches Stellenverschieben und Addieren bzw. Subtrahieren reduziert.

Zur Erläuterung der Funktion und des Aufbaues des Anmeldungsgegenstandes wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der in Fig. 1 ein Flußdiagramm dargestellt ist. In Fig. 2 ist eine Rechnerkonfiguration gezeigt. Fig. 3 zeigt die Anordnung der Erfindung im Zusammenwirken mit einem Schaltgerät. In Fig. 4 ist eine Zählerkonfiguration gezeigt.

Der Ablauf eines vollständigen Rechenzyklus wird in dem Flußdiagramm gemäß Fig. 1 erläutert. Der aus dem Analog-

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Digitalwandler 1 bereitgestellte Augenblickswert des Stromes wird in digitaler Form an das Eingaberegisvor 2 für den Strom übergeben. Im einfachsten Falle wird die Endtemperatur proportional dem Wert des Stromes angenommen, dann kann unmittelbar der eigentliche Rechenschritt gemäß Formel (3)durchgeführt werden,-Im Anschluß daran wird in 3 geprüft, ob die neue Temperatur die Auslösetemperatur überschritten hat; falls nicht, wird mit der Rückkehr zum £ingaberegister 2 ein neuer Rechenzyklus eingeleitet; falls doch, wird über den Befehlsgeber k ein Auslösebefehl gegeben und daran anschließend kehrt das Programm zum Eingaberegister 2 für den Strom zurück. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Auslösebefehl dazu führt, daß der Strom abgeschaltet wird und damit das Eingangsregister den Wert O aus dem Analog-Digitalwandler erhält. Dann simuliert das beschriebene Flußdiagramm auch einwandfrei den Abkühlungsvorgang.

Eine mögliche Konfiguration eines Rechners für die vorliegende Aufgabe ist in Fig. 2 dargestellt. Mittels eines Taktgebers 11, der im einfachsten Falle aus der Netzfrequenz bestehen kann, werden aus einem Programmspeicher 12 in zyklischer Reihenfolge die einzelnen Schritte des Rechenvorganges mittels der anschließenden Verknüpfung/auf die übrigen Einheiten des Werkes gegeben. Dieses besteht in seinem mittleren Teil aus einem Addierwerk ld mit Akkumulator 15 sowie zwei weiteren Registern l6 und 1? zur Speicherung des momentanen Temperaturwertes und zur Speicherung des momentanen Stromes, einem Komplementbildner 18 zur Durchführung der obenbeschriebenen Subtraktion und weiterhin aus einem Vergleicher 19, der den Momentanwert der Temperatur mit der Auslösetemperatur im Auslösetemperatursp-eicher 20 aus dem zugehörigen Speicher vergleicht und bei Überschreitung der Auslösetemperatur den Auslösebefehlspeicher 21 aktiviert.

Der Programmablauf ist in einem derartigen Rechner wie

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folgt:

Schritt Mr. 1

Der Inhalt des Akkumulators 15 wird auf den T-Speicher l6 übertragen ( zu Beginn ist dieser Viert gleich Null) . Der Komplementbildner l8 ist direkt an den T-Speicher angeschlossen und bildet laufend das Komplement des Temperaturwertes.

Schritt Nr. 2

Das Komplement von T wird stellenverschoben zu dem im Akkumulatorstehenden Wert von T addiert. Damit steht im Akkumulator der Mert 0,999 . T zur Verfugung (bei Verwendung des oben bereits erwähnten Zahlenbeispiels).

Schritt Nr. 3

Der Inhalt des Eingaberegisters Strom 17 wird stellenverschoben mittels des Addierwerkes lA zu dem Inhalt des Akkumulators 15 addiert. Vor Ausführung dieser Addition wird das Eingaberegister gesperrt, so daß etwaige Änderungen des Augenblickswertes für den Strom sich während der Rechenoperation nicht auswirken können. Am Ende dieses Schrittes steht im Akkumulator 15 der neue Temperaturwert

Schritt Nr. 4

Im Vergleicher I9 wird der im Akkumulator 15 stehende neue Temperaturwert mit der Auslösetemperatur, die in dem zugehörigen Speicher 20 steht, verglichen. Falls die Auslösetemperatur überschritten ist, wird gleichzeitig der Auslösebefehlspeicher 21 auf "Auslösen" (z.B. logische l) gestellt. Damit ist der komplette Rechenzyklus beendet; er besteht also nur aus insgesamt k Schritten; das Programm kehrt jetzt zu Schritt 1 zurück.

Gegebenenfalls kann dieses Programmschema bzw. diese Konfiguration durch eine Reihe weiterer Einrichtungen vervollständigt werden. So ist es z.B. möglich, für 3phasige

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Anordnungen mit 3 T-Speichern und 3 Eingaberegistern für den Strom zu arbeiten und dies.e mit dem einzigen Rechenwerk nacheinander zu bearbeiten. Es ist ebenfalls leicht einzusehen, daß eine Differenzbildung zwischen den einzelnen T-Werten und eine davon abhängige Differentialauslösung möglich ist. Weiterhin kann eine Kurzschlußauslösung dadurch eingeleitet werden, daß der Momentanwert des Stromes jeweils mit einem weiteren Kurzschlußauslösegrenzstromwert verglichen wird. Eine zeitlich gestaffelte Auslösung ist durch Verwendung eines einfachen Zykluszählers möglich. Damit kann jede gewünschte Auslösezeit in^t -Inkrementell eingestellt werden.

ⁿie gesamte Anordnung des digitalen Überstromauslösers im Zusammenwirken mit einenyleistungsschaltenden Glied z.B. einem Schütz - ist in Fig. 3 dargestellt. Aus dem Hauptstromkreis wird mit einem passenden Stromwandler 22 der Analog-Digitalwandler 23 angesteuert, der seinerseits auf das Eingaberegister des digitalen Schaltkreises 2k wirkt. Das Register für den Auslösebefehl dieses digitalen Schaltkreises 2^ wirkt auf den Verstärker 25, der mit seinem Auslösekontakt 26 den Stromkreis' der Spule 27 eines Schützes unterbricht. Dieses Schütz schaltet im Auslösefalle den Hauptstromkreis mit seinem Hauptkontakt 28 aus. Am digitalen Schaltkreis ist angedeutet die Eingabe E des Auslösestromwertes und R als Symbol für eine Rückstellung nach Auslösung.

Zur Realisierung des beschriebenen Digital-Schaltkreises bedient man sich vorzugsweise der Großintegration mittels MOS-Schaltkreisen. Der gesamte Aufwand für den digitalen Schaltkreis in dem beschriebenen Umfang läßt sich leicht auf einem einzelnen Chip unterbringen. Der Analog-Digitalwandler kann gegebenenfalls ebenfalls in MOS-Technik ausgeführt sein. Für den Verstärker 25 verwendet man vorteilhaft diskrete Technik, weil die erforderlichen Leistungen mit den kleinen Leistungspegeln des MOS-Technik nicht

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leicht zu realisieren sind. Grundsätzlich läßt sich der Erfindungsgedanke aber auch noch auf eine andere Weise verwenden:

In größeren Steuerungsanlagen werden bereits vielfach ohnehin Prozeßrechner verwendet, die den obenbeschriebenen logischen Ablauf ohne weiteres mitübernehmen können. Das Auslösegerät besteht in diesem Falle lediglich aus dem Stromwandler, dem Analog-Digitalwandler, dem Ausgangsverstärker und geeigneten Interfaces zwischen diesen und dem -Rechner.

Die erwünschte Funktion des beschriebenen digitalen Schaltkreises muß nicht notwendigerweise in der obenbeschriebenen Form realisiert werden, es sind durchaus auch andere Lösungen denkbar. So kann z.B. die Temperatur des Bimetalls durch einen Geradeaus-Zähler simuliert werden. In einem Frequenzteiler werden aus der Taktfrequenz eine Reihe von Teilerfrequenzen zur Verfügung gestellt, die je nach Höhe des Stromes zum Vorwärtszählen des Temperaturzählers benutzt werden. Die gleichzeitige Abkühlung wird durch Rückwärtszählung bewirkt. Die Rückwärtszählung erfolgt mit umso höherer Frequenz, je nähender Zählerstand an den vorgewählten Auslösezählerstand herankommt. Dieses Verfahren erfordert eine relativ grobe Stufung der Auslösekennlinie, könnte aber für einfache Aufgabenstellungen billiger sein als die weiter oben beschriebene Rechnerlösung. Nähere Einzelheiten der Konfiguration eines digitalen Schaltkreises in Form eines Zählers ist in Fig. k dargestellt. Aus einem Analog-Digitalwandler 31 wird in einigen relativ groben Stufen der Stromwert dem Verknüpfungsteil signalisiert. Der Taktgeber liefert an den Frequenzteiler eine Frequenz, die z.B. aus der Netzfrequenz bestehen kann, und am Ausgang des Frequenzteilers stehen eine Vielzahl von Teilfrequenzen zur Verfügung. Aus diesen Frequenzen wird mittels der Verknüpfungslogik 32 je nach Höhe des Stromes eine Frequenz ausgewählt, die zum

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Vorwärtszählen des Zählers 33 führt. Dabei kann das Vorwärtszählen zweckmäßigerweise durch die aufsteigende Flanke des Taktimpulses erfolgen. Der Zählerstand wird der Verknüpfungslogik ebenfalls signalisiert, die daraus Rückwärtszählimpulse mit Hilfe des Frequenzteilers 3^ und des Taktgebers 35 macht, dabei wird zum Rückwärtszählen vorzugsweise die abfallende Flanke benutzt. Auf diese Weise ist es möglich, den Zähler so zu steuern, daß. der Zählerstand ein Abbild der Temperatur ist. Im Beharrungszustand ändert sich der Zählerstand nicht, d.h. auf jeden Vorwärtszählschritt folgt unmittelbar ein Rückwärtszählschritt. Die Auslösung wird dan signalisiert, wenn der vorgewählte Zählerstand erreicht ist.

Auch diese Einrichtung läßt sich mit integrierten Schaltkreisen ausführen. Dabei können z.T. bereits handelsübliche TTL-Schaltkreise verwendet werden, die gegebenenfalls eine sehr preisgünstige Lösung ermöglichen.

Ein elektronischer Überstromauslöser der beschriebenen Art läßt sich in verschiedenen Variationen herstellen. So kann man den Auslöser ein- od. dreiphasig bauen. Bei der dreiphasigen Ausführung kann eine Differentialauslösung vorgesehen sein. Außerdem kann sowohl bei der einphasigen, als auch bei der dreiphasigen Ausführung eine Kurzschlußschnellauslösung mit einstellbarer Verzögerungszeit vorgesehen sein.

Patentansprüche

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Claims (5)

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   Patentansprüche

   (1· !Elektronischer Überstromauslöser zum Schutz von Motoren, Leitungen, Anlagen usw. für die Zusammenarbeit mit be kannten Leistungsschaltelementen wie Schütze, Leistungsschalter, Motorschutzschalter und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß ein digitaler Schaltkreis vorhanden ist, der im Überstromfall eine Auslöseentscheiduiig her beiführt .
2. 2. Elektronischer Überstromauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Struktur des digitalen Schaltkreises als Kleinstrechner ausgeführt ist, d.h. ein Steuerwerk, einige Datenspeicher, ein Rechenwerk lind Ein- und Ausgabeeinrichtungen enthält.
3. 3· Elektronischer Überstromauslöser nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der digitale Schaltkreis in Form eines Zählers aufgebaut ist, der die Temperatur des zu simulierenden Uberstroraschutzorgans dadurch simuliert, daß sein Zählerstand proportional zur Strom- hohe vorwärts und proportional zur Temperatur rückwärts gezählt wird.
4. 4. Elektronischer Überstromauslöser nach Anspruch 1 und 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß als Bauelemente hochintegrierte elektronische Schaltkreise - z.B. in MOS- oder TTL-Technik - verwendet sind.
5. 5. Elektronischer Überstromauslöser nach Anspruch 1 und 2,

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   dadurch gekennzeichnet, daß statt eines besonderen digitalen Schaltkreises die entsprechenden Schaltkreise eines bereits vorhandenen Rechners verwendet sind und somit der Uberstromauslöser lediglich aus den Ein- und Ausgabegliedern (2 und k in Fig. 3) besteht.

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