DE2539568A1

DE2539568A1 - Statisches ueberstromrelais

Info

Publication number: DE2539568A1
Application number: DE19752539568
Authority: DE
Inventors: David Wilmore Little
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-09-10
Filing date: 1975-09-05
Publication date: 1976-03-18
Also published as: BR7505587A; SE406396B; CA1059608A; ES440777A1; SE7510032L; US3944890A; FR2285010A1

Description

2539568 Dr. Horst Schüler _4# September 1975

Patentanwalt Schu/Vo/Rg

6 Frankfurt/Main 1
Niddaetr. 52

3684-48-PS-OO516

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Statisches Überstromrelais

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Schützen elektrischer Kreise vor gefährlichen Überströmen und insbesondere auf ein verbessertes überstromschutzrelais mit inversem Zeitverhalten und Festkörperkomponenten.

Früher waren Überstromrelais mit inversem Zeit- bzw. Ansprechverhalten elektromechanisch aufgebaut. Aufgrund der Vorteile bezüglich der hohen Verläßlichkeit, der geringen Wartung und der langen Lebensdauer von Transistoren sowie anderen Festkörperkomponenten sind heutzutage statische Überstromrelais unter Verwendung solcher Komponenten' entwickelt worden, um die elektromechanischen Ausbildungen zu ersetzen. Um jedoch eine Relaisvereinheitlichung bei elektrischen Leistungserzeugungs- und -Verteilungssystemen zu erreichen, ist es erwünscht, daß diese neuen Festkörperrelais Betriebseigenschaften haben, welche denen der älteren elektromechanischen Modelle ähneln. Bei beiden Relaisarten soll die Betriebs- bzw. Ansprechzeit (t) invers proportional zur Größe des Stroms (I) in dem zu schützenden Kreis sein, d.h. I t=k, wobei k eine Konstante und η im Idealfall 2 sind. Bei elektromechanischen Relais wurde diese ideale Charakteristik angenähert, jedoch nicht exakt erreicht, da

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bei diesen Relais η keine Konstante ist und von der Größe des Überstroms abhängt. Um in solchen Systemen verwendbar zu sein, die bereits durch elektromechanische Überstromrelais geschützt werden, sollten daher die Festkörper-Überstromrelais Betriebseigenschaften haben, die mit denjenigen der auszutauschenden elektromechanischen Relais zusammenpassen, auch wenn die Charakteristiken in gewisser

2
Beziehung von dem I t=k Optimalfall abweichen»

Elektromechanische Überstromrelais werden im allgemeinen in Abhängigkeit von der Neigung bzw. Steigung des Hauptteils ihrer Zeit-Überstrom-Betriebskurve als invers (zuweilen als 'mäßig invers' bezeichnet) ,als sehr invers und als extrem invers klassifiziert. Siehe hierzu die IREE Norm für Relais und Relaissysteme, die elektrischen Leistungsvorrichtungen zugeordnet sind, STD. 313-1971 (auch ANSI Norm C37.9o-1971) .

Bisher wurden zahlreiche Systeme für die Approximation der nichtlinearen Charakteristiken von elektromechanischen Überstromrelais vorgeschlagen. Siehe hierzu beispielsweise das US-Patent 3 Io5 92o, wonach eine Gleichspannung, die mit der Größe eines Stromes in einer geschützten Wechselstromleitung veränderlich ist, einer RC-Reihenschaltungs-Zeitkurvenformachaltung zugeführt wird, welche aus einem Netzwerk entsprechend angeordneter Widerstände und Zenerdioden besteht, um die Zeitkonstante des Kreises als Funktion der Größe der Gleichspannung zu verändern. Dadurch erfolgt eine in bezug auf den Leitungsstrom inverse bzw. reziproke Änderung der für das Laden des Kondensators bis zu einem vorbestimmten Pegel erforderlichen Zeit.

Im Tagungsbericht CP62-lo91 des American Institute of Electrical Engineers vom Juni 1962 beschreibt E.W. Kimbark ein statisches Überstromrelais mit einem nichtlinearen Spannungsveränderungskreis unter Verwendung von Zenerdioden oder dergleichen, um eine einem RC-Reihenkreis zugeführte Spannung als Funktion der Größe des Überstroms zu verändern.

Solche bekannten Systeme haben gewisse Nachteile, da sie relativ

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große Eingangssignale erfordern und eine vergleichsweise große Belastung auf die Instrumentenstromwandler ausüben. Ferner neigen die Durchbruch- bzw. Knickpunkte ihrer nichtlinearen Netzwerke zu einer Lastabhängigkeit.

Nach einer weiteren vorgeschlagenen Lösung werden einem RC-Zeitkreis Logarithmus- und Numerus-Funktionsgeneratoren vorgeschaltet. Siehe hierzu das US-Patent 3 531 689. Während nach dieser Lösung

eine ideale I t=k Charakteristik erzeugt werden kann, ist die genannte Lösung relativ teuer, was insbesondere dann gilt, wenn passende Vorkehrungen getroffen worden sind, um eine Temperaturstabilität sicherzustellen. Außerdem erfüllt diese Lösung nicht das Problem der Anpassung an die nicht ideale Betriebscharakteristik.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine größere Annäherung an die Betriebscharakteristik von elektromechanischen Überstromrelais mit inversem und sehr inversem Zeitverhalten zu schaffen, und zwar mit einem verbesserten Festkörperrelais, das sich durch geringe Kosten, durch kleine Belastungseigenschaften und durch eine über einen großen Temperaturänderungsbereich stabile Betriebseigenschaft auszeichnet.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß nach einer Ausführungsform ein geeigneter Signalerfassungsmechanismus vorgeschlagen, beispielsweise ein Stromwandler und 'ein Doppelweggleichrichter, wodurch ein zu einer Stromgröße in einer geschützten Leitung proportionales unipolares Spannungseingangssignal gebildet wird. Dieses Eingangssignal wird einem nichtlinearen Funktionsgenerator zugeführt, der aus einem Operationsverstärker mit einer passenden Rückkopplungsschleife besteht. Der Funktionsgenerator erzeugt an seiner Ausgangsklemme ein elektrisches Signal, dessen Größe eine nichtlineare Funktion der Eingangssignalgröße ist. Das Ausgangssignal des Funktionsgenerators wird durch einen mit einer kapazitiven Rückkopplung versehenen Operationsverstärker integriert, und dieses integrierte Ausgangssignal wird durch einen als Pegeldetektor benutzten Operationsverstärker mit einem geeigneten Referenzsignal verglichen. Wenn der Pegel des Referenzsignals über-

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schritten wird, erfolgt die Ausgabe eines Auslösesignals, das dazu benutzt werden kann, um eine geeignete Warnvorrichtung zu erregen oder einen Leistungsschalter in der geschützten Leitung auszulösen.

Die im erfindungsgemäßen Relais benutzten Operationsverstärker sind relativ preiswert sowie höchst zuverlässig und arbeiten bei kleinen Signalpegeln. Außerdem haben sie eine sehr kleine Ausgangsimpedanz, so daß der Funktionsgenerator des Relais nicht spürbar die Zeitkonstante des Integrators beeinflußt, wodurch die Ausbildung stark vereinfacht wird.

Die Erfindung und ihre Ziele sowie Vorteile werden nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - in einer graphischen Darstellung die in Abhängigkeit vom Mehrfachen des Überstroms aufgetragene Betriebs- bzw. Ansprech- oder Schaltzeit, woraus sich die Betriebs- oder Schalteigenschaften des erfindungsgemäß aufgebauten Relais ergeben,

Figur 2 - einen schematischen Kreis eines Überstromrelais mit 'sehr inversem¹ Zeitverhalten nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figuren

3a + 3b - Wellenformverläufe der dem Funktionsgenerator, welcher im Relais aus Figur 2 benutzt wird, zugeführten Eingangssignale und der sich ergebenden Ausgangssignale des Funktionsgenerators und
Figur 4 - in einer schematischen Darstellung eine zum Erzeugen eines Relais mit einer 'inversen¹ Charakteristik benutzten Abwandlung des Funktionsgenerators aus Figur 2.

Die in Figur 1 dargestellten Kurven zeigen die Betriebs- bzw. Schalteigenschaften von zwei beschriebenen Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung in doppelt logarithmischem Maßstab. Die Ordinate der graphischen Darstellung zeigt die Betriebs- bzw. Schaltzeit des Relais, während die Abszisse ein Mehrfaches des Aufnahmebzw. Auslösestroms wiedergibt, das heißt also des minimalen Stromes, der das Relais zum Ansprechen veranlaßt. Die Verläufe die-

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ser charakteristischen Kurven ähneln stark denjenigen der elektromechanischen Gegenstücke zur vorliegenden Erfindung. Die Schar der durchgezogenen Kurven A ist charakteristisch für das inverse bzw. reziproke Relais (Figur 4), während die Schar der unterbrochenen Kurven B charakteristisch für ein sehr inverses bzw. reziprokes Relais (Figur 2) ist. Die entsprechenden Kurven IA - loA und IB loB jeder Kurvenschar entsprechen unterschiedlichen Zeitskaleneinstellungen, wie es noch näher erläutert wird.

Figur 2 zeigt die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Signalfühler 12 des Relais mit einem Wechselstromkreis bzw. einer Wechselstromleitung Io gekoppelt ist. In typischer Weise enthält der Signalfühler bzw. -sensor 12 einen Hilfsstromwandler 14, dessen Sekundärwxcklung induktiv an den Sekundärkreis eines Leitungsstromwandlers 16 angekoppelt ist, wobei der Primärkreis des letzteren den in der geschützten Leitung fließenden Strom führt. Der Kreis aus Figur 2 ist insoweit vereinfacht, als er auf den Netzstrom in einer Einphasenleitung anspricht. Für den Durchschnitts f achmann ist es jedoch ersichtlich, daß das Relais leicht auf ein Ansprechen anderer Kreisgrößen angepaßt werden kann, die von Einphasen- oder Mehrphasenleitungen abgeleitet sind, wenn dieses erwünscht ist. Beispielsweise könnte der Signalfühler 12 durch den größten von drei Dreiphasenströmen, durch einen Erdstrom oder durch eine symmetrische Komponente des Leitungsstroms erregt werden.

Der Strom in der Sekundärwicklung des Hilfswandlers 14 des Signalfühlers 12 wird durch einen Doppelweggleichrichter 18 gleichgerichtet und durch Spannungsabfall-Widerstände 19 und 2o geführt, um ein unipolares Spannungseingangssignal fnxfdie nachfolgenden Komponenten des Relais zu bilden. Über die Gleichstromklemmen des Gleichrichters 18 ist kein Glättungskondensator geschaltet, wodurch das Eingangssignal eine Folge von Halbwellen einer unipolaren Spannung (siehe die Wellenform loo in Figur 3a) ist, wobei die momentane Größe proportional zur momentanen Größe des Wechselstroms in der geschützten Leitung 14 ist. Somit ist die Amplitude des Eingangssignals repräsentativ für den Spitzenwert des LeitungsStroms, so daß sie sich gleichzeitig mit diesem ändert. Der Widerstand 2o ist

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einstellbar und so eingerichtet, daß das Eingangssignal bei Normalstrombedingungen eine vorbestimmte kleine Amplitude hat (beispielsweise 2oo Millivolt). Je größer der normale Sekundärstrom im Hilfswandler 14 ist, desto kleiner ist der Widerstandswert, auf den der Regelwiderstand 2o eingestellt wird.

Das an den Widerständen 19 und 2o liegende Eingangssignal wird zur Eingangsklemme 21 eines Funktionsgenerators 22 geleitet, wobei die Polarität dieser Eingangsklemme positiv in bezug auf eine gemeinsame (als Masse dargestellte) Potentialleitung ist. Der Funktionsgenerator 22 enthält einen Operationsverstärker 24, dessen nicht invertierender Eingang über einen Widerstand 2 6 mit der gemeinsamen Potentialleitung und dessen Ausgang über eine Diode 33 mit einer Ausgangsklemme 37 des Funktionsgenerators verbunden sind. Ein vorbestimmtes Vorspannungssignal relativ kleiner konstanter Größe (beispielsweise etwa 4oo Millivolt) und mit zum Eingangssignal entgegengesetzter Polarität wird dem invertierenden Eingang des Verstärkers 2 4 über Widerstände 34, 35 und 36 von einer negativen Spannungsquelle 2 8 zugeführt. Die Bedeutung dieser Vorspannung wird noch näher erläutert. Der Operationsverstärker 2 4 hat einen Rückkopplungspfad bzw. eine Rückkopplungsschleife mit einem Widerstand 2 7 in einem ersten Zweig und einem Widerstand 29, einer Zenerdiode 3o sowie einer Diode 31 in einem zweiten parallelen Zweig. Eine Diode 33 ist beiden Zweigen gemeinsam, und eine andere Diode 32 ist gemäß Darstellung über den Verstärker geschaltet. Die Dioden 32 und 33 sind bei Benutzung so gepolt, daß sie dem Zweck dienen, eine .relativ positive Spannung an der Ausgangsklemme 37 des Funktionsgenerators abzublocken, wenn der invertierende Eingang des Verstärkers 2 4 negativ ist, weil die Größe des Eingangssignals kleiner als diejenige des Vorspannungssignals ist.

,^Gewinn)

Die Verstärkung/des Funktionsgenerators 22 ändert sich in Abhängigkeit van der Größe des Eingangssignals. Wenn sich dieses Signal in einem ersten vorbestimmten Bereich befindet, ist die Spannung am Widerstand 27 in der Rückkopplungsschleife kleiner als die maximale Spannung des Bereiches, wie er durch die Zenerdioden-Durchbruchspannung (beispielsweise etwa 6,8 Volt) bestimmt wird. Der Funk-

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tionsgenerator 22 erzeugt an der Ausgangsklemme 37 ein Ausgangssignal, dessen Größe über einen ersten weitgehend konstanten Verstärkungsgrad mit derjenigen des Eingangssignals in Beziehung steht. Dieser erste Verstärkungsgrad wird durch das Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstands 2 7 zum Widerstandswert des Eingangswiderstands 25 bestimmt (beispielsweise ein Verhältnis von 15o K Ohm zu 17,8 K Ohm). Wenn das Eingangssignal diesen Maximumwert überschreitet und in einen zweiten vorbestimmten Bereich gelangt, hat der Funktionsgenerator 22 einen zweiten Verstärkungsgrad, der kleiner als der erste ist, da der den Widerstand 29 und die Zenerdiode 3o enthaltende Zweig der Rückkopplungsschleife wirksam wird und der Gesamtwiderstand der Schleife abnimmt (beispielsweise auf etwa 2o K Ohm).

Das an der Ausgangsklemme 37 entstehende Ausgangssignal des Funktionsgenerators 22 wird einem Integrator 38 mit einer 'Zeitskala¹

39 und einem integrierenden Operationsverstärker 4o zugeführt. Die 'Zeitskala¹ 39 besteht aus einer Reihe von Widerständen Rl - Rio, die über einen Drehschalter 41 zugänglich sind. Die Position des Schalters bestimmt die Anzahl der in Reihe zwischen der Ausgangsklemme 37 und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers

40 geschalteten Widerstände und daher die Zeitkonstante des Integrators 38. Je größer der Reihenwiderstand der 'Zeitskala¹ ist, desto kleiner werden die Geschwindigkeit der Integrationsdurchführung und des Arbeitens bzw. Schaltens des Relais. Bestimmte durch den Drehschalter kl festgelegte Einstellungen der 'Zeitskala¹ entsprechen bestimmten Kurven der in Figur 1 dargestellten Schar von charakteristischen Kurven B. Wie es in Figur 2 dargestellt ist, hat der Operationsverstärker 4o eine kapazitive Rückkopplung (über einen parallel zu einer Diode 44 liegenden Integrationskondensator 43), und sein nicht invertierender Eingang ist über einen Widerstand 42 mit der gemeinsamen Potentialleitung verbunden. Wenn es erwünscht ist, kann der dargestellte Integrator 38 in bekannter Weise durch einen RC-Kreis oder andere Integrationsmittel ersetzt werden.

Ein Aufnahmepegeldetektor und Rückstellkreis 45 hält den Integrator

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38 im Außerbetriebszustand, bis der Mittelwert des gleichgerichteten Eingangssignals über einen vorgewählten Wert ansteigt, der anzeigt, daß in der geschützten Leitung Io ein übermäßig großer Strom fließt. Der Aufnahmepegeldetektor 45 ist vorzugsweise ein Operationsverstärker 46, dessen nicht invertierender Eingang über Widerstände 48, 49 und 5o von einer positiven Spannungsquelle an eine ßezugsspannung gelegt ist und dessen Rückkopplungsschleife einen Kondensator 51 enthält. Der invertierende Eingang ist über einen Eingangswiderstand 52 mit dem Gleichrichter 18 verbunden, und der Ausgang des Verstärkers 46 führt über eine Diode 53 und einen Widerstand 53a zum Integrator 38. Der den Operationsverstärker überbrückende Kondensator 51 mittelt die Größendifferenz zwischen dem Eingangssignal und dem Referenzsignal. Das letztere wird so gewählt, daß die mittlere Größe des Eingangssignals diesem entspricht oder es übersteigt, wenn der Strom in der geschützten Leitung Io über einen Auslösewert ansteigt, der um gewisse Prozentwerte größer als der Normalwert ist. Im Normalfall ist das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 46 positiv, und die Diode 53 kann leiten. Wenn jedoch der Auslösewert erreicht ist, wird dieses Ausgangssignal negativ, die Dioden 53 und 44 blockieren und der Kondensator 43 beginnt mit dem Ladevorgang.

Das vom Integrator 38 gebildete integrierte Signal wird zu einem Pegeldetektor 54 geleitet, der vorzugsweise einen Operationsverstärker 55 aufweist, dessen nicht invertierender Eingang über einen Widerstand 56 mit der gemeinsamen Potentialleitung verbunden ist und dessen invertierender Eingang ein Signal von einem Summierpunkt 57 empfängt. Der letztere ist mit dem Ausgang des Integrators 38 über einen Widerstand 58 und ferner mit einer Quelle 59, die ein relativ negatives Vorspannungssignal bildet, über einen Widerstand 6o verbunden. Der Operationsverstärker 55 hat einen gleichrichtenden Rückkopplungspfad mit einer Diode 61. Wenn die integrierte Ausgangsspannung des Integrators 38 einen vorgewählten Pegel übersteigt, der von der Vorspannung infolge der Quelle 59 gebildet wird, fließt der resultierende positive Strom am Summierpunkt 57 zum Pegeldetektor 54, der ein relativ negatives Auslösesignal erzeugt, welches einen Triggerkreis 62 erregt.

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_ 9 - / .ι ig.i^r)Q

Da die Integrationsgeschwindigkeit des Integrators 38 proportional zum Mittelwert des vom Funktionsgenerator erzeugten Ausgangssignals ist, ist die zum Erzeugen eines Auslösesignals erforderliche Zeitlänge bzw. -periode invers proportional zur Größe des Funktionsgeneratorausgangssignals. Wenn dieses mit dem Eingangssignal über eine zu erzielende nichtlineare Funktion in Beziehung steht, ergibt sich die erwünschte Betriebs- bzw. Ansprechcharakteristik.

Wie es in Figur 2 dargestellt ist, besteht der Triggerkreis 62 aus einem Transistor 63, aus Widerständen 64, 65 sowie 66, aus einer Zenerdiode 66a, aus einer Spannungsquelle 67 und aus einer Diode Das Auslösesignal schaltet den Transistor 6 3 durch, wodurch eine Relaisspule 6 9 erregt wird. Ein normalerweise geöffneter Relaiskontakt 7o wird infolge des Stroms in der Spule 69 geschlossen. Hierdurch wird ein Auslösekreis 71 aktiviert, um einen Leistungsschalter 72 in der geschützten Leitung Io zu öffnen. Alternativ könnten auch ein geeignetes Warnlicht oder Alarmglied erregt werden.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist das Anlegen des kleinen Vorspannungssignals an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 des Funktionsgenerators 22, und zwar mittels der Spannungsquelle 28 über die Widerstände 34, 35 und 36. Wie es oben erwähnt wurde, ist die Integrationsgeschwindigkeit des Integrators 38 proportional zum Mittelwert des Ausgangssignals vom Funktionsgenerator 22. Aus diesem Grunde brauchen kleine Signale eine vergleichsweise längere Zeit zum Erzeugen eines Auslösesignals, als es bei größeren Signalen der Fall ist. Da die Vorspannung von entgegengesetzter Polarität wie das unipolare Spannungseingangssignal ist und da die Vorspannung in bezug auf ein kleines Signal einen beträchtlich höheren Prozentsatz als in bezug auf ein größeres Signal ausmacht, verzögert die Vorspannung die Integrationsgeschwindigkeit für kleine Signale, während sie bei größeren Signalen nur eine kleine Wirkung hat. Dies ergibt eine wesentlich bessere Annäherung an die erwünschten Relaiseigenschaften, indem der Relaisansprechvorgang für Stromwerte, die dem Auslösewert entsprechen oder etwa entsprechen, verlangsamt wird. Die Wirkung der Vorspannung ergibt sich eindeutiger aus der folgenden Beschreibung von Figuren 3a und 3b.

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- Io -

? 5 3 9 B R 8

Die Figuren 3a und 3b zeigen die Wellenformen der Eingangs- und Ausgangssignale des Funktionsgenerators 22 während eines Stromzyklus in der geschützten Leitung für zwei verschiedene Zustände. In dem einen Fall gemäß Figur 3a ist der Spitzenwert des der Eingangsklemme 21 zugeleiteten Eingangssignals loo kleiner als die Durchbruchpunkt- bzw. Schaltpunkt-Größe lol der Zenerdiode 3o, so daß der erste Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers 24 wirksam ist. Das an der Ausgangsklemme 37 erscheinende Ausgangssignal Io2 des Funktionsgenerators 22 ist im unteren Teil von Figur 3a dargestellt. Ein schraffierter Bereich Io3 zeigt den Wert, um den das Ausgangssignal infolge des von der Spannungsquelle 28 zugeführten Vorspannungssignals vermindert ist. Durch Verkleinerung der Größe des Ausgangssignals werden die Integrationsgeschwindigkeit verlangsamt und daher die Betriebs- bzw. Ansprechzeit des Relais vergrößert. Im Ausgangssignal Io2 würde eine positive Spitze Io8 erzeugt werden, wenn keine ßlockierdioden 32 und 3 3 vorhanden wären, die das Ausgangssignal daran hindern, über Null anzusteigen.

Figur 3b zeigt ein größeres Eingangssignal Io4, dessen Spitzenwert die Durchbruchpunkt- bzw. Schaltpunkt-Größe lol übersteigt. Wenn dieses Signal an den Funktionsgenerator 22 angelegt wird, veranlaßt es eine Umschaltung seines Verstärkungsgrades auf den zweiten konstanten Wert, und zwar während eines Teils einer jeden Halbwelle.. Da der zweite Verstärkungsgrad kleiner als der erste Verstärkungsgrad ist, wird der Spitzenbereich des sich ergebenden Ausgangssignals Io5 abgeflacht, wie es bei Io6 dargestellt ist. Aufgrund des verminderten Spitzenwertes wird der Mittelwert des Ausgangssignals Io5 über einen vollen Zyklus eines gegebenen Eingangssignals vermindert. Daher ergibt sich eine kleinere Integrationsgeschwindigkeit für Überströme, die groß genug sind, um den zweiten Verstärkungsgrad wirksam werden zu lassen, gegenüber einem solchen Fall, bei dem der erste Verstärkungsgrad über den ganzen Zyklus wirksam wäre.

Wenn der Funktionsgenerator 22 nicht vorhanden wäre, würde die Ansprechzeit-Überstrom-Charakteristik des Relais über ihren Bereich eine Steigung von etwa -1 haben. Um die in Figur 1 dargestellten

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_ _Li _ /ü.1 ·;.- η ο

Kurven B mit sehr inversem Zeitverhalten zu erzielen, wurde die Steigung bei großen Mehrfachen des Überstroms durch Umschalten auf einen kleineren Verstärkungsgrad abgeflacht, wodurch die Integrationszeit vermindert wird. Ferner wurde die Steigung am unteren Ende des Bereichs der Überstromwerte durch Einführen der Vorspannung von der Spannungsquelle 28 angehoben, wodurch die Relaisauslösung in diesem Bereich verlangsamt wird. In Figuren 3a und 3b ist festzustellen, daß der schraffierte Bereich Io3, der sich aufgrund der von der Spannungsquelle 2 8 zugeführten kleinen Vorspannung ergibt, bezüglich des Signals Io5 einen wesentlich kleineren Prozentsatz als bezüglich des Signals Io2 darstellt. Daher wird die Integrationsgeschwindigkeit für ein großes Signal durch die Vorspannung nicht ausreichend verlangsamt.

Figur 4 zeigt einen alternativen Funktionsgenerator 22a, der in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung benutzt werden kann, um ein Relais mit inversem bzw. reziprokem Zeit-Überstrom-Betriebsverhalten zu erzeugen. Der Funktionsgenerator 22a hat eine Eingangsklemme 21a sowie eine Ausgangsklemme 37a und weist einen Operationsverstärker 24a auf, dessen invertierender Eingang über einen Eingangswiderstand 25a mit der Eingangsklemme 21a und dessen nicht invertierender Eingang über einen anderen Widerstand 26a mit Masse verbunden sind. Der Funktionsgenerator 22a enthält ebenfalls einen Rückkopplungspfad, der sich aus vier parallelen sowie Widerstände 27a, 3oa, 31a und 32a enthaltenden Zweigen zusammensetzt. Drei der genannten Zweige enthalten eine Diode (4oa, 41a und 42a) in Reihe mit dem zugeordneten Widerstand, wobei die Anoden aller drei Dioden direkt mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24a verbunden sind. Diese Dioden sind normalerweise in Sperrichtung von einer Spannung vorgespannt, die von einer positiven Spannungsquelle 46a über Widerstände 43a, 44a und 45a an ihre Kathoden gelegt wird. Dem Operationsverstärker 2 4a wird ebenfalls ein Vorspannungssignal von einer Quelle 2 8a relativ kleiner negativer Spannung zugeführt. Dieses Signal gelangt über Widerstände 34a, 35a und 36a zum invertierenden Eingang des Verstärkers 24a.

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Typische Widerstandswerte für die Widerstände der Rückkopplungsschleife ergeben sich aus der folgenden Aufstellung, bei der die erste Bezeichnung den Widerstand und die zweite Bezeichnung den Widerstandswert in K Ohm angeben: 27a - 215; 3oa - 56,2; 31a 31,6; 32a - 6,81; 43a - 191; 44a - 82,5; 45a - 13,3. Die Spannungsquelle 46a wird normalerweise auf 15 Volt in bezug auf Masse eingestellt. Da diese Widerstände unterschiedliche Widerstandswerte haben, ergeben sich auch unterschiedliche Vorspannungen für die Dioden 4oa, 41a und 42a, und der resultierende Widerstand in der Schleife nimmt in drei Stufen bzw. Schritten ab, wenn das Eingangssignal ansteigt. Solange die Größe des dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2 4a zugeführten Signals in einem ersten vorbestimmten Bereich liegt, hat der Funktionsgenerator einen ersten Verstärkungsgrad, der dem Verhältnis des Widerstandswertes des Widerstandes 27a allein genommen zu demjenigen des Widerstandes 25a entspricht. Die Dioden 4oa, 41a und 42a sind anfänglich alle in Sperrichtung vorgespannt, da sich ihre Anoden auf einer virtuellen Masse befinden und da ihre Kathoden infolge der Quelle 46a positiv sind. Wenn jedoch das Eingangssignal auf die Maximumgrenze des ersten Bereiches ansteigt, gelangt das Eingangssignal in einen zweiten vorbestimmten Bereich, in dem die Spannung an der Ausgangsklemme 37a ausreichend negativ ist, um das Potential an der Kathode der Diode 4oa unter die virtuelle Masse abzusenken, wodurch diese Diode in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. In diesem zweiten Bereich wird der die Diode 4oa und den Widerstand 3oa enthaltende Rückkopplungszweig leitend, und es wird der zweite Verstärkungsgrad, der kleiner als der erste ist, des Funktionsgenerators 22a wirksam. Wenn das Eingangssignal die Maximumgrenze dieses zweiten vorbestimmten Bereiches erreicht, gelangt es in einen dritten vorbestimmten Bereich, in dem die Spannung an der Ausgangsklemme 37a einen noch größeren negativen Wert hat, der die Spannung an der Kathode der Diode 41a auf einen ausreichend niedrigen Spannungspunkt absenkt, um die Diode durchlässig werden zu lassen. In diesem Bereich wird ein noch kleinerer dritter Verstärkungsgrad wirksam, und zwar aufgrund des Zufügens des parallelen Widerstandes 31a zur Rückkopplungsschleife. Ein vierter und kleinster Verstärkungsgrad wird in ähnlicher Weise wirksam, wenn das Eingangssignal über die

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Λ Γ* A fS

/ D A H

Maximumgrenze des dritten Bereiches ansteigt, wobei die Diode 42a zu leiten beginnt. Das dem Operationsverstärker 2 4a von der Spannungsquelle 28a zugeleitete, entgegengesetzte Vorspannungssignal hat dieselbe Funktion wie die Vorspannung aufgrund der Quelle 28 in der ersten Ausführungsform. Dieses Vorspannungssignal dient nämlich zum Vermindern der mittleren Größe des Ausgangssignals bei kleinen Eingangssignalpegeln. Wenn der Funktionsgenerator 22 durch den Funktionsgenerator 22a ausgetauscht wird, arbeitet das in Figur 2 dargestellte Relais mit Betriebseigenschaften, die eng an diejenigen eines inversen elektromechanischen Überstromrelais angepaßt sind, wie es durch die Kurvenschar A in Figur 1 dargestellt ist.

Während vorliegend verschiedene beispielhafte Ausfuhrungsformen der Erfindung beschrieben wurden, sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

/ 1. Schutzrelais, das an einen Wechselstromkreis ankoppelbar ist, ^v " um unter verzögertem Ansprechen auf einen zu großen Wert einer Kreisgröße ein Auslösesignal zu erzeugen, gekennzeichnet durch Mittel (12, 14, 16, 18, 19, 2o) zum Ableiten eines unipolaren und die Kreisgröße repräsentierenden Eingangssignals variabler Amplitude, durch Mittel (28) zum Bilden eines vorbestimmten Vorspannungssignals relativ kleiner Größe, durch Funktionsgeneratormittel (22, 22a), denen die Eingangs- und Vorspannungssignale entgegengesetzter Polarität zugeführt werden, wobei die Funktionsgeneratormittel· wirksam sind, um ein sich als nichtlineare Funktion der Summe der Signale veränderndes Ausgangssignal zu erzeugen, durch mit den Funktionsgeneratormitteln verbundene und immer dann wirksame Mittel (38) zum Integrieren des Ausgangssignals, wenn der Wert der Kreisgröße übermäßig groß wird, um ein integriertes Ausgangssignal zu erzeugen, und durch mit den Integrationsmitteln verbundene Mittel (54, 62), die ein Auslösesignal· erzeugen können, wenn das integrierte Ausgangssignal· einen vorgewähiten Pegel· übersteigt.
2. Schutzreiais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsgeneratormittel (22, 22a) Glieder aufweisen, um irgendein spürbares Ausgangssignal· abzublocken, bis die Größe des Eingangssignals die Größe des Vorspannungssignals übersteigt.
3. Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsgeneratormittel (22, 22a) einen Operationsverstärker (24, 24a) aufweisen.
4. Schutzreiais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal· mit dem Eingangssignal· über einen im wesentiichen konstanten Verstärkungsgrad in Beziehung steht, wenn sich das Eingangssignal· in einem ersten vorbestimmten Bereich befindet, und daß für diese Beziehung ein anderer, im wesentlichen konstanter Verstärkungsgrad zuständig ist, der von dem erstgenannten Verstärkungsgrad abweicht, wenn sich das Eingangssignal· in

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einem zweiten vorbestimmten Bereich befindet, dessen Minimumwert dem Maximumwert des ersten Bereiches entspricht.
5. Schutzrelais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktxonsgeneratormittel (22, 22a) einen Operationsverstärker (2 4, 2 4a) aufweisen.
6. Schutzrelais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Verstärkungsgrad kleiner als der erstgenannte Verstärkungsgrad ist.
7. Schutzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Augenblicksgröße des unipolaren Eingangssignals gleichzeitig mit dem Augenblickswert der Kreisgröße verändert.
8. Schutzrelais mit inversem Zeit-Überstrom-Verhalten sowie mit Festkörpergliedern, gekennzeichnet durch Mittel (12, 14, 16, 18, 19, 2o) zum Ankoppeln des Relais an einen einen Wechselstrom variabler Amplitude führenden elektrischen Kreis (lo) zum Bilden eines diesen Strom repräsentierenden unipolaren Spannungseingangssignals, durch einen Operationsverstärker (24, 2 4a) aufweisende Funktxonsgeneratormittel (22, 22a) mit einer Eingangsklemme (21, 21a), der das Eingangssignal zugeleitet wird, und mit einer Ausgangsklemme (37, 37a), an der ein Ausgangssignal erzeugt wird, das mit dem Eingangssignal über einen im wesentlichen konstanten Verstärkungsgrad in Beziehung steht, wenn sich die Größe des Eingangssignals in einem ersten vorbestimmten Bereich befindet, und wobei für die Beziehung ein anderer, im wesentlichen konstanter Verstärkungsgrad zuständig ist, der kleiner als der erstgenannte Verstärkungsgrad ist, wenn sich die Größe des Eingangssignals in einem zweiten vorbestimmten Bereich befindet, dessen Minimumgrenze der Maximumgrenze des ersten Bereiches entspricht, durch mit den Funktionsgeneratormitteln verbundene und immer dann wirksame Mittel zum Integrieren des Ausgangssignals, wenn die Amplitude des Stroms übermäßig groß wird, um ein integriertes Ausgangssignal zu erzeugen, und durch mit den Integrationsmitteln verbundene Mittel (54, 62),

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die ein Auslösesignal erzeugen können, wenn das integrierte Ausgangssignal einen vorgewählten Pegel übersteigt.
9. Schutzrelais nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsgeneratormittel (22, 22a) einen Rückkopplungspfad aufweisen, der dem Operationsverstärker (24, 2 4a) zugeordnet ist und der eine Durchbruch- bzw. Zenerdiode (3o) enthält, welche durchschaltet bzw. durchbricht, um den Widerstand des Rückkopp lung sp fades in Abhängigkeit von der Größe des über die Maximumgrenze des ersten Bereiches ansteigenden Eingangssignals zu verändern.
10. Schutzrelais nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsgeneratormittel (22, 22a) einen Rückkopplungspfad aufweisen, der dem Operationsverstärker (24, 2 4a) zugeordnet ist und der zumindest eine normalerweise in Sperrichtung vorgespannte Diode enthält, die in den leitenden Zustand gebracht werden kann, um den Widerstand des Rückkopplungspfades in Abhängigkeit von der Größe des über die Maximumgrenze des ersten Bereiches ansteigenden Eingangssignals zu verändern.
11. Schutzrelais nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsgeneratormittel (22, 22a) zumindest erste, zweite und dritte im wesentlichen konstante Verstärkungsgrade aufweisen, was von der Größe des Eingangssignals abhängt, wobei der erste Verstärkungsgrad so lange wirksam ist, wie die Größe des Eingangssignals innerhalb eines ersten Bereiches liegt, wobei der zweite Verstärkungsgrad kleiner als der erste Verstärkungsgrad und immer dann wirksam ist, wenn die Größe des Eingangssignals in einem zweiten Bereich liegt, und wobei der dritte Verstärkungsgrad kleiner als der zweite Verstärkungsgrad und dann wirksam ist, wenn die Größe des Eingangssignals in einem dritten vorbestimmten Bereich liegt, dessen Minimumgrenze der Maximumgrenze des zweiten Bereiches entspricht.
12. Schutzrelais nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Augenblicksgröße des unipolaren Spannungseingangssignals gleichzeitig mit der Augenblicksgröße des Stroms in dem elektrischen Kreis (lo) ändert.

609812/0343