DE581349C - Waermeausloeseeinrichtung - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
26. JULI 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M 581349 KLASSE 21c GRUPPE 54 oi

Patentiert im Deutschen Reiche vom 14. Mai 1929 ab

Die Erfindung betrifft eine Wärmeauslöseeinrichtung für elektrische Widerstände mit häufig aussetzender und stark wechselnder Belastung, nämlich für Anlaß- und Regelwiderstände elektrischer Maschinen. Derartige Widerstände sind sowohl starken kurzzeitigen wie auch länger andauernden Überlastungen unterworfen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Widerstände durch räumlich von ihnen getrennte Wärmeelemente so zu schützen, daß die Wärmeauslösung unabhängig von der Art der auftretenden Überlastung stets bei Erreichung einer gewissen Übertemperatur erfolgt.

Es ist bekanntgeworden, Wärmeauslösern die gleiche Zeitkonstante zu geben wie den zu schützenden Körpern, um auf diese Weise das thermische Verhalten des Auslösers möglichst demjenigen des Schützlings anzugleichen. Bei den bekannten Anordnungen wurden die Wärmeauslöser jedoch meist in der Nähe des zu schützenden Widerstandes angebracht und die Wärme auf sie durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion übertragen. Die die Wärmeelemente heizende Wärmemenge war hierbei nicht in jedem Augenblick gleich derjenigen Wärmemenge, die den zu schützenden Widerstand durchfloß, weil das zwischen dem zu schützenden Widerstand und dem Wärmeauslöser befindliche Mittel einen Teil der Wärme absorbiert, so daß um so kleinere Wärmemengen übertragen wurden, je schneller die Erhitzung erfolgte. Man erzielte infolgedessen selbst bei Anwendung von Wärmeelementen, deren 3S Zeitkonstante derjenigen des Schützlings glich, keine verläßliche Auslösung.

Es sind auch Wärmeauslöseeinrichtungen bekanntgeworden^ welche mit Heizwicklungen für ihre Wärmeelemente ausgerüstet sind, also getrennt von ihren Schützlingen angebracht werden können. Hierbei handelt es sich aber, soweit auf die Übereinstimmung der Zeitkonstanten des Wärmeelementes mit dem Schützling Wert gelegt wurde, immer um Wärmeauslöser für Maschinen oder Geräte von großer Wärmespeicherfähigkeit, deren Erwärmungsdauer bekanntlich außerordentlich lang ist gegenüber der von Widerständen. Bei diesen kam es also gar nicht so sehr auf das genaue Angleichen des thermischen Verhaltens an, weil sie nicht den Zweck hatten, bei aussetzendem Betrieb eine Auslösung herbeizuführen. Für Widerstände dagegen, deren Erwärmungsdauer infolge der im Vergleich zu ihrer Masse hohen sekundlich frei werdenden Wärmemengen außerordentlich kurz ist, ist die mittelbare Heizung noch nicht angewendet worden.

Nach der Erfindung wird nun eine Wärme-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Paul Donath in Berlin-Lichterfelde.

auslöseeinrichtung für Anlaß- und Regelwiderstände dadurch geschaffen, daß bei Anwendung von .Wärmeelementen, deren Zeitkonstanten den Zeitkonstanten des zu schützenden Widerstandes angepaßt sind, die Heizung dieser Wärmeelemente durch Heizwicklungen erfolgt, deren Leistungsaufnahme proportional der im Widerstand vernichteten Leistung gemacht ist.
ίο Die Kombination der mittelbaren Heizung mit Hilfe der eine proportionale Leistung aufnehmenden Heizwicklungen mit Wärmeelementen von ihrem Schützling angepaßter Zeitkonstanten hat hier die besondere Bedeutung, daß das Wärmeabbild völlig gleichzeitig den Wärmezustand des Schützlings nachahmt und so jederzeit genaue Übereinstimmung herrscht, obwohl sich dieser Zustand bei aussetzendem Betrieb und hohen frei werdenden Wärmemengen rasch und in weiten Grenzen ändert. Hierdurch ist man in der Lage, Anlaß- und Regel widerstände von elektrischen Maschinen mit aussetzendem Betrieb in so hoher Weise auszunutzen und daher so klein zu bemessen, wie es mit den bisher bekannten Mitteln nicht möglich war, was insbesondere für Bergwerksanlagen (Schlagwettergruben) von großer Bedeutung -ist.

Es handelt sich ferner oft noch darum, Widerstände gegen unzulässige Erwärmung zu schützen, deren Teile sehr verschiedene Erwärmung zeigen, was eine Folge der Verschiedenheit der Zeitkonstanten dieser Einzelteile ist. Erfindungsgemäß wird auch ein solcher Widerstand in vollkommener Weise gegen Überhitzung eines seiner Teile dadurch ; geschützt, daß mehrere Wärmeelemente den Schutz bewirken, deren jedes in bezug auf seine Zeitkonstante und Heizeinrichtung einem Teil des zu schützenden Widerstandes entspricht.

Bei Stufenwiderständen wird mit Rücksicht auf die verschiedenen Belastungsverhältnisse der einzelnen Stufen jede der Stufen mit einem eigenen Wärmeauslöser ausgerüstet.

In den Abb. r und 2 ist ein Beispiel für die Anwendung eines derartigen Wärme-Schutzes dargestellt.

Es handelt sich um den Schutz eines Widerstandsgitters aus Gußeisen, dessen Elemente mit Hilfe von Schieferplatten zu Widerstandspaketen vereinigt sind. In der Abb. ι ist ein solches Element dargestellt. Die .zwischen den Schieferplatten 10 liegenden Teile 11 des Widerstandselementes zeigen von den frei in Luft liegenden Teilen 12 ganz verschiedene Erwärmungsverhältnisse. Bei raschen, kurzzeitigen Belastungen des Widerstandes steigt die Temperatur der äußeren Teile 12 rasch an und erreicht einen hohen Wert, während die zwischen den Schieferplatten liegenden Teile 1 r infolge der großen Wärmekapazität der Schieferplatten 10 bei kurzzeitiger Belastung nur verhältnismäßig niedrige Temperaturen erreichen. Bei langer andauernder Belastung ändert sich dagegen dieses Verhältnis, weil dann die mittleren Teile des Widerstandes infolge der besseren Wärmeisolation des Schiefers ihre Temperatur über diejenige der Außenteile steigern. Infolgedessen kann bei der langsamen Erwärmung durch einen verhältnismäßig kleinen Strom der mittlere Teil des Widerstandes eine hohe Endtemperatur erreichen, während die Außenteile, die in Luft liegen, infolge der raschen Wärmeabgabe an die Luft verhältnismäßig kühl bleiben.

Der Schutz dieses Widerstandes gegen Überhitzung eines seiner Teile erfolgt erfindungsgemäß durch zwei Wärmeelemente, \-on denen das erste eine große Zeitkonstante hat, welche derjenigen der mittleren Teile 11 entspricht, während das zweite Wärmeelenient eine .kleine Zeitkonstante hat entsprechend den Zeitkonstanten der Außenteile 12. Die beiden Wärmeelemente liegen etwa in Reihenschaltung im Auslösekreis eines Motorschalters, der den Motor bei Überlastung seines go Widerstandes abzuschalten hat. Bei Dauerüberlastung durch einen verhältnismäßig kleinen Überstrom wird das erste Wärmeelement mit der großen Zeitkonstanten ansprechen, bei einer plötzlichen starken überlastung dagegen das zweite Wärmeelement. Hierdurch ist also ein vollkommener Wärmeschutz erreicht.

In der Abb. 2 ist der Wärmeschutz eines Läufervorschaltwiderstandes für einen Drehstrommotor, der zum Antrieb einer Förderhaspel bestimmt ist, beispielsweise dargestellt. 13 ist ein Drehstrommotor, dessen Läufervorschaltwiderstand aus zwei verschieden bemessenen Widerstandsteilen 14, 15 besteht. 14 ist der Anlaßwiderstand, welcher für den normalen Anlaufstrom bemessen ist. Der Widerstandsteil 15, der eine sehr hohe Ohmzahl hat, dient für den Betrieb des Motors beim Einhängen von Lasten und bei der Ausführung von Seilrevisionsfahrten. Er ist, weil bei seiner Einschaltung niemals das volle Drehmoment auftritt, für einen kleineren Strom bemessen als der Anlaßwiderstand 14. Mit 16 ist der Hauptschalter des Motors bezeichnet, mit 17 der Null Spannungsmagnet dieses Schalters, welcher bei Unterbrechung seines Erregerstromes den Schalter 16 auslöst. Der Erregerstrom des Nullspannungsmagneten 17 ist über die in Reihe liegenden Kontakte an den Bimetallstreifen der vier Wärmeauslöser 18 bis 21 geführt. Jeder

dieser Wärmeauslöser besteht aus dem kontakttragenden Bimetallstreifen und einer Heizwicklung, die zu einem Teil eines Widerstandselementes in Nebenschluß geschaltet ist, also vom Spannungsabfall in diesem Teil des Widerstandes erregt wird.

Für den Schutz des Teiles 14 des Widerstandes sind zwei Wärmeauslöser 18, 19 vorgesehen, von denen der eine, 18, eine größere Zeitkonstante hat und die inneren Teile 11 des Widerstandes (Abb. 1) schützt, während 19 mit der kleineren Zeitkonstanten die äußeren Teile 12 schützt. Durch diese Wärmeauslöser wird jedoch der Teil 15 des Wider-

Standes nicht' geschützt, weil dieser für eine kleinere Stromstärke bemessen ist. Daher versieht man diesen Teil mit besonderen Wärmeauslösern 20 und 21, von denen 20 wieder die inneren Teile und 21 die äußeren

ao Teile der Widerstandselemente schützt.

Erhitzt sich nun während des Betriebes ein Teil des Widerstandes in unzulässigem Maße, dann biegt sich der Bimetallstreifen des betreffenden Wärmeelementes durch, öffnet seinen Kontakt und unterbricht den Erregerstrom des Auslösemagneten 17, so daß der Schalter 16 geöffnet wird und den Motor abschaltet.

Nach der Erfindung kann man ferner einen Widerstand, dessen einzelne Teile verschiedenes Wärmeverhalten zeigen, auch durch ein einziges Wärmeelement in vollkommener Weise schützen. Dieses Wärmeelement, welches sich aus dem eigentlichen Wärmeglied und einem zwischen dem Wärmeglied und dem Heizelement liegenden wärmeübertragenden Mittel zusammensetzt, erhält erfindungs-" gemäß eine Zeitkonstante gleich der mittleren Zeitkonstanten des zu schützenden Körpers.

Die gesamte, vom Heizelement entwickelte Wärmemenge teilt sich zwischen Wärmeglied und Zwischenmittel. Das Zwischenmittel wird dabei hinsichtlich seiner wärmeübertragenden Eigenschaften so gewählt, daß der auf das Wärmeglied entfallende Teil der gesamten, vom Heizelement entwickelten Wärmemenge von der Geschwindigkeit der Erhitzung in ganz bestimmter Weise abhängig gemacht ist. Die Abhängigkeit wird nämlich so gewählt, daß das Wärmeglied den zu schützenden Teil des Körpers thermisch getreu nachbildet, also bei rascher Erhitzung ein großer Teil der in der Heizvorrichtung entwickelten Wärmemenge auf das Wärmeglied übertragen wird und nur wenig Wärme im Zwischenmittel bleibt, während bei lang andauernder langsamer Wärmezufuhr die wärmeabsorbierende Wirkung des Zwischenmittels voll zur Geltung kommt, so daß die Endtemperatur erst nach entsprechend längerer Zeitdauer der Erhitzung erreicht wird.

Durch Änderung der Menge des zwischen Wärmeglied und Heizelement eingeschalteten wärmeübertragenden Mittels hat man es in der Hand, die Temperatur des Wärmegliedes bei jeder Geschwindigkeit der Wärmezufuhr nach Belieben zu regeln und dem zu schützenden Körper anzupassen. Insbesondere kann dieses Wärmeelement aus Öl bestehen, welches den von einer Heizwicklung umgebenen Bimetallstreifen samt einem Auslösekontakt umgibt. Der Abstand zwischen Heizwicklung und Bimetallstreifen kann geregelt werden.

Die Heizwicklung schaltet man zweckmäßigerweise in Nebenschluß zu einem Teil des zu schützenden Widerstandes.

Außer, der Gewährung eines vollkommenen Schutzes besitzt der Wärmeauslöser nach der Erfindung noch folgende Vorteile:

Seine Betriebssicherheit ist eine größere als die anderer gebräuchlicher Wärmeauslöser. Dies ist bedingt durch das Fehlen mechanischer Übertragungsmittel. Der Wärmeauslöser steht lediglich durch zwei Leitungen, durch die der Strom für das Heizelement fließt, mit dem zu schützenden Körper in Verbindung. Man gewinnt dadurch größere Freiheit in der betriebssicheren Ausführung, weil das Wärmeelement nicht genau an der zu schützenden Stelle angeordnet sein muß, sondern unbeschadet seiner genauen Wirkung an einen geeigneten Ort verlegt werden kann. Es ist nur dafür zu sorgen, daß die thermischen Verhältnisse in der Umgebung der Wärmeelemente die gleichen sind wie diejenigen in der Umgebung der geschützten Stellen.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß es möglich ist, selbst schwer zugangliehe Teile — wie z. B. die unter den Schieferplatten liegenden mittleren Teile der Widerstandselemente — so genau zu schüt-' zen, daß ein Überdimensionieren des Widerstandes überflüssig ist. Die unmittelbare An-Ordnung der bisher angewendeten Wärmeelemente an solchen Stellen stößt auf unüberwindliche konstruktive Schwierigkeiten; man muß daher aus Sicherheitsgründen mehr Material aufwenden. Beim Wärmeauslöser nach der Erfindung brauchen nur die beiden Stromzuführungen zum Heizelement an der zu schützenden Stelle angebracht werden, was selbst an schwer zugänglichen Orten leicht durchführbar ist.

Besonders zweckmäßig ist die Verwendung von Bimetallstreifen als Wärmeglieder für die Wärmeauslöser nach der Erfindung, weil diese von selbst wieder in den betriebsbereiten Zustand gelangen. Sobald die die Auslösung bewirkende Übertemperatur nicht mehr vorhanden ist, kann daher die Wieder-

einschaltung und die Inbetriebsetzung der abgeschalteten Teile unter Aufwendung eines Mindestmaßes von vorbereitenden Handlungen erfolgen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Wärmeauslöseeinrichtung für Anlaß- und Regelwiderstände von elektrischen Maschinen, gekennzeichnet durch Wärmeelemente, deren Zeitkonstante der Zeitkonstanten des zu schützenden Widerstandes angepaßt ist und die mit Heizwicklungen ausgerüstet sind, deren Leistungsaufnahme proportional der im Widerstand vernichteten Leistung ist.

2. Wärmeauslöseeinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwicklung des Wärmeelementes in Nebenschluß zu einem Teil des Widerstandes geschaltet ist.

3. Wärmeauslöseeinrichtung nach Anspruch ι für einen Widerstand, dessen Teile verschiedene Erwärmungsverhältnisse haben, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmeelemente den Schutz bewirken, deren jedes in bezug auf seine Zeitkonstante und Heizeinrichtung einem Teil des zu schützenden Widerstandes entspricht.

4. Wärmeauslöseeinrichtung nach Anspruch ι für einen Widerstand, dessen Teile verschiedene Erwärmungsverhältnisse haben, mit einem einzigen Wärmeelement, dessen Zeitkonstante gleich der mittleren Zeitkonstanten des zu schützenden Widerstandes ist, gekennzeichnet durch eine wärmeübertragende und wärmeaufspeichernde Flüssigkeit, die teilweise die Heizwicklung und das Wärmeelement umgibt.

5. Wärmeauslöseeinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen ölbehälter, in dem ein'von einer Heizwicklung umgebener Bimetallstreifen mit einem Auslösekontakt angeordnet ist.

6. Wärmeauslöseeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Stufenwiderstand jede Stufe ihren eigenen Wärmeauslöser hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen