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Abhängiger überstromschutz, insbesondere für Halbleitergleichrichter
Die Erfindung betrifft einen abhängigen Überstromschutz mit möglichst weitgehend
beeinflußbarer Kennlinie. Ein solcher Schutz wird meistens vom Strom abhängig gemacht
und soll bei kleinen Überströmen mit großer Zeit, bei großen Überströmen mit kleiner
Zeit auslösen.
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Solche Schutzsysteme sind seit langem bekannt. Die gewünschte Stromabhängigkeit
wird bisher durch verschiedene Mittel erhalten. Man kann thermische Elemente verwenden,
welche durch den Strom schneller oder langsamer aufgeheizt werden. Man kann auch
magnetische Relais verwenden, bei denen besondere Dämpfungsglieder vorgesehen sind,
welche je nach der Anzugskraft stärker oder schwächer wirken. Bei allen diesen Relais
ist die Beeinflussung der Kennlinie beschränkt.
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Man kann zwar durch thermische Speicherglieder die Kennlinie verändern,
aber man erreicht bei thermischen Relais im allgemeinen keine sehr kurzen Zeiten,
welche bei hohen Überströmen notwendig sind. Bei magnetischen Relais wiederum ist
bei geringen Überströmen die Auslösezeit oft nicht hoch genug.
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Man hat auch mit Hilfe von Elektronenröhren abhängige Relais bereits
hergestellt. Bei diesen wird die Spannung über ein Verzögerungsglied (RC-Glied)
an das Gitter einer Röhre herangebracht. Je nach der Höhe der Spannung ist die Dauer
bis zum Ansprechen der Röhre verschieden groß. Diese Spannung kann auch vom Strom
hergeleitet werden, indem der Strom über einen Widerstand in eine stromproportionale
Spannung umgewandelt wird. Man kann auch innerhalb einer Halbwelle verschiedene
Zeiten für das Ansprechen einer Röhre erreichen, weil bei hohen Spannungen die Halbwelle
rascher auf einen bestimmten Ansprechwert kommt als bei kleineren Spannungen. Diese
Maßnahmen sind aber alle nicht geeignet, um zugleich bei kleineren Spannungen lange
und bei größeren Spannungen sehr kurze Zeiten zu erreichen.
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Die Anforderungen an solche Schutzrelais sind heute stärker gewachsen.
Bei Halbleitergleichrichtern beispielsweise müssen bei hohen Überströmen die Zeiten
außerordentlich kurz sein, während geringe Überlastungen oft noch tragbar sind.
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Die gemeinsame Forderung langer Zeiten bei kleinen Überströmen und
sehr kurze Zeiten bei sehr großen Überströmen konnte mit den bisherigen Ausführungen
nicht erhalten werden, insbesondere war es nicht möglich, mit einfachen Mitteln,
wie beispielsweise veränderlichen Widerständen, die Kennlinie der Relais zu beeinflussen.
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Es sind nun für die Zeitmessung bereits Zählröhren bekanntgeworden,
welche mehrere Zählkathoden besitzen, die kurz hintereinander gezündet werden und
deren Zündzeit durch die Frequenzfolge von Impulsen bestimmt wird. Solche Zählröhren
kann man dekadisch aneinandersetzen, indem durch die Zündung der letzten Kathode
eine neue Röhre gezündet wird, welche dann mit zehnfach höherer Zeit abläuft. Diese
Zählröhren besitzen besonders angepaßte Kathodenwiderstände, diese sind für sämtliche
Zündkathoden von gleicher Größe.
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Erfindungsgemäß wird nun ein abhängiger überstromschutz unter Verwendung
mindestens einer Zählröhre mit mehreren Kathoden, welche durch die Frequenz einer
pulsierenden Gleichspannung nacheinander gezündet werden, und, unter Verwendung
von Stromwandlern, die durch einen Widerstand belastet sind, in welchem sich eine
stromproportionale Spannung ausbildet, und mit einer Relaiseinrichtung, die eine
Betätigung auslöst, vorgeschlagen, daß an den Kathodenwiderständen in der Reihenfolge
der Zählkathoden jeweils verschiedene Anzapfpunkte vorgesehen sind und daß deren
Potentiale nach einer vorgeschriebenen Kurve verschieden und mit dem Potential in
dem Wandlerwiderstand durch die Relaiseinrichtung verglichen werden, derart, daß
von einer bestimmten Stromstärke an die Relaiseinrichtung auslöst.
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Hierdurch wird eine stromabhängige Messung ermöglicht, da die Stromhöhe
je nach der Stellung der Zählröhre verschieden ist. Benutzt man zwei hintereinanderliegende
Zählröhren,
so läuft die zweite Zählröhre mit der zehnfachen Zeit ab und verflacht dadurch die
Kennlinie bei'langen überlastzeiten.
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Die Fig. 1 und 2 beschreiben Beispiele der Anordnungen. Die Fig. 3
zeigt die mit diesen Anordnungen erreichte Kennlinie. In der Fig. 1 sind mit 1 und
2 zwei Zählröhren bezeichnet. Der überstrom wird aus einem nicht gezeichneten Wandler
über den Widerstand 3 als Spannung -gewonnen. Bei Wechselstrom muß diese Spannung
noch gleichgerichtet werden.
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Die Auslöseinrichtungen, von denen drei gezeichnet sind, sind mit
4, 5 und 6 bezeichnet. Hierbei kann beispielsweise die Auslöseinrichtung 4 auf einen
Kurzschließer, 5 auf einen Ausschalter und 6 auf die Regelung einwirken. Bei sehr
hohen Strömen muß die Auslöseinrichtung 4 betätigt werden, und zwar mit möglichst
kurzer Zeit. Bei mittleren Überströmen genügt es, einen Schalter, beispielsweise
den Gleichstromschalter, bei Gleichrichteranlagen auszuschalten, bei nur geringen
Überströmen ist eine Abschaltung nicht erforderlich, es braucht nur durch die Regelung
der Strom verkleinert zu werden. 7 ist die Betätigungseinrichtung für die Zählröhren,
dort wird eine Wechselspannung durch Gleichrichtung in Impulse von 100 Hz erzeugt,
die zweite Zählröhre zählt dann mit der Frequenz 10 Hz, da sie erst nach jedem Durchlaufen
der ersten Zählröhre weitergeschaltet wird. Weitere Zählröhren können noch angeschlossen
werden, welche dann wiederum mit dem zehnten Teil, also mit 1 Hz zählen. Die Kathodenwiderstände
9 bis 34 für die Zählkathode sind als Spannungsteiler dargestellt. Sie besitzen
Anzapfpunkte, welche mit einer Auslöseinrichtung über Dioden 35 bis 47 verbunden
sind. Außerdem sind noch Relais 48 und 49 vorgesehen, deren Bedeutung bei der Beschreibung
der Wirkungsweise näher dargelegt wird.
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50 ist ein Schalter, welcher den Anwurf der Gesamteinrichtung andeuten
soll. Die Auslöseinrichtungen 4 bis 6 bestehen aus den Transistoren 51 bis 53 und
den Relais 54 bis 56.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist nun folgende: Tritt ein überstrom
auf, so wird durch eine nicht gezeichnete Anregeeinrichtung der Schalter 50 geschlossen,
hierdurch wird Anodenspannung über die Gleichstromschiene P an die Anoden 57 und
58 der Zählröhren 1 und 2 gelegt. über die Impulseinrichtung 7 gelangt eine Impulsfrequenz
von beispielsweise 100 Hz an die Hilfskathode 59 der Röhre 1. Zunächst brennt die
Zählkathode 0 jeder Röhre. Die 0-Kathode kann durch die Kondensatoren 61 und 62
sofort zünden, hierdurch erhalten die Relais 48 und 49, welche in der Regel durch
trägheitslose elektronische Glieder ersetzt werden, Spannung und schließen ihren
Kontakt, dadurch wird die Sammelleitung 63 mit der Diode 65 verbunden und die Sammelleitung
64 mit der Diode 66.
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Ferner entsteht durch den Überstrom eine bestimmte Spannung U, an
der Emitterseite der Transistoren 51 bis 53. Diese Spannung ist durch die Höhe des
Überstromes bestimmt. An der Sammelleitung 63 liegt die Spannung U,. Diese wird
durch die Spannungsteiler an den Zählkathoden festgelegt. Solange U, kleiner als
Uz ist, fließt ein Basisstrom über den Transistor 51, und das Relais 54 bleibt angezogen,
es löst dann noch nicht aus; erst wenn U2 kleiner als Uo wird, fällt das Relais
54 ab und betätigt beispielsweise einen Kurzschließer.
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Die Zählröhre wird nun im Takte von i/loo s von der Kathode 0 bis-
-IX weitergeleitet, dadurch werden hintereinander die Spannungsteiler 10, 23 sowie
11, 24 usw. eingeschaltet. Die Summe der Widerstände der Spannungsteiler ist gleich,
aber die Anzapfpunkte zwischen den beiden Teilwiderständen sind so angeordnet, daß
die Spannung U., mit jedem Zählimpuls kleiner wird; wenn nun während dieser Zeit
U2 kleiner als U, wird, so kann das Relais 54 abfallen und der Kurzschließer betätigt
werden, ist aber zum Beispiel an der Zündkathode IV die Spannung U2 noch größer
als U., so tritt folgendes ein: Bei der Zündkathode IV wird der Anzapfpunkt zwischen
dem Spannungsteiler 13, 26 an die Sammelleitung 64 über die Diode 39 gegeben. Diese
Sammelleitung ist über die Diode 66 an den Transistor 52 angeschaltet. Die Spannung
am Transistor 51 wird von diesem Zeitpunkt an konstant gehalten durch den zusätzlichen
Spannungsteiler 67, 68; dafür ändert sich nunmehr die Spannung U3 an der Basis des
Transistors 52 in der Impulsfolge von der Zündkathode IV bis IX.
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Dieser Spannungsteiler ist auch dann wirksam, wenn der Schalter 50
nicht geschlossen hat oder wenn die zugehörige Starkstromanlage ausgeschaltet ist;
auch dann wird verhindert, daß das Relais 54 abfällt; das gleiche gilt für den Spannungsteiler
71, 72 und 75, 76.
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Ist während dieser Zeit die Spannung kleiner geworden als U., so würde
das Relais 55 abschalten und irgendeinen Schalter betätigen, ist dies nicht der
Fall, so wird nunmehr auf die andere Zählröhre 2 übergeschaltet. Dies geschieht
dadurch, daß die Zündkathode IX der Röhre 1 über einen Widerstand mit der Hilfskathode
60 der Röhre 2 verbunden ist, damit beginnt die Röhre 2 zu zählen, und zwar zählt
sie jedesmal, wenn ein Impuls an die Hilfskathode 60 gelangt, also wenn die Röhre
1 durchgezählt hat.
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Da der Schalter des Relais 49 geschlossen ist, wird die Spannung an
der Basis des Transistors 52 je im Rhythmus der Zählröhre 2 weiter herabgesetzt.
Dies geht, bis die Zündkathode II der Röhre 2 gezündet hat, dann verbindet die Sammelleitung
69 mit der Spannung U6 die Anzapfpunkte der Spannungsteiler 18,31 bis 21,34
mit der Basis des Transistors 53 über die Dioden 44 bis 47 und 70.
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Nunmehr wird eine Regeleinrichtung durch das Relais 56 in Betrieb
gesetzt, wenn inzwischen die Spannung U., kleiner als U, geworden ist. Der Transistor
52 bleibt während dieser Zeit unveränderlich, da nunmehr der Spannungsteiler 71,
72 über die Diode 73 an seiner Basis liegt.
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Fig.2 zeigt eine etwas andere Anordnung. Der Kathodenwiderstand ist
aber im übrigen in gleicher Weise geschaltet. Die Kathodenwiderstände liegen hintereinander,
und die Anzapfpunkte sind an die einzelnen Zündkathoden geschaltet. Dadurch wird
die Spannung an der Basis des Transistors 51 ebenfalls allmählich herabgesetzt.
Bei dieser Anordnung ist aber nur eine Diode 35 erforderlich, welche für die zusammengeschalteten
Zündkathoden gemeinsam arbeitet.
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Die Fig. 3 zeigt nun die mit dieser Einrichtung gewonnene Kennlinie
des Relais. Auf der Abszisse ist die Zeit in ms aufgetragen, auf der Ordinate der
Überstrom 1". Die verlangte Kennlinie ist die ausgezogene Linie 74, diese wird durch
die Anordnung in eine treppenförmige Kurve, deren Stufen den einzelnen Kathoden
entspricht, nachgebildet. Beim Anwerfen des Schutzes tritt die Zündkathode 0 in
Tätigkeit;
ist der Strom größer als der Wert I., so spricht das Relais 54 bereits an. Nach
dem Zünden der Zündkathode I kann die Anordnung bereits ansprechen, wenn der Strom
11 groß ist. Dies erfolgt bei dem Beispiel in 20 ms. Nach 30 ms zündet die Zündkathode
II und der Strom, bei dem die Relaisanordnung ansprechen würde, braucht nur noch
größer als 12 zu sein. Dies geht so fort, bis die Zündkathode IX gezündet hat, bis
dahin ist also die Röhre 1 maßgebend für die Kennlinie. Nunmehr wirkt die Röhre
2, welche aber mit dem zehnten Teil der Impulsfrequenz zündet. Die Abstände zwischen
den Zündungen betragen je Zählung 100 ms.
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Bei dem gezeichneten Beispiel würde von 10 bis 40 ms die Relaiseinrichtung
4, von 40 bis 200 ms die Relaiseinrichtung 5 und dann die Relaiseinrichtung 6 in
Tätigkeit gesetzt werden. Je nach der Lage der Anzapfpunkte in den Spannungsteilern
9, 22 usw. wird nun die Stromhöhe bestimmt. Man kann hierbei, um die Kennlinie beliebig
einstellen zu können, die einzelnen Spannungsteiler veränderlich machen (Potentiometer).
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Der Vorteil der Anordnung ist der, eine überstromschutzeinrichtung
zu erhalten, welche beliebig viele und flache Kennlinien besitzt und deren Kennlinien
mit leichten Mitteln eingestellt werden können, und bei der es möglich ist, verschiedene
Auslöseorgane zu verwenden, die bei verschiedenen Zeiten betätigt werden.