Anordnung zur Verzögerung des Ansprechens eines stromwertempfindlichen Gerätes. Die Erfindung betrifft eine Anordnung, die dazu dient, das Ansprechen eines strom- wertempfindliehen Gerätes, z. B. eines Relais oder Auslösers, zu verzögern. Es ist bekannt, zu diesem Zweck einen Impulsspeicher zu ver wenden, dem eine Anzahl aufeinanderfolgen der und untereinander gleich grosser elektri scher Impulse zugeführt werden und dessen Speicherzustand den Steuerkreis des strom- wertempfindlichen Gerätes unmittelbar oder mittelbar beeinflusst.
Die vorliegende Erfindung geht von dem Gedanken aus, da.ss elektrische Impulse in Form von Spannungs- oder Stromstössen be- kannt.lieh u. a. durch Umsättigung eines hoch- gesättigten Magnetkernes erzeugt werden kön nen.
Für die Ummagnetisierung eines Sätti- , in, wandlers vom Sättigungszustand in gil i 's einer Richtung auf den Sättigungszustand in der entgegengesetzten Richtung wird ein Spannungszeitintegral von einer durch die Abmessungen und den Kernwerkstoff eindeu tig bestimmten Grösse benötigt, das in einem Spannungszeitdiagramm als Fläche in Er- seheinung tritt.
Dieses Spannungszeitintegral wird bei einem schwach belasteten Wandler auch in der Sekundärwicklung induziert. Der ,ättigungswandler wirkt also während seiner Umsättigung wie ein gewöhnlicher Span nungswandler. Durch wiederholte Umsätti gung erhält man aufeinanderfolgende Span nungsstösse, die in der Darstellung im Span- nungszeitdiagramm sämtlich untereinander die gleiche Flächengrösse aufweisen.
Hat der Sekundärkreis eines Sättigungswandlers da gegen sehr niedrigen Widerstand, der prak tisch einem Kurzschluss gleichkommt, so ver hält er sieh während seiner Umsättigung, streuungsarmen Aufbau vorausgesetzt, ähn lich wie ein Stromwandler mit dem durch die Windungszahlen der Primärwicklung und Sekiandärwieklung gegebenen übersetzungs- verhältnis. Man erhält in diesem Fall durch wiederholte Umsättigung des Sättigungswand- lers aufeinanderfolgende Stromstösse, die, im Stromzeitdiagramm dargestellt, sämtlich un tereinander die gleiche Flächengrösse aufwei sen.
Auf diesen Erwägungen beruht die vorlie gende Erfindung. Sie besteht darin, dass bei der eingangs erwähnten Anordnung zur Er zeugung der Impulse ein wechselstromerregter Sättigungswandler vorgesehen ist.
Bisher wurden zu diesem Zweck in bekann ten Verzögerungsanordnungen gewöhnlich Entladungsstrecken mit eindeutig bestimmter Ansprechspannung, z. B. Funkenstrecken, Glimm- oder Hochvakuumröhren verwendet. Diese Mittel haben aber eine verhältnismässig begrenzte Lebensdauer. Auch mechanische Schaltmittel, die natürlich ebenfalls zur Er zeugung untereinander gleicher Impulse ver wendet werden können, sind erheblichem Ver schleiss unterworfen. Demgegenüber ermög- licht die Erfindung einen besonders einfachen Aufbau einer Anordnung aus lauter ruhenden und praktisch keinem Verschleiss ausgesetzten Teilen.
Ein weiterer Vorteil, der zum Beispiel bei der Zusammenarbeit der Anordnung mit einem Synchronschalter Bedeutung hat, be steht darin, dass die Spannungs- oder Strom stösse durch die Stromnulldurchgänge des Er regerstromes des Wandlers ausgelöst werden. Auch wenn die Stromnulldurchgänge infolge von Einschwingungsv orgängen nicht in glei chen Abständen voneinander liegen, arbeitet die Anordnung so, dass der Zeitpunkt der Auslösung -relativ zu einem Stromnulldurch- gang immer dieselbe Lage hat.
Dadurch ist auch in solchen Fällen die Auslösung eines Synchronschalters zur rechten Zeit möglich, indem der zu schaltende Strom zur Erregung des zur Anordnung gehören den Sättigungswandlers verwendet wird. Im Gegensatz dazu ergeben sich bei einer Ver zögerungsanordnung bekannter Art, bei wel eher ein Schwingungskreis gegebener Fre quenz verwendet wird, infolge von Abwei chungen der 1\Trilldurchgänge des zu schalten den Stromes von der normalen Lage eben solche Abweichungen vom richtigen Schalt zeitpunkt.
Ein Synchronschalter, der in einem vor geschriebenen Takt wiederholt eingeschaltet und unter Verwendung der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung jedesmal mit re gelbarer Verzögerung wieder im Öffnungs sinn ausgelöst wird, eignet sich zum Beispiel als Sehweisstakter zur selbsttätigen Steuerung eines elektrischen Schweissgerätes. Die Ver zögerungsanordnung ist wegen ihrer geringen Empfindlichkeit gegen mechanische oder elek- trischeÜberbeanspruchungen für die Verwen dung in rauhen Betrieben, zu denen u. a. auch die Schweisswerkstätten gehören, besonders gut geeignet.
Durch Vormagnetisierung kann der Sätti gungswandler zusätzlich magnetisch gesteuert werden. Dadurch wird die Phasenlage der I@Tulldurchgänge der Gesamterregung und da mit der Impulse verändert. Eine Vormagneti- sierimg mit Gleichstrom ergibt eine gegensei- tige Verschiebung der positiven und negativen Impulse, so dass ihr Zeitwinkelabstand in einer Richtung grösser und in der andern kleiner als 180 ist.
Wird der Sättigungswand- ler bis zu einem so hohen Sättigungsgrad vor magnetisiert, dass er beim Scheitelwert des Nennstromes in seinem Erregerstromkreis nicht aus dem Sättigungszustand heraus kommt, so ist der Wandler normalerweise un wirksam. Erst bei einem zur Entsättigung aus reichenden Überstrom setzt die Impulsübertra gung ein.
Ein angeschlossener Auslöser spricht also auf Überstrom an, aber nur in dem Falle, wenn die Dauer des Überstromes länger ist als die Verzögerungszeit der Anordnung; man kann daher letztere dazu verwenden, um irgendeine Einriehtung gegen länger dauern den überstrom zu schützen, indem man diese Einrichtung in dem Erregerstromkreis des Sättigungswandlers anordnet und in diesem Kreis einen Schalter anbringt, der beim An sprechen des erwähnten Auslösers den Strom unterbricht.
In der Zeichnung sind in Fig. 1, 3, 4 und 6 verschiedene Ausführungsbeispiele der Er findung schematisch dargestellt. Die Fig. 2 und 5 enthalten Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise, und Fig. 7 zeigt eine Schaltung zur Synehronunterbreehung eines Stromkreises unter Verwendung eines weite ren Ausführungsbeispiels der Verzögerungs anordnung gemäss der Erfindung.
Nach Fig.1 ist die Primärwicklung eines Sättigungswandlers 2 in einem Stromkreis<B>1.0</B> angeordnet, der von einem Wechselstrom I durchflossen wird. Die Windungszahl und der Kernquerschnitt des Wandlers sind so bemes sen, da.ss der Kern nur bei sehr kleinen Augen- blickswerten in der Nähe des Stromnullwertes ungesättigt, bei stärker vom Nullwert abwei chenden Augenblickswerten dagegen bereits hochgesättigt ist.
Als Kernwerkstoff wird vor teilhaft eine Eisensorte mit scharfen Sätti gungsknicken verwendet. An die Sekundär wicklung ist über einen Gleiehriehter 3 eine Spule 4 eines Auslösers oder eines Relais an geschlossen. Parallel zu der Reihensehaitung des Gleichrichters 3 und der Spule 4 ist die Reihenschaltung eines weiteren Gleiehrichters 5 und eines Kondensators 6 geschaltet. Der Kondensator 6 ist durch einen einstellbaren Entladewiderstand 7 überbrückt.
Unter der Voraussetzung, dass der Widerstand der Spule 1 einen niedrigen Wert hat, wird der Sätti- gungswandler im Bereich seiner Umsättigung als Stromwandler mit dem durch die Win- dungszahlen gegebenen übersetzungsverhält- nis wirksam. Ist der Sättigungswandler streuungsarm gebaut, so tritt bei jedem Null durchgang stets das gleiche Spannungszeit integral, das heisst der gleiche Spannungsstoss, in V. sek. auf.
Infolge des geringen Gesamt widerstandes des Sekundärkreises werden durch die Spannungsstösse untereinander g#-leieh grosse Stromstösse mit gleichbleibender A.-sek.-Zahl erzeugt. Der Gleichrichter 5 lässt nur die Stromstösse einer Richtung zum Kon tlensator 6 gelangen, so dass dessen Spannung mit jedem zweiten Stromstoss etwas ansteigt. Damit ist der scheinbare Widerstand des Kon- densatorstromzweiges nach jedem zweiten stoss grösser.
Dementsprechend steigen die an teiligen Stromstösse in dem Spulenstromzweig, dessen Widerstand in der Durchlassrichtung unverändert bleibt. Fig. 2 zeigt im obern Teil den Verlauf des den Sättigungswandler er regenden Wechselstromes I und im untern Teil den Verlauf des in der Auslösespule 4 fliessenden Stromes i. Sobald nach einer be stimmten Periodenzahl ein Stromstoss den Auslösewert A erreicht, spricht das strom- wertabhängige Gerät, zu dem die Spule 4 ge hört, an.
Die Anzahl der Perioden und damit die Verzögerungszeit kann mit Hilfe eines regelbaren Entladewiderstandes 7 eingestellt werden. Der Gleichrichter 3 verhindert das Zustandekommen negativer Stromstösse. Bei Wegfall des Gleichrichters 3 würden diese negativen Stromimpulse, da sie vom Konden sator nicht beeinflusst werden, von vorn herein in voller Höhe die Spule 4 dur chflie- sseti, wie in Fig.2 gestrichelt angedeutet ist. Infolgedessen würde bereits der erste dieser negativen Impulse die Auslösung herbeifüh ren.
Es ist natürlich auch möglich, diese vor zeitige Auslösung dadurch zu verhindern, dass das stromwertempfindliehe Gerät polarisiert ausgeführt wird. In diesem Fall ist der Gleich richter 3 überflüssig. Der Gleichrichter 3 kann auch durch einen Widerstand 8 überbrückt werden, der den Spannungsanstieg begrenzt und so bemessen ist, dass die von ihm durch gelassenen negativen Stromstösse kleiner sind als der Auslösewert A. Der gleiche Erfolg kann, auch dadurch erzielt werden, dass statt des mit der Spule 4 in Reihe geschalteten Gleichrichters 3 ein zur Spule parallel ge schalteter Gleichrichter vorgesehen wird, der einen Anteil der negativen Stromstösse durch lässt.
Wird dieser zweite Parallelzweig ebenso ausgestaltet wie der erste, wird er also gemäss Fig. 3 ausser mit einem Gleichrichter 5' noch mit einem Kondensator 6' und einem dazu parallel geschalteten regelbaren Entladewider- stand 7' ausgerüstet; so haben auch die nega tiven anteiligen Stromstösse, welche die Spule 4 durchfliessen, steigende Spitzenwerte aufzu weisen. Mit einer derartigen Anordnung ist es infolgedessen möglich, die Verzögerungszeit nach Halbperioden abgestuft einzustellen. Der unmittelbaren Parallelschaltung mehrerer Stromzweige ist ihr Anschluss an getrennte Wicklungen des Sättigungswandlers gleich wertig.
Bei den verschiedenen Verzögerungsanord nungen kann die Verzögerung mit einfachen Mitteln unwirksam gemacht werden, wenn eine sofortige Auslösung erwünscht ist. In der Anordnung nach Fig. 1 braucht nur ein zum Gleichrichter 3 paralleler Arbeitskontakt 9 geschlossen zu werden. Statt dessen könnte man natürlich auch einen Ruhekontakt im Kondensatorstromkreis öffnen. Auch in der Anordnung nach Fig.3 können die beiden Parallelzweige zwecks sofortiger Auslösung durch Öffnung eines Ruhekontaktes unterbro- ehen werden.
Nach Fig. 4 ist die Primärwicklung eines Sättigungswandlers 12 in einem Wechsel stromkreis 11 angeordnet. Der Sekundärkreis weist nur eine schwache Belastung auf, so dass der Sättigungswandler während seiner Umsät tigung wie ein Spannungswandler arbeitet.
Be zeichnen die Selnzndärwindungszahl und $ den Kraftlinienfluss in Maxwell, -so ist. die Spannung
EMI0004.0003
in Volt und somit das Spannungszeitintegral <I>'</I> edt = 7z4 0.10-$ in V. sek. bzw. die ihm bei einer vollständigen Ummagnetisierung von dem Sättigungswert -0" auf den entgegengesetzten Sättigungs wert + 0",- oder umgekehrt entsprechende Fläche<I>F .
= 2n.</I> gis .. Die Höhe der Span nung ist dabei von der an der Primärwick lung liegenden Spannung während der Um sättigung abhängig.
Die so erzeugten Spannungsstösse werden über einen Trockengleichrichter 1.3 einer Drossel 15 zugeführt. Das Spannungszeitinte- gral, welches diese Drossel 15 zur Umkehr des Sättigungsflusses benötigt, sei dargestellt durch die Fläche FD. Diese sei grösser als die Fläche Fw. Aus Fig. 5, wo für den Sättigungs- wandler 12 und für die Drossel 15 in gleichem Massstab die Kurven des Produktes ans Win- dungszahl n ,
(für die Sekundärseite des Wandlers) bzw. nD (für die Drossel) und Kraftfluss 0,. bzw. OD bis zum Sättigungs- fluss fr, bzw. OSD in Abhängigkeit vom Strom i" bzw. iD eingezeichnet sind, kann ent nommen werden, wie etwa die stufenweise Umsättigung der Drossel 15 durch die aufein anderfolgenden gleichgerichteten Spannungs stösse erfolgt.
Es ist dabei nicht von negativer Sättigung ausgegangen, sondern von der Re manenz im Punkt R mit dem Kraftfluss ARD, da angenommen ist, da.ss die Drossel 15 im Augenblick des ersten Spannungsstosses keine zusätzliche Durchflutung aufweise, jedoch vorher auf negative Sättigung gebracht wor den sei. Nach lc Spannungsstössen ist die Dros sel positiv gesättigt.
Es gilt angenähert:
EMI0004.0042
Drückt man die Flusswerte durch die Pro dukte aus den Induktionen B mit gleichen Indizes und den Eisenquerschnitten QD, Qu. für Drossel und Wandler aus, so ergibt sich:
EMI0004.0047
EMI0004.0048
k ist daher ein ausschliesslich von der elek trischen Dimensionierung von Wandler und Drossel abhängiger Wert. Die abgeleitete Glei chung lässt auch einige Möglichkeiten erken nen, die zur Veränderung von k vorliegen, nämlich Variation der Windungszahl und des Eisenquerschnittes.
Den Verlauf des Stromes kann man aus der Fig. 5 entnehmen, in die auch der unge fähre Flussverlauf eingetragen ist. Solange der Fluss sich im steilen Teil der Hysterese- schleife ändert, entsprechen den einzelnen Spannungsstössen Stromstösse, deren grösster Augenblickswert etwa dem Punkt K ent spricht. Erst bei Überschreiten des Sättigungs- knicks erhöht sich der Stromstoss sprunghaft.
Ist also in der Verzögerungsanordnung nach Fig. 4 der Anspreehwert der Erregerspule 14 eines Relais oder eines Auslösers etwas grösser als der durch Punkt Ft gegebene Stromwert, so wird nach einer vorher bestimmten Zahl von Spannungsstössen bzw. bei einer regel mässigen Folge derselben nach bestimmter Zeit das Relais oder der Auslöser betätigt. Ist die 'Frequenz des Stromes im Primärkreis v, so ist die kürzeste erzielbare Verzögerungs zeit
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In Zweiwegsehaltung über die Gleich richter 13 und 13' nach Fig. 3 ist die kürzeste Verzögerungszeit
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.
In solchen Intervallen lassen sich längere Verzögerungszeiten auch einstellen. Zweckmässig wird für die Kerne des Wandlers 12 und der Drossel 15 eine Eisensorte mit scharfem Sättigungsknick und hoher Remanenz verwendet, wie es zum Bei spiel in Blech mit Vorzuugsriehtung, welches ausserdem noch in Form eines Bandkernes angeordnet sein könnte, gegeben ist.
Mit der Massgabe, dass der Wandler 12 zur Betätigung des Auslösers genügend leistungsstark sein Setzt man BRD = b . BSD, worin b < 1, und nimmt für die Drossel 15 und den Wandler 12 gleichen Kernwerkstoff, mithin BD = B", so ist muss, ist bei der Auslegung eine untere Grenze für den Wert F, gegeben.
Besonders vorteilhaft ist bei Anordnung nach Fig. 4 oder 6 die Tatsache, dass der Aus lösestromstoss sprunghaft auftritt, wodurch man die bezüglich Ansprechgenauigkeit an das Auslöseglied 14 zu stellenden Forderungen stark herabsetzen kann.
Oben wurde vorausgesetzt, dass die Dros sel 15 zu Beginn des Vorganges negative Re manenz besitzt. Dazu ist es notwendig, sie vor her mit einem Spannungsstoss negativer Rich tung auf Sättigung zu bringen. Dies ist zum Beispiel in einer Schaltung nach Fig.7 mög- lieh, in der mit Hilfe einer Anordnung, deren Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 6 versehen sind,
im Stromkreis eines Ver brauchers 16 ein Synchronkontakt 17 nach sei ner Einsehaltung mit einer gewissen Verzöge rungszeit durch Kraftflussv erlagerung in einem permanenten Haltemagneten 18 wieder geöffnet werden soll. Vor dem Einschalten des Kontaktes 17 wird ein Stromkreis einer Hilfs- erregerspule 19 der Drossel 15 mittels eines Sehalters 20 kurzzeitig geschlossen, wodurch bei geeigneter Richtung des Stromstosses die Drossel gesättigt wird und einen Fluss behält, welcher der negativen Remanenz entspricht.
Sollen zwei aufeinanderfolgende, verschie den lange Zeiten eingestellt werden, wie etwa heim Nahtschweissen, sö kann ein und dieselbe Drossel verwendet werden, wobei die Magneti- sierung in einer Richtung eine Zeit ergibt, die Zurückmagnetisierung bei anderer Windungs- zahl mit einer zweiten, abweichenden Zeit er folgt.