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Mehrspannungs-Heizeinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrspannungs-Heizeinrichtung, insbesondere für elektrisch be- triebene Schienenfahrzeuge, mit in Abhängigkeit von der Höhe der Speisespannung gesteuerten elektro- mechanischen Schaltern, insbesondere Leistungsschützen zur An- und Abschaltung von Heizelementen.
Als Speisespannungen kommen beispielsweise 1000 V, 1500 V und 3000 V in Betracht. Je nach der vorlie- genden Speisespannung sollen etwa die Heizelemente so hintereinander oder parallelgeschaltet werden, dass sie der jeweiligen Spannung angepasst sind.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, wie man am zweckmässigste die genannten elektro- mechanischen Schalter in Abhängigkeit von der jeweils vorliegenden Speisespannung steuert.
Es ist schon vorgeschlagen worden, die elektromechanischen Schalter durch eine Relaisschaltung in Abhängigkeit von der Betriebsspannung zu steuern. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgeschla- gen worden, die Relais mit einer von der Betriebsspannung erzeugten, jedoch von deren Höhe unabhängigen konstanten Spannung zu betreiben und durch besondere Steuerorgane mit unterschiedlicher Ansprechspannung in Abhängigkeit von der jeweiligen Höhe der Betriebsspannung einzuschalten. Als Steuerorgane sollten dabei Kaltkathodenglimmrelais verwendet werden, an deren Zündanoden über Vorwiderstände und einstellbare Potentiometer die ungeregelte Speisespannung gelegt wird und die in Abhängigkeit von der Höhe der Speisespannung die zur Steuerung der elektromechanischen Schalter dienenden Relais einschalten.
Die derart ausgebildeten Schaltungen erwiesen sich als nicht unbedingt betriebssicher. Auch ihre Lebensdauer war häufig nicht ausreichend.
Die Steuerung der elektromechanischen Schalter erfolgt erfindungsgemäss mittels einzelnen Speisespannungsbereichen zugeordneten Transistortriggern, die an einer konstanten Hilfsspannung liegen und mittels von der Speisespannung abgeleiteten, dieser entsprechenden Spannungen gesteuert werden.
In Ausbildung der Erfindung steuern die Transistortrigger Leistungstransistoren, die ihrerseits die elektromechanischen Schalter steuern. In weiterer Ausbildung der Erfindung ist ein von einer Batterie gespeister, die hochspannungsführenden Teile der Anlage galvanisch von der Batterie trennender Gleichspannungswandler zur Erzeugung der konstanten Hilfsspannung vorgesehen.
Zur Ableitung der dem jeweiligen Wert der Speisespannung entsprechenden Steuerspannung dient be- vorzugt ein Widerstandsspannungsteiler, ein Hallgenerator, ein astabiler Multivibrator oder ein Transistorzerhacker.
Besonders zweckmässig ist es, einen an der Speisespannung liegenden Spannungsteiler mit mehreren Abgriffen vorzusehen, die über Zenerdioden mit Steuer-Wicklungen von Sättigungstransformatoren oder Magnetverstärkern verbunden sind, ferner einen von einer Batterie gespeisten Transistorzerhacker, der die Primärwicklungen der Sättigungstransformatoren oder Magnetverstärker speist, und schliesslich eine Verbindung der Sekundärwicklungen der Sättigungstransformatoren oder Magnetverstärker mit den Steueranschlüssen der Transistortrigger.
Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert und in ihren weiteren Einzelheiten beschrieben. In der Zeichnung stellt Fig. 1 schematisch das Prinzip des Steuergliedes dar, während in Fig. 2 ein Schaltbild der Steuereinrichtung schematisch wiedergegeben ist. Fig. 3 und 4 geben in Verbindung mit Fig. 2 die Bildung der Messwerte, die Möglichkeiten zur galvanischen Trennung der hochspannungsführenden Teile der Anlage und das Schaltschema zur Umschaltung der Heizelemente schematisch wieder.
Die Prinzipschaltung des Steuergliedes nach Fig. 1 zeigt die an der Heizspannung (Hochspannung)
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liegende Spannungsteilerkette, sowie das aus den Transistoren a und b bestehende, an einer konstanten Hilfsspannung liegende Steuerglied. Liegt keine Hochspannung an der Spannungsteilerkette, so hat der aTransistor durchgesteuert. Der Basisstrom fliesst von + nach R, Emitter-Basis, Rl auf Masse = Minus. Dadurch ist die Emitter-Basis-Strecke von b-Transistor durch a-Transistor kurzgeschlossen. Der Widerstand Ristniederohmig, so dass das Emitter-Potential etwa 0, 2-0, 4 V unter dem Pluspotential liegt. Wird nun an die Steuerkette Hochspannung angelegt, so steigt auch das an R1 abgegriffenen Basispotential an, bis es fast gleich dem Emitterpotential wird.
Jetzt beginnt der a-Transistor zu schliessen und damit bekommt der b-TransistorüberRs Basisstrom und er zieht Strom über Rz. R2 ist wesentlich niederohmiger als Rg. Der Emitter-Kollektorstrom wird dadurch grösser als beim a-Transistor und damit wird auch der Spannungsabfall an R grösser und das Emitterpotential sinkt auf zirka 1 - 2 V unter das Pluspotential. Da die BasisEmitterspannung zuerst bereits an der Grenze des Durchsteuerns war, kippt. die Schaltung durch die Potentialerniederung am Emitter eindeutig vom geöffneten in den geschlossenen Zustand über.
Wie aus der Prinziperläuterung hervorgeht, ist für den Ansprechpunkt massgebend, dass die Steuerspannung an der Steuerkette genau so hoch über den geerdeten Minuspunkt steigt, wie das Basispotential des a-Transistors über Minus liegt. Da nun an der Niederspannungsversorgung (Batterie) ziemlich grosse Spannungsschwankungen auftreten, muss die Steuerniederungsspannung an der ersten Stufe (a-Transistor) stabilisiert werden. Dies kann, wie in Fig. 2 dargestellt, mittels Widerstand und Zenerdiode erfolgen.
In Fig. 2 ist für jeden Spannungsbereich ein solches Steuerglied vorgesehen (Transistor a und b). Da
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wendig sind und ausserdem zwischen Umsteuern des Steuergliedes und Ansprechen der Schütze die in der FunktionsbeschreibungaufgeführteVerzögerungvon zirka 5 sec notwendig ist, wird mit Hilfe des erhöhten
Spannungsabfalles am Emitterwiderstand bei Durchsteuerung von Transistor b ein Leistungstransistor c durchgesteuert, der dann die Schütze betätigt. Der Kondensator zwischen Basis von Transistor a und
Kollektor von Transistor b begünstigt den Kippvorgang des Steuergliedes. Die Kondensatoren im Zeitglied- teil bewirken, dass zwischen Umsteuern des Steuergliedes und Ansprechen der Schütze die vorgeschriebene
Verzögerung eintritt.
Im Ruhestand hat der Steuertransistor im Zeitglied durch den Basisstrom geöffnet. Es fliesst ein Emitter-Kollektorstrom, so dass am Emitterwiderstand ein Spannungsabfall erzeugt wird, der ausreicht, den Leistungstransistor einwandfrei durchzusteuern, wodurch die Steuertransistoren c für die Schütze erst eine Stromzufuhr erhalten. Bei. 8eschlossenem b- Transistor lädt sich die linke Seite des Kondensators über den Arbeitswiderstand des b-Transistors auf das Minuspotential der Steuerspannung auf, wogegen die rechte Seite das Basispotential, das nahe am Pluspotential liegt, erhält.
Öffnet nun ein b-Transistor, so wird die linke Seite, die zuerst Minuspotential hatte, positiv und die EMK am Kondensator addiert sich zur Steuerspannung, so dass die Basisspannung über die Emitterspannung steigt, bis sich der Kondensator über den Widerstand R1 entladen hat ; solange hat der Zeitgliedsteuertransistor und damit der Leistungstransistor geschlossen und die Schütze können nicht anziehen. Wären die Dioden in Reihe zum Kondensator nicht vorhanden, so wäre die Potentialerhöhung nur 1/3, da jeweils die beiden andern Transistoren 1/3 seiner Ladungsmenge aufnehmen würden. Durch die Dioden wird der Ausgleichsstrom verhindert.
Die Wirkungsweise der Steuerung macht es notwendig, dass bei Ansprechen eines Steuergliedes unverzögert das vorhergehende bzw. die vorhergehenden Steuerglieder gesperrt werden. Es wird hiefür wieder der erhöhte Spannungsabfall am Emitterwiderstand des angesprochenen Bereiches ausgenützt und damit die d-Transistoren über Vorwiderstand geöffnet, die jeweils die Basen der b-Transistoren. mit Plus verbinden und diese somit sperren.
Da ferner beimlOOOV-Bereichdas 3000 V-Schütz mit ansprechen muss, aber umgekehrt, das 1000 V- Schützim3000V-Bereichnichtansprechen darf, ist eine Sperrzelle (Diode) in die Verbindungsleitung der 3000 V- und 1000 V-Schütze eingebaut.
Die Hochspannung ist einseitig an Erde gelegt. Die Niederspannungsversorgung (Batterie) darf aber aus verschiedenen Gründen nicht geerdet werden. Aus diesem Grunde sind verschiedene Vorkehrungen, eine galvanische Trennung zwischen Steuerkette und Batterie zu bekommen, notwendig. Dies kann z. B. auf folgende Weisen erreicht werden :
Die Schaltung nach Fig. 3 zeigt die galvanische Trennung im Niederspannungsteil. Die Batteriespannung wird über einen Transistorgleichspannungswandler zugeführt. Der Einweggleichrichter und der Siebkondensator in der Steuerkette für Anschluss 2,3, 4 (1500 V, 3000 V und Maximalspannungsbereich) ermöglichen es, bei Gleich- und Wechselspannung dieselben Ansprechwerte zu erreichen.
Für den 1000 VBereich ist eine zusätzliche kapazitive Spannungsteilung vorgesehen, da der 1000 V-Bereich nur bei Wechselspannung ansprechen darf.
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Um den Zeitpunkt und das Umkippen des Steuergliedes noch zu verbessern, kann noch für jeden Spannungsbereich ein kleiner Sättigungstransformator verwendet werden. Die Wechselspannung wird von einem
Transistorzerhacker erzeugt. Die Spulen der Transformatoren sind in Reihe geschaltet, so dass sekundär eine Spannung induziert wird, die gleichgerichtet zur Aussteuerung des a-Transistoren verwendet wird. Im
Steuerteil nach Fig. 1 entfallen hiebei die Widerstände R. Wenn nun die aus der Steuerseite abgegriffene
Spannung über die Zenerspannung steigt, fliesst durch die Vorerregerspule ein Gleichstrom, der die Sät- tigungstransformatoren so vormaglletisierr, dass sekundärseitig keine Spannung mehr induziert wird. Der a-Transistor wird dadurch geschlossen und damit Transistor b geöffnet.
Die galvanische Trennung der
Hochspannung und Niederspannung erfolgt hier bereits in der Steuerkette.
Ausserdem kann die galvanische Trennung dadurch erreicht werden, dass der Messwert durch einen
Hallgenerator oder einen astabilen Multivibrator übertragen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Mehrspannungs-Heizeinrichtung, insbesonderefürelektrischbetriebene Schienenfahrzeuge, mit in
Abhängigkeit von der Höhe der Speisespannung gesteuerten elektromechanischen Schaltern, insbesondere Leistungsschützen zur An-und Abschaltung von Heizelementen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der elektromagnetischen Schalter mittels einzelnen Speisespannungsbereichen zugeordneten Transistortriggern erfolgt, die an einer konstanten Hilfsspannung liegen und mittels von der Speisespannung abgeleiteten, dieser entsprechenden Spannungen gesteuert werden.